六無損檢測方法射線檢測

1第6章常用無損檢測方法26.2射線檢測

6.2.1射線檢測的物理基礎

1.射線的種類和頻譜在射線檢測中應用的射線主要是X射線、γ射線和中子射線。X射線和γ射線屬于電磁輻射，而中子射線是中子束流。

1)X射線

X射線又稱倫琴射線，是射線檢測領域中應用最廣泛的一種射線，波長范圍約為0.0006～100nm(見圖6-27)。在X射線檢測中常用的波長范圍為0.001～0.1nm。X射線的頻率范圍約為3×109～5×1014MHz。

3圖6-27射線的波長分布

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2)γ射線

γ射線是一種波長比X射線更短的射線，波長范圍約為0.0003～0.1nm，頻率范圍約為3×1012～1×1015MHz。工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生γ射線。由于γ射線的波長比X射線更短，所以具有更大的穿透力。在無損檢測中γ射線常被用來對厚度較大和大型整體工件進行射線照相。

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3）中子射線中子是構成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質的原子在裂變過程中逸出高速中子所產(chǎn)生的。工業(yè)上常用人工同位素、加速器、反應堆來產(chǎn)生中子射線。在無損檢測中中子射線常被用來對某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進行射線照相。

66.2.2Χ射線檢測的基本原理和方法

1.Χ射線檢測的基本原理

Χ射線檢測是利用Χ射線通過物質衰減程度與被通過部位的材質、厚度和缺陷的性質有關的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來實現(xiàn)的。當一束強度為I0的Χ射線平行通過被檢測試件(厚度為d)后，其強度Id由式（6-31）表示。若被測試件表面有高度為h的凸起時，則Χ射線強度將衰減為(6-36)7又如在被測試件內(nèi)，有一個厚度為x、吸收系數(shù)為μ′的某種缺陷，則射線通過后，強度衰減為(6-37)若有缺陷的吸收系數(shù)小于被測試件本身的線吸收系數(shù)，則Ix>Id>Ih，于是，在被檢測試件的另一面就形成一幅射線強度不均勻的分布圖。通過一定方式將這種不均勻的射線強度進行照相或轉變?yōu)殡娦盘栔甘?、記錄或顯示，就可以評定被檢測試件的內(nèi)部質量，達到無損檢測的目的。8圖6-35

X射線檢測原理

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2.Χ射線檢測方法

Χ射線檢測常用的方法是照相法，即利用射線感光材料(通常用射線膠片)，放在被透照試件的背面接受透過試件后的Χ射線，如圖6-36所示。膠片曝光后經(jīng)暗室處理，就會顯示出物體的結構圖像。根據(jù)膠片上影像的形狀及其黑度的不均勻程度，就可以評定被檢測試件中有無缺陷及缺陷的性質、形狀、大小和位置。此法的優(yōu)點是靈敏度高、直觀可靠、重復性好，是Χ射線檢測法中應用最廣泛的一種常規(guī)方法。由于生產(chǎn)和科研的需要，還可用放大照相法和閃光照相法以彌補其不足。放大照相可以檢測出材料中的微小缺陷。

10圖6-36

X射線照相原理示意圖

116.2.3Χ射線照相檢測技術

1.照相法的靈敏度和透度計

1）靈敏度靈敏度是指發(fā)現(xiàn)缺陷的能力，也是檢測質量的標志。通常用兩種方式表示：一是絕對靈敏度，是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn)被檢測試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸；二是相對靈敏度，是指在射線膠片上能發(fā)現(xiàn)被檢測試件中與射線平行方向的最小缺陷尺寸占試件厚度的百分數(shù)。若以d表示為被檢測試件的材料厚度，x為缺陷尺寸，則其相對靈敏度為（6-38）

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2）透度計透度計又稱像質指示器。在透視照相中，要評定缺陷的實際尺寸是困難的，因此，要用透度計來做參考比較。同時，還可以用透度計來鑒定照片的質量和作為改進透照工藝的依據(jù)。透度計要用與被透照工件材質吸收系數(shù)相同或相近的材料制成。常用的透度計主要有兩種。（1）槽式透度計。槽式透度計的基本設計是在平板上加工出一系列的矩形槽，其規(guī)格尺寸如圖6-37所示。對不同厚度的工件照相，可分別采用不同型號的透度計。

13圖6-37槽式透度計示意圖

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2.增感屏及增感方式的選擇由于X射線和γ射線波長短、硬度（見下文）大，對膠片的感光效應差，一般透過膠片的射線，大約1％就能使膠片中的銀鹽微粒感光。為了增加膠片的感光速度，利用某些增感物質在射線作用下能激發(fā)出熒光或產(chǎn)生次級射線，從而加強對膠片的感光作用。在射線透視照相中，所用的增感物質稱為增感屏，

其增感系數(shù)為

（6-40）

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1）熒光增感屏熒光增感屏是利用熒光物質被射線激發(fā)產(chǎn)生熒光實現(xiàn)增感作用的，其結構如圖6-39所示。它是將熒光物質均勻地涂布在質地均勻而光滑的支撐物(硬紙或塑料薄板等)上，再覆蓋一層薄薄的透明保護層組合而成的。

16圖6-39熒光增感屏構造示意圖

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2）金屬增感屏金屬增感屏在受射線照射時產(chǎn)生β射線和二次標識X射線對膠片起感光作用。如果射線能量不能使金屬屏的原子電離或激發(fā)，則不起增感作用，相反還會吸收一部分軟射線。如鉛增感屏，當管電壓低于80kV時，則基本上無增感作用。在生產(chǎn)實踐中，多采用鉛、錫等原子序數(shù)較高的材料作金屬增感屏，因為鉛的壓延性好，吸收散射線的能力強。

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3）金屬熒光增感屏金屬熒光增感屏是在鉛箔上涂一層熒光物質組合而成的，其結構如圖6-40所示。它具有熒光增感的高增感系數(shù)，又有吸收散射線的作用。

圖6-40金屬熒光增感屏結構示意圖

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4）增感方式的選擇增感方式的選擇通?？紤]三方面的因素：產(chǎn)品設計對檢測的要求、射線能量和膠片類型。

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3.曝光參數(shù)的選擇

1）射線的硬度射線硬度是指射線的穿透力，由射線的波長決定。波長越短硬度越大，則穿透力就越強，對某一物質即具有較小的吸收系數(shù)。X射線波長的長短由管電壓所決定，管電壓愈高，波長愈短。射線硬度對透照膠片影像的質量有很大關系。因此，選擇射線的硬度尤為重要。21在工業(yè)射線透照中，總是希望膠片上的影像襯度盡可能高，以保證檢測質量。因此，射線硬度盡可能選軟些。但是，如果希望在材料的厚薄相鄰部分一次曝光，則要選用較硬的射線。為了提高某些低原子序數(shù)、低密度和薄壁材料的檢測靈敏度，應采用軟射線，即低能X射線照相法。通常將60～150kV定為中等硬度X射線，60kV以下定為軟X射線。22一般在選用管電流和曝光時間時，在射線設備允許范圍內(nèi)，管電流總是取得大些，以縮短曝光時間并減少散射線的影響。此外，X射線從窗口呈直線錐體輻射，在空間各點的分布強度與該點到焦點的距離平方成反比(見圖6.41)。即（6-45）

2）射線的曝光量23圖6-41曝光距離與射線強度的關系

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3）射線照相對比度射線照片上影像的質量由對比度、不清晰度、顆粒度決定。影像的對比度是指射線照片上兩個相鄰區(qū)域的黑度差。如果兩個區(qū)域的黑度分別為D1、D2，則它們的對比度為：ΔD=D1-D2

。影像的對比度決定了在射線透照方向上可識別的細節(jié)，影像的不清晰度決定了在垂直于射線透照方向上可識別的細節(jié)尺寸，影像的顆粒度決定了影像可記錄的細節(jié)最小尺寸。

25圖6-42透照影像幾何不清晰度

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4)曝光曲線①不同管電壓下，材料厚度與曝光量的關系曲線，材料厚度d與曝光量x的關系為：（6-47）

式中：μ為吸收系數(shù)；為常數(shù)。x與d呈線性關系。若以x為縱軸，d為橫軸，當焦距一定時，則給定一個厚度d，對應于某一管電壓可以求得一個x值。用各種不同的電壓試驗時，就可以得出一組斜率逐漸變化的曲線，如圖6.43所示。

27圖6-43材料厚度與曝光量的關系曲線

28②不同焦距下，材料厚度與管電壓的關系曲線。根據(jù)式(6-47)，由于底片黑度要求一定，所以x為一常數(shù)，如果被透照的材料固定，則d增大時μ必須減小。根據(jù)式（6-35）和式（6-29）知，所以管電壓要相應增大。

（6-48）

若以材料厚度d為橫軸，管電壓U為縱軸，則在一定焦距下的厚度所對應的管電壓可以連成一條曲線。以不同的焦距試驗時，就可得到一組曲線，如圖6-44所示。29圖6-44材料厚度與管電壓的關系曲線

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6)等效系數(shù)兩塊不同厚度的不同材料在入射強度為I0的射線源照射下，若得到相同的出射強度Ix，則稱二者為“等效”。它們的厚度之比稱為材料的“等效系數(shù)”。根據(jù)等效系數(shù)的定義，可以從一條常用材料的曝光曲線上查出另一種材料的等效厚度所對應的管電壓。316.2.4常見缺陷及其影像特征

1.焊件中常見的缺陷

1）裂紋裂紋主要是在熔焊冷卻時因熱應力和相變應力而產(chǎn)生的，也有在校正和疲勞過程中產(chǎn)生的，是危險性最大的一種缺陷。裂紋影像較難辨認。因為斷裂寬度、裂紋取向、斷裂深度不同，使其影像有的較清晰，有的模糊不清。常見的有縱向裂紋、橫向裂紋和弧坑裂紋，

分布在焊縫上或熱影響區(qū)。

32圖6-45焊縫裂紋照片33

2）未焊透

未焊透是熔焊金屬與基體材料沒有熔合為一體且有一定間隙的一種缺陷。在膠片上的影像特征是連續(xù)或斷續(xù)的黑線，黑線的位置與兩基體材料相對接的位置間隙一致。圖6-46是對接焊縫的未焊透照片。

34圖6-46對接焊縫未焊透照片

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3）氣孔氣孔是在熔焊時部分空氣停留在金屬內(nèi)部而形成的缺陷。氣孔在底片上的影像一般呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，以單個、多個密集或鏈狀的形式分布在焊縫上。在底片上的影像輪廓清晰，邊緣圓滑，如氣孔較大，還可看到其黑度中心部分較邊緣要深一些(見圖6-47)。

36圖6-47焊縫氣孔照片

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4）夾渣夾渣是在熔焊時所產(chǎn)生的金屬氧化物或非金屬夾雜物，因來不及浮出表面，停留在焊縫內(nèi)部而形成的缺陷。在底片上其影像是不規(guī)則的，呈圓形、塊狀或鏈狀等，邊緣沒有氣孔圓滑清晰，

有時帶棱角，

如圖6-48所示。

38圖6-48焊縫夾渣照片

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5）燒穿在焊縫的局部，因熱量過大而被熔穿，形成流垂或凹坑。在底片上的影像呈光亮的圓形(流垂)或呈邊緣較清晰的黑塊(凹坑)，

如圖6-49所示。

圖6-49焊縫燒穿照片

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2.鑄件中常見的缺陷

1）夾雜夾雜是金屬熔化過程中的熔渣或氧化物，因來不及浮出表面而停留在鑄件內(nèi)形成的。在膠片上的影像有球狀、塊狀或其他不規(guī)則形狀。其黑度有均勻的和不均勻的，有時出現(xiàn)的可能不是黑塊而是亮塊，這是因為鑄件中夾有比鑄造金屬密度更大的夾雜物，如鑄鎂合金中的熔劑夾渣，如圖6-50所示。

41圖6-50鑄鎂合金中的夾雜照片

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2）氣孔因鑄型通氣性不良等原因，使鑄件內(nèi)部分氣體排不出來而形成氣孔。氣孔大部分接近表面，在底片上的影像呈圓形或橢圓形，也有不規(guī)則形狀的，一般中心部分較邊緣稍黑，

輪廓較清晰，

如圖6-51所示。

43圖6-51鑄件中的氣孔照片

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3）針孔針孔是指直徑小于或等于1mm的氣孔，是鑄鋁合金中常見的缺陷。在膠片上的影像有圓形、條形、蒼蠅腳形等。當透照較大厚度的工件時，由于針孔分布在整個橫斷面，

針孔投影在膠片上是重疊的，

此時就無法辨認出它的單個形狀了。

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4）疏松澆鑄時局部溫差過大，在金屬收縮過程中，鄰近金屬補縮不良，產(chǎn)生疏松。疏松多產(chǎn)生在鑄件的冒口根部、厚大部位、厚薄交界處和具有大面積的薄壁處。在底片上的影像呈輕微疏散的淺黑條狀或疏散的云霧狀，嚴重的呈密集云霧狀或樹枝狀，如圖6-52所示。

46圖6-52鑄件內(nèi)部疏松照片

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5）裂紋裂紋一般是在收縮時產(chǎn)生，沿晶界發(fā)展。在底片上的影像是連續(xù)或斷續(xù)曲折狀黑線，

一般兩端較細，如圖6-53所示。

圖6-53鑄件裂紋照片

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6）冷隔冷隔由澆鑄溫度偏低造成，一般分布在較大平面的薄壁上或厚壁過渡區(qū)，鑄件清理后有時肉眼可見。

在底片上的影像呈黑線，

與裂紋相似，

但有時可能中部細而兩端較粗。

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4.缺陷埋藏深度的測定根據(jù)缺陷在底片上的影像，只能判定缺陷在工件中的平面位置，也就是說，只能把缺陷位置以兩個坐標表示出來。為了確定第三個坐標，即決定缺陷所在位置的深度，必須進行兩次不同方向的照射。

5.缺陷在射線方向上的厚度測定缺陷在射線束方向的厚度(如氣孔直徑或未焊透深度等)測定方法，可用測量缺陷在底片上的影像黑度來估計。

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6.表面缺陷和偽缺陷

1）表面缺陷對于缺陷，主要應檢查工件內(nèi)部缺陷，但是各種表面缺陷在膠片上的影像和內(nèi)部缺陷的影像并沒有什么區(qū)別，表面缺陷有些是允許的。因此，在膠片上發(fā)現(xiàn)有缺陷影像后，應與工件表面仔細查對，

最后得出結論。

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2）偽缺陷偽缺陷產(chǎn)生的原因很多，形狀也多種多樣，檢測人員一般憑經(jīng)驗能識別大部分偽缺陷。也就是說，對缺陷影像可根據(jù)缺陷影像的特征和產(chǎn)生的部位予以分析。此外，還可以從膠片兩側利用反光或放大鏡觀察表面是否劃傷來判斷。如仍懷疑有缺陷，則必須重照復驗。

526.2.5γ射線檢測及中子射線檢測簡介

1.γ射線檢測的特點

γ射線與X射線檢測的工藝方法基本上是一樣的，但是γ射線檢測有其獨特的地方。53

(1)γ射線源不像X射線那樣，可以根據(jù)不同檢測厚度來調(diào)節(jié)能量(如管電壓)，它有自己固定的能量，所以要根據(jù)材料厚度、精度要求合理選取γ射線源。

(2)γ射線比X射線輻射劑量(輻射率)低，所以曝光時間比較長，曝光條件同樣是根據(jù)曝光曲線選擇的，并且一般都要使用增感屏。

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(3)γ射線源隨時都在放射，不像X射線機那樣不工作就沒有射線產(chǎn)生，所以應特別注意射線的防護工作。

(4)γ射線比普通X射線穿透力強，但靈敏度較X射線低，它可以用于高空、水下及野外作業(yè)。在那些無水無電及其他設備不能接近的部位(如狹小的孔洞或是高壓線的接頭等)，均可使用γ射線對其進行有效的檢測。

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2.中子射線照相檢測的特點中子射線照相檢測與X射線照相檢測、γ射線照相檢測相類似，都是利用射線對物體有很強的穿透能力，來實現(xiàn)對物體的無損檢測。對大多數(shù)金屬材料來說，由于中子射線比X射線和γ射線具有更強的穿透力，對含氫材料表現(xiàn)為很強的散射性能等特點，從而成為射線照相檢測技術中又一個新的組成部分。

566.2.6射線的防護

1.屏蔽防護法屏蔽防護法是利用各種屏蔽物體吸收射線，以減少射線對人體的傷害，這是射線防護的主要方法。一般根據(jù)X射線、γ射線與屏蔽物的相互作用來選擇防護材料，屏蔽X射線和γ射線以密度大的物質為好，如貧化鈾、鉛、鐵、重混凝土、鉛玻璃等都可以用作防護材料。但從經(jīng)濟、方便出發(fā)，也可采用普通材料，如混凝土、巖石、磚、土、水等。對于中子的屏蔽除能防護γ射線之外，

還以特別選取含氫元素多的物質為宜。

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2.距離防護法距離防護在進行野外或流動性射線檢測時是非常經(jīng)濟有效的方法。這是因為射線的劑量率與距離的平方成反比，增加距離可顯著地降低射線的劑量率。若離放射源的距離為R1處的劑量率為P1，在另一徑向距離為R2處的劑量率為P2，則它們的關系為：

（