六無損檢測(cè)方法射線檢測(cè)

1第6章常用無損檢測(cè)方法26.2射線檢測(cè)

6.2.1射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)

1.射線的種類和頻譜在射線檢測(cè)中應(yīng)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(cè)領(lǐng)域中應(yīng)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(cè)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(cè)中γ射線常被用來對(duì)厚度較大和大型整體工件進(jìn)行射線照相。

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3）中子射線中子是構(gòu)成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質(zhì)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(yīng)堆來產(chǎn)生中子射線。在無損檢測(cè)中中子射線常被用來對(duì)某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進(jìn)行射線照相。

66.2.2Χ射線檢測(cè)的基本原理和方法

1.Χ射線檢測(cè)的基本原理

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

X射線檢測(cè)原理

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2.Χ射線檢測(cè)方法

Χ射線檢測(cè)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(huì)顯示出物體的結(jié)構(gòu)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(píng)定被檢測(cè)試件中有無缺陷及缺陷的性質(zhì)、形狀、大小和位置。此法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、直觀可靠、重復(fù)性好，是Χ射線檢測(cè)法中應(yīng)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(bǔ)其不足。放大照相可以檢測(cè)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(cè)技術(shù)

1.照相法的靈敏度和透度計(jì)

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

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2）透度計(jì)透度計(jì)又稱像質(zhì)指示器。在透視照相中，要評(píng)定缺陷的實(shí)際尺寸是困難的，因此，要用透度計(jì)來做參考比較。同時(shí)，還可以用透度計(jì)來鑒定照片的質(zhì)量和作為改進(jìn)透照工藝的依據(jù)。透度計(jì)要用與被透照工件材質(zhì)吸收系數(shù)相同或相近的材料制成。常用的透度計(jì)主要有兩種。（1）槽式透度計(jì)。槽式透度計(jì)的基本設(shè)計(jì)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(duì)不同厚度的工件照相，可分別采用不同型號(hào)的透度計(jì)。

13圖6-37槽式透度計(jì)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(duì)膠片的感光效應(yīng)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(zhì)在射線作用下能激發(fā)出熒光或產(chǎn)生次級(jí)射線，從而加強(qiáng)對(duì)膠片的感光作用。在射線透視照相中，所用的增感物質(zhì)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(zhì)被射線激發(fā)產(chǎn)生熒光實(shí)現(xiàn)增感作用的，其結(jié)構(gòu)如圖6-39所示。它是將熒光物質(zhì)均勻地涂布在質(zhì)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(hù)層組合而成的。

16圖6-39熒光增感屏構(gòu)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(shí)產(chǎn)生β射線和二次標(biāo)識(shí)X射線對(duì)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(huì)吸收一部分軟射線。如鉛增感屏，當(dāng)管電壓低于80kV時(shí)，則基本上無增感作用。在生產(chǎn)實(shí)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?yàn)殂U的壓延性好，吸收散射線的能力強(qiáng)。

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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(zhì)組合而成的，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)對(duì)檢測(cè)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(qiáng)，對(duì)某一物質(zhì)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(duì)透照膠片影像的質(zhì)量有很大關(guān)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(cè)質(zhì)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(cè)靈敏度，應(yīng)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(shí)間時(shí)，在射線設(shè)備允許范圍內(nèi)，管電流總是取得大些，以縮短曝光時(shí)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(diǎn)的分布強(qiáng)度與該點(diǎn)到焦點(diǎn)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(qiáng)度的關(guān)系

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

。影像的對(duì)比度決定了在射線透照方向上可識(shí)別的細(xì)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(shí)別的細(xì)節(jié)尺寸，影像的顆粒度決定了影像可記錄的細(xì)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(guān)系曲線，材料厚度d與曝光量x的關(guān)系為：（6-47）

式中：μ為吸收系數(shù)；為常數(shù)。x與d呈線性關(guān)系。若以x為縱軸，d為橫軸，當(dāng)焦距一定時(shí)，則給定一個(gè)厚度d，對(duì)應(yīng)于某一管電壓可以求得一個(gè)x值。用各種不同的電壓試驗(yàn)時(shí)，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(guān)系曲線

28②不同焦距下，材料厚度與管電壓的關(guān)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(shí)μ必須減小。根據(jù)式（6-35）和式（6-29）知，所以管電壓要相應(yīng)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(duì)應(yīng)的管電壓可以連成一條曲線。以不同的焦距試驗(yàn)時(shí)，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(guān)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(qiáng)度為I0的射線源照射下，若得到相同的出射強(qiáng)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(duì)應(yīng)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(shí)因熱應(yīng)力和相變應(yīng)力而產(chǎn)生的，也有在校正和疲勞過程中產(chǎn)生的，是危險(xiǎn)性最大的一種缺陷。裂紋影像較難辨認(rèn)。因?yàn)閿嗔褜挾?、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(duì)接的位置間隙一致。圖6-46是對(duì)接焊縫的未焊透照片。

34圖6-46對(duì)接焊縫未焊透照片

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3）氣孔氣孔是在熔焊時(shí)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(gè)、多個(gè)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(shí)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(shí)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(shí)出現(xiàn)的可能不是黑塊而是亮塊，這是因?yàn)殍T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(dāng)透照較大厚度的工件時(shí)，由于針孔分布在整個(gè)橫斷面，

針孔投影在膠片上是重疊的，

此時(shí)就無法辨認(rèn)出它的單個(gè)形狀了。

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4）疏松澆鑄時(shí)局部溫差過大，在金屬收縮過程中，鄰近金屬補(bǔ)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(yán)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(shí)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(xì)，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(shí)肉眼可見。

在底片上的影像呈黑線，

與裂紋相似，

但有時(shí)可能中部細(xì)而兩端較粗。

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4.缺陷埋藏深度的測(cè)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(gè)坐標(biāo)表示出來。為了確定第三個(gè)坐標(biāo)，即決定缺陷所在位置的深度，必須進(jìn)行兩次不同方向的照射。

5.缺陷在射線方向上的厚度測(cè)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(cè)定方法，可用測(cè)量缺陷在底片上的影像黑度來估計(jì)。

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6.表面缺陷和偽缺陷

1）表面缺陷對(duì)于缺陷，主要應(yīng)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(yīng)與工件表面仔細(xì)查對(duì)，

最后得出結(jié)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(cè)人員一般憑經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏R(shí)別大部分偽缺陷。也就是說，對(duì)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(cè)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(fù)驗(yàn)。

526.2.5γ射線檢測(cè)及中子射線檢測(cè)簡介

1.γ射線檢測(cè)的特點(diǎn)

γ射線與X射線檢測(cè)的工藝方法基本上是一樣的，但是γ射線檢測(cè)有其獨(dú)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(cè)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(shí)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(shí)都在放射，不像X射線機(jī)那樣不工作就沒有射線產(chǎn)生，所以應(yīng)特別注意射線的防護(hù)工作。

(4)γ射線比普通X射線穿透力強(qiáng)，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(shè)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(duì)其進(jìn)行有效的檢測(cè)。

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2.中子射線照相檢測(cè)的特點(diǎn)中子射線照相檢測(cè)與X射線照相檢測(cè)、γ射線照相檢測(cè)相類似，都是利用射線對(duì)物體有很強(qiáng)的穿透能力，來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的無損檢測(cè)。對(duì)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(qiáng)的穿透力，對(duì)含氫材料表現(xiàn)為很強(qiáng)的散射性能等特點(diǎn)，從而成為射線照相檢測(cè)技術(shù)中又一個(gè)新的組成部分。

566.2.6射線的防護(hù)

1.屏蔽防護(hù)法屏蔽防護(hù)法是利用各種屏蔽物體吸收射線，以減少射線對(duì)人體的傷害，這是射線防護(hù)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(hù)材料，屏蔽X射線和γ射線以密度大的物質(zhì)為好，如貧化鈾、鉛、鐵、重混凝土、鉛玻璃等都可以用作防護(hù)材料。但從經(jīng)濟(jì)、方便出發(fā)，也可采用普通材料，如混凝土、巖石、磚、土、水等。對(duì)于中子的屏蔽除能防護(hù)γ射線之外，

還以特別選取含氫元素多的物質(zhì)為宜。

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2.距離防護(hù)法距離防護(hù)在進(jìn)行野外或流動(dòng)性射線檢測(cè)時(shí)是非常經(jīng)濟(jì)有效的方法。這是因?yàn)樯渚€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(guān)系為：

（