焊接工程学(第十章)

焊接检验的主要方法
焊接检验过程及内容
检验过程 焊前检验 焊接过程检 验 焊后检验 安装调试质 量检验 产品服役质 量检验 作 用 检查焊前准备工作 焊工通过焊接操作 及调整焊接参数， 积极控制焊接质量 防止外界因素干扰 并规范相关操作 对产品的焊接质量 进行现场复查 对产品质量在服役 期间进行跟踪 检 验 内 容 焊接材料质量、结构设计、备 料、装配、预热、焊工资格 焊接规范、复核焊接材料、焊 接顺序、焊道表面质量、焊后 热处理 外观检查、无损检测、力学性 能、金相、致密性和强度检查 检查资料及质量证明文件、产 品重要部位、运输中易破损和 变形的部位应重点检查 产品运行期的质量控制、服役 产品质量问题的现场处理、破 坏事故的现场调查与分析
三、无损检测技术概述
无损检测——在不损坏试件的前提下，以物理 或化学方法为手段，借助先进的技术和设备， 对试件的内部及表面的结构、性质和状态进行 检查和测试的方法。 按照检测原理，无损检测可分为射线检测（Ra diography Testing, RT）、超声波检测(Ultr asonic Testing, UT )、磁粉检测(Magnetic Testing, MT)、渗透检测(Penetrative Testi ng,PT)。其中，RT和UT主要用于探测试件内部 缺陷，而MT和PT主要用于探测试件表面缺陷。
3、采用通风除尘系统
通风除尘系统由排气罩、风机、风管和净化 装臵四部分组成。
图1 固定式局部通风除尘系统 1-排气罩；2-风管；3-风机；4-净化装臵
4、实行密闭化生产 密闭化生产是将污染源控制在一定的空 间里，不让污染物向外散发，如将等离 子弧焊工艺放在密闭罩内进行。密闭罩 的罩体可使用屏蔽材料制成，并连接排 风系统，将弧光、有害气体、电焊烟尘 限制在罩内，防止任意散发，再通过排 风除尘系统进行妥善处理。
二、X射线和γ射线的性质
1、在真空中以光速直线传播； 2、本身不带电，不受电场和磁场影响； 3、不可见，能够穿透可见光不能穿透的物 质； 4、在穿透物质的过程中，会与物质发生复 杂的物理和化学作用，如电离作用、荧光作 用、热作用和光化学作用等； 5、具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞， 破坏生物组织。
超声波是由超 声波探伤仪产 生电振荡并施 加于探头，利 用其晶片的压 电效应而获得。 探头主要由保 护膜、压电晶 片和吸收块等 组成。
图3 探头内部结构及工作原理 1-保护膜；2-压电晶片；3-吸收 块；4-匹配电感
压电晶片——由压电材料切割成薄片制成， 材料有单晶和多晶两类。晶片两表面敷有银 层作电极，负极引出的导线接发射端，正极 接地； 吸收块——由环氧树脂、硬化剂、增塑剂、 橡胶液和钨粉等浇铸在负极上，作用是吸收 杂波，以便接收反射声波； 保护膜——使压电晶片免于和工件直接接触 受磨损； 匹配电感——加入与晶片并联的匹配电感可 使探头与仪器的发射电路匹配，以提高发射 效率。
3、改进焊接工艺——焊接检验可以 评定制造工艺正确与否。在产品中， 为了了解制造工艺是否适宜，必须 事先进行工艺试验。根据检测结果 改进和修正焊接参数，最终得到能 够达到质量要求的焊接工艺。
4、降低生产成本——由于焊接检 验贯穿于焊接生产的全过程，这就 可能避免出现产品最后报废的现象， 大大减少了原材料和工时的浪费， 以及因拖延工期而带来的经济损失， 从而带来显著的社会效益和经济效 益。
二、焊接检验分类及检验过程
焊接检验可以分为破坏性检验、非破坏性检 验和声发射检验三种。 破坏性检验能够提供焊接结构的材料性能、 组织结构和化学成分的定性和定量数据。对 于重要的焊接结构产品的验收和在役中的产 品，则必须采用不破坏其原有形状、不改变 或不影响其使用性能的检测方法来保证产品 的安全性和可靠性，故无损检测技术在当今 获得了更大的发展。
二、有害气体 在各种熔化焊过程中，焊接电弧的高 温和强烈紫外线会使焊接区周围形成 一些焊接有害气体，如臭氧、氮氧化 物、一氧化碳、氟化物、氯化物等。 有害气体的成分和数量与焊接方法、 焊接材料、焊接参数有关。如采用熔 化极氩弧焊焊接碳钢时，由于紫外线 激发而产生的臭氧量大于73μg/min； 而采用CO2气体保护焊焊接碳钢时，仅 产生7μg/min左右的臭氧。
几种焊接方法的紫外线辐射相对强度比较
相对强度 波长/nm 焊条电弧焊 氩弧焊 等离子弧焊
200-233
233-260 260-290 290-320
0.025
0.059 0.60 3.90
1.0
1.0 1.2 1.0
1.91
1.32 2.21 4.4
320-350
350-400
5.61
9.35
1.2
无损检测方法的选择： 原材料检验： 板材——UT； 锻件和棒材——UT、MT； 管材——UT、MT； 螺栓——UT、MT 焊接检验： 坡口部位——UT、PT； 根部部位——PT； 对接焊缝——RT、MT； 角焊缝和T型焊缝——UT、PT。
检测方法和检测对象的适应性
项目 检测对象 内部缺陷检测方法 表面缺陷检测方法 RT 好 好 好 好 UT MT PT
当高频电压施加于晶片两极上时，晶片会在 厚度方向产生伸缩变形的机械振动。若晶片 与工件表面有良好耦合时，机械振动就以超 声波形式传播出去，即产生发射；反之，当 晶片受到遇异质界面反射回来的超声波作用 而发生伸缩变形时，正压电效应又会使晶片 两表面产生不同的极性电荷，形成超声频率 的高频电压，即产生吸收。 利用压电效应使探头（压电晶片）发射或吸 收超声波，根据传播时间求得传播距离，从 而发现缺陷，此为超声波探伤仪的工作原理。
一、焊接产品检验的目的 1、保证焊接产品质量——用焊接 检验可以控制缺陷和防止废品产生， 并通过在使用过程中不断进行监测， 使焊接产品能在规定的使用条件下 和预期的使用寿命内，焊接接头都 不会发生破损，避免危险事故的发 生。
2、保障使用安全——即使是设计和制造完 全符合要求的焊接产品，在经过一段苛刻 的运行条件使用后，也可能会发生破坏事 故。如：由于高温和应力作用会导致材料 蠕变；由于温度、压力的波动导致交变应 力会使设备的应力集中部位产生疲劳；由 于腐蚀作用使壁厚减薄或材质劣化等。 无损检验就是通过对焊接构件进行检验以 及时发现缺陷，避免事故发生的最有效手 段。
三、电弧光辐射 焊接电弧的光辐射主要是由红外线辐 射（波长为760-345000nm）、强可见 光辐射（波长为400-750nm）和紫外线 辐射（波长为180-400nm）组成。不同 焊接方法和焊接参数的光辐射强度及 其组成不同，尤其是紫外线的辐射强 度不同。 在等离子弧焊、氩弧焊、CO2气体保护 焊和焊条电弧焊中，也主要以紫外线 辐射产生危害为主。
第十章 焊接污染控制与质量检测
第一节
焊接污染
一、电焊烟尘 电焊烟尘是指焊接过程中产生的“烟”和“粉 尘”。被焊金属材料和焊接材料（焊条和焊丝） 熔化时产生的高温金属蒸气，在空气中迅速蒸 发——氧化——冷凝形成细小的固态粒子，弥散 在电弧周围，从而形成电焊烟尘。 固态粒子的直径小于0.1μm称为“烟”；直径在 0.1—10μm称为“粉尘”。这些金属及其化合物 的细小微粒飘浮到空气中就会造成环境污染。 不同焊接方法的烟尘成分不同。如焊条电弧焊、 CO2气体保护焊、等离子弧焊烟尘的主要成分为 Fe、Mn、Si、Al等。
1.0
7.0
7.8
第二节
焊接污染控制
பைடு நூலகம்
在焊接污染物中，电焊烟尘的危害最大。《车 间空气中电焊烟尘卫生标准》中规定：车间空 气中电焊烟尘最高容许浓度为6mg/m3。对污染 物的控制主要应采用以下措施： 1、改革工艺 以无污染或污染较少的焊接方法如埋弧焊、电 阻焊等代替污染较严重的焊接方法如焊条电弧 焊、CO2气体保护焊、氩弧焊和等离子弧焊等， 可有效减少污染。
锻件
试件分类 铸件 焊缝 疏松 内 部 缺 陷 气孔 缩孔
好
一般 好 一般 一般 一般
好
好 好
好
一般 好
缺 陷 分 类
未焊透
夹渣 裂纹
好
好 一般
好
一般 一般 好 好
表面 表面裂纹 缺陷 表面针孔
好
第四节
射线检测技术
一、射线检测的基本原理
射线探伤是利用射线可穿透物质和在物 质中有衰减的特性来发现缺陷的一种探伤 方法。 按照射线的种类，可分为X射线探伤、γ 射线探伤和高能射线探伤等。 X射线和γ射线是电磁波，与无线电波、 红外线、可见光和紫外线属同一范畴。X 射线的波长为0.001-0.1nm，γ射线的波 长为0.0003-0.1nm。
无损检测技术的优点： 1、可以探测到用肉眼无法看到的试件内部 缺陷； 2、无损检测对缺陷检验的应用范围广，灵 敏度高，检测结果可靠性好； 3、无损检测无需损坏试件就能完成检测过 程，对于重要的结构或产品，可确保万无一 失； 4、如果在制造过程中间的适当环节正确进 行无损检验，可以防止以后的工序浪费，减 少返工，降低废品率，从而降低成本。
2、氮氧化物的产生
在焊接高温作用下，空气中的氮分子、氧分 子分解，并重新结合成氮氧化物，如N2O、 NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等。在焊接时， 常见的氮氧化物为NO2，其次为NO和N2O4 。
3、一氧化碳的产生
焊接过程中产生的一氧化碳主要来源于CO2 在电弧高温作用下的分解。在各种焊接方法 中，CO2气体保护焊产生的CO浓度最高。
第五节
超声波检测技术
超声波检测是利用超声波在物体中的传播、 反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种检 验方法。 按其工作原理，超声波探伤可分为脉冲反射 法、穿透法和共振法超声波探伤。 超声波是频率大于20000Hz的机械振动在弹 性介质中的一种传播过程，它是超声频率的 机械波。探伤中常用的超声波频率为0.5-10 MHz。
三、射线与物质的相互作用
当射线穿透物质时，由于射线与物质的相互 作用，其结果使射线因吸收和散射而失去一 部分能量，强度相应减弱，该现象称为射线 的衰减。 射线的衰减可用衰减定律表达： Iδ=I0 e-μδ 式中，Iδ——射线透过厚度δ的物质后的射 线强度； I0——射线的初始强度； δ——透过物质的厚度； μ——线衰减系数。
第三节
焊接产品质量检验概述
随着锅炉、压力容器、化工机械、航空航 天器和原子能工程等向高参数及大型化方 向发展，工作条件日益苛刻、复杂，这些 设备在运行中一旦出现事故必将造成惨重 损失。由于焊接接头为一性能不均匀体， 应力分布复杂，制造过程中亦不可能绝对 不产生焊接缺陷，只有采用和发展合理而 先进的焊接检验技术才能够保证焊接产品 安全可靠的运行。
四、探伤的基本 原理 射线探伤的实质 是根据被检工件 与其内部缺陷介 质对射线能量衰 减程度不同，而 引起射线透过工 件后的强度差异， 使缺陷能在射线 底片或X光电视 屏幕上显示出来。
图2 射线探伤的原理图
根据缺陷的性质、尺寸和数量，可将焊缝质 量分为四个等级： Ⅰ级焊缝内无裂纹、未熔合、未焊透和条状 夹渣等四种缺陷，但可以有一定数量和尺寸 的圆形缺陷存在； Ⅱ级焊缝内没有裂纹、未熔合、未焊透三种 缺陷存在，但可以有一定数量和尺寸的条状 夹渣和圆形缺陷存在； Ⅲ级焊缝内无裂纹、未熔合以及双面焊和加 垫板的单面焊中的未焊透存在，但可以有一 定数量和尺寸的条状夹渣和圆形缺陷存在； Ⅳ级焊缝为焊缝缺陷超过Ⅲ级者。
2、改革焊条 焊条电弧焊时产生的烟尘和有害气体都来自 焊条药皮，故焊条药皮是污染源。改革焊条 药皮对减少或消除焊接污染有重要意义。 a、将高锰焊条改为低锰焊条，可减少烟尘 中有害物质锰的含量； b、使用已研制成功的低尘低毒碱性焊条。 由于此种焊条采用不易挥发且可减少氟化物 产生的药皮材料，故可减少烟尘中的有害物 质。
在氩弧焊、等离子弧焊过程中，电弧 温度极高，电弧区周围会发生强烈的 高温化学反应，导致较多臭氧产生。 在焊接铜合金、铝合金时，还会产生 较多的氮氧化物。
1、臭氧（O3）的产生 焊接区的臭氧，是空气中的氧气经电弧 高温和强烈紫外线光化作用而产生的。 电弧与等离子弧辐射出的短波紫外线， 特别是波长为185-210nm的紫外线，使 空气中的氧分子分解成氧原子，这些分 子或原子在高温下获得一定能量后，激 发并相互碰撞，就产生臭氧。