焊接接頭缺陷影像識別及成因分析

劉文東

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院衡陽分院，湖南衡陽 421001）

0 引言

射線檢測通過對底片的審查，判斷出缺陷的成因，可以避免同類型的缺陷再次出現，在保障設備安全的同時，挽回不必要的經濟損失。射線檢測是承壓類特種設備定期檢驗中的一種重要的埋藏缺陷檢測方法，檢測結果的可靠與否對于保障設備使用安全具有決定性作用。在實施射線檢測時，對底片的評判是關鍵的一步，正確識別缺陷和偽缺陷可以防范化解風險和避免不必要的經濟損失。對于缺陷影像，如果發生漏評，則會使設備長期“帶病”運行，給人民生命財產帶來巨大風險；如果“偽缺陷”被評成了缺陷，要求使用單位對設備進行維修，停工停產和維修材料等花費會給用戶帶來不必要的經濟損失。因此，對于焊接接頭缺陷影像識別及成因分析具有重要的意義。

1 氣孔類缺陷

1.1 單個氣孔（分散氣孔）

（1）特征和分布狀態。單個氣孔缺陷在焊接內部多呈單一狀態均勻分布，在焊縫上部，氣孔體積不大，呈球狀或橢圓形，表面光滑[1]。

（2）射線檢測影像特征。單個氣孔與射線底片上能清晰地顯示氣孔的球狀、橢圓狀輪廓，由于經常采用射線方向與焊縫縱向垂直的透照方法，在底片上看到的都是氣孔的正投影圖像。所以，在射線底片上都不能反映單個氣孔缺陷在焊縫橫向所處位置，即不能說明單個氣孔是在焊縫的上部、中部和下部。

（3）形成原因。焊接前未將焊縫坡口處金屬上的鐵銹、油污和油漆等清理干凈；電焊條潮濕，水分在電弧高溫作用下分解成氫氣和氧氣等氣體，溶解于液態金屬中，此時若焊縫中液態金屬凝固過快，熔解氣體不能及時自焊縫中逸出；由于電弧加熱母材溫度不夠高，焊接速度又過快等不合理工藝因素影響。

1.2 鏈式氣孔缺陷

（1）特征與分布狀態。鏈式氣孔在焊縫中呈一直線分布，氣孔邊沿相互銜接，狀如鏈條，鏈的中心與焊縫軸線平行。在埋弧焊中出現在母材與焊縫之間，在單面對接焊縫中常出現在焊接底部，鏈式氣孔缺陷很容易和未焊透缺陷混淆。為了與未焊透缺陷區別，鏈狀氣孔又稱細線氣孔。在焊縫邊沿的縱剖面上可以看到鏈狀氣孔，在母材與焊縫分界面上呈鏈環狀影像。在焊縫橫剖面上鏈狀氣孔是呈單個分布，并有一定距離。鏈狀氣孔呈此分布狀態是由于母材與焊縫邊界處冷卻速度大，液態金屬受母材激冷，首先在此處凝固；而氫氣泡在固相表面上形成時，消耗的功又小，因此氫氣在熔池中析出即在此處團集形成氣泡，來不及逸出[2]。

（2）射線影像特征。鏈式氣孔缺陷在射線底片上能清晰地顯示出來，有的鏈環狀分布，連續長度有30 mm 以上有的則呈斷鏈狀。一段一段分布在焊縫與母材邊沿部位底片上呈暗色圖像，在鏈的邊沿可清楚看到氣孔圓形輪廓。

（3）形成原因。主要由氫氣引起，氫來源于潮濕的助熔劑和沒有充分干燥的焊條涂料中的水分。焊條在電弧高溫作用下，水被分解成氫和氧，氧與合金元素結合形成氧化物，同時降低了氫在金屬液中的溶解度，因此在焊接過程中，熔池內的液態金屬常有飽和氫氣。當焊接熔池溫度降低時，氧立即開始從熔池析出，由于焊縫冷卻速度很大、氫氣泡來不及逸出，成帶狀滯留于焊縫內。

1.3 密集氣孔

（1）特征與分布狀態。氣孔呈群狀密集分布在焊縫中心部位，其單個體積大小不一，常發生在焊縫的起點和電弧中斷處。

（2）射線影像特征。由于焊縫內存在密集氣孔缺陷部位比沒有氣孔缺陷的部位透過的射線強度大，致使底片呈現不同感光度。因此在底片上能夠發現密集型氣孔所形成套環狀暗斑。

（3）形成原因。焊接過程中產生電弧的電流電壓不穩定；電焊條內含碳量過高；焊藥熔劑潮濕；電弧過長；改變焊接方式；氣體保護焊，氣體純度不夠；焊接速度過快；風帶連接處漏。

1.4 柱狀和斜狀氣孔缺陷

（1）特征與分布狀態。焊縫內柱狀和斜狀氣孔缺陷具有方向性，常分布在焊縫的中間部位，大多與焊縫的頂面垂直，有的還裸露在焊縫頂面，嚴重的能貫穿整個焊縫的縱斷面。

（2）射線影像特征。焊縫內部的柱孔斜孔缺陷，能在X 射線底片上清晰地顯示出來，在垂直焊縫中心透照時，底片上的柱孔針孔圖像呈一多角形的暗色斑點，即圖像顯示黑色的尖角；而球狀氣孔在底片上的圖像則呈圓形沒有尖角，圓心黑度較深，向外逐漸減弱，以此可區別缺陷是球狀氣孔或柱狀，針狀氣孔。

（3）形成原因。采用大電流強度的焊接過程中，由于高溫作用大量氮氣分子在電弧中分解成氮原子，使得氮原子在熔滴階段就被液態金屬吸收；熔滴與熔池之間因熔渣保護不良，致使熔池液態金屬與空氣的直接接觸，從而使熔池內的金屬吸收大量的氮氣。當焊縫凝固時由于熔解度降低大量的氮氣泡，氣泡在金屬不斷析出氣體的壓力作用下強力向焊縫頂部排出，若此時焊縫已開始凝固并生成柱狀品，氮氣泡被拘束形成[3]。

1.5 深孔缺陷

（1）特征與分布狀態。深孔缺陷黑度較大，氣孔直徑較小，填充層產生，往往在焊縫中間較多，蓋面層產生在焊縫邊沿位置上。

（2）射線影像特征。深孔缺陷在射線底片上呈球形輪廓顯清晰可見，其黑度超過母材黑度。

（3）形成原因。焊接前未將焊縫坡口處金屬上的鐵銹、油污和油漆等清理干凈；電焊條潮濕，水分在電弧高溫作用下分解成氫氣和氧氣等氣體，溶解于液態金屬中，此時若焊縫中液態金屬凝固過快，熔解氣體不能及時自焊縫中逸出；由于電弧加熱母材溫度不夠高，焊接速度又過快等不合理工藝因素影響。

2 夾雜類缺陷

2.1 金屬夾雜物缺陷

（1）特征與分布狀態。金屬夾雜物的形狀比較復雜，有多角形、球形、橢圓形和花瓣形，常存在于焊縫的底部和中間部位，有時亦出現在母材與焊縫的結合部位。手工電弧焊的金屬夾雜物的直徑一般在1～3 mm。

（2）射線影像特征。由金屬飛濺液滴所形成的金屬夾雜物表面只有一層薄薄的氧化膜，其內部金屬基本上與焊縫金屬相同，因此一般射線底片上不能顯示出它的圖像。采用大能量高靈敏度射線機，對其底片細微處理后，在底片上可顯示暗環色的球狀或多角形圖像，環內亮度與焊縫本體的亮度相似。

（3）形成原因。焊接過程中產生的熔融金屬飛濺液滴，在飛濺中表面被氧化并迅速冷凝成固體，當它再落入熔池或將要焊接的部位，熔池的溫度又不足以將其熔化時形成。

2.2 非金屬夾雜物缺陷

（1）特征與分布狀態。焊縫內非金屬夾雜物外形無一定規律，凹凸不平，常見有三角形、菱形、長條形，焊縫內非金屬夾雜物的尺寸大小不一，大的3～5 mm 甚至10～20 mm。由于它比較輕，因此多在焊縫的上部和焊接金屬與母材之間，在多層焊的焊縫中也出現在各層焊縫之間，呈不規則的團塊狀。

（2）射線影像特征。射線檢測非金屬夾雜物缺陷有較高靈敏度，這是由于焊縫內非金屬夾雜物缺陷的成分大多是由密度小的焊藥碎塊及氧化物焊縫組成，而體積相對比較大，它對射線吸收量遠低于金屬本體的吸收量，所以在射線底片上有夾雜物的缺陷部位感光程度就比沒有缺陷的焊縫其他部位大得多，因此一般射線底片上能夠清晰顯示缺陷的暗色圖像。由于種種原因影響，其顏色和密度也不可能一致，因此在圖像上各處的密度也不一樣，一般說來缺陷密度小的部位圖像顏色較暗，反之圖像較亮。

（3）形成原因：焊接前沒將焊接邊沿的氧化皮及其污垢清理干凈；點定位焊沒有將焊渣及時充分清除；多層焊時未將上一層焊渣清除干凈；焊接工藝和規范不正確；焊接技術不熟練。

3 未焊透（未熔合）缺陷

（1）特征與分布狀態。在X 形對接焊縫中，未焊透缺陷常發生在坡口頂處和焊縫邊緣部位；剖開后觀察，缺陷一般呈條狀或帶狀分布，表面不規則，坡口頂處未焊透缺陷內部有焊瘤和氧化夾雜物，邊緣未焊透缺陷則單一的暗色條狀或帶狀，無明顯的焊瘤和氧化夾雜物。在V 形對接焊縫中，未焊透缺陷常發生在坡口邊緣部位，缺陷處有一層淡淡的氧化膜。填角接頭焊接、搭接焊縫、丁字接頭焊縫等未焊透缺陷常發生在焊接部位頂角處，缺陷呈不規則的孔洞，內部有焊瘤和氧化夾雜物。不開坡口的焊縫在單面焊接中的未焊透缺陷常發生在焊接工件的底部邊緣，缺陷呈槽狀，表面凹凸不平。

（2）射線影像特征。母材與焊縫之間有一個充滿金屬氧化物和非金屬氧化物形狀不規則的縫隙或孔洞。射線在未焊透缺陷部位的通過量將大于焊透部位的通過量，因此在射線底片上將出現不同的感光度，感光度大的未焊透缺陷部位在射線底片上呈暗色圖像。應該注意的是：由于未焊透的縫隙中的氧化物密度不同，缺陷圖像的暗淡程度也會發生很大變化。若縫隙中充填著密度小的非金屬氧化物或者無充填物，在底片上則顯出顏色較深的缺陷圖像。焊接生產中，未焊透缺陷種類很多，無損檢測工藝中常把未焊透缺陷按它在焊縫內的分布狀況進行分類，一般可分為：根部未焊透（單面焊根部未熔合）、坡口未焊透（坡口未熔合）、層間未焊透（層間未熔合）。未焊透與未熔合在焊接工藝中均屬于一種焊接缺陷，而在無損檢測分類為未焊透和未熔合兩種評定缺陷標準。

（3）形成原因：焊接接頭的坡口及被焊工件裝配不正確，間距過小，鈍邊過大，兩工件接合處坡口的鈍邊尺寸不一等，或者V 形、X 形的焊接邊緣不齊；焊接電弧的電流和電壓不足；焊接速度過大；母材金屬未充分預熱，而焊條過早熔化；焊接部位有鐵銹、油污、熔渣、氧化鐵皮等臟物，阻礙母材金屬邊緣很好地熔化；焊接過程中焊條傾斜角不正確，熔池偏離母材金屬一邊，致使另一邊受熱不均勻；磁性偏吹，焊接時產生電弧的電流所形成的磁場，反過來作用于電弧，并使電弧向焊道中磁場強度弱的部位偏離，這樣偏離會使焊道加熱不均勻。

4 熱裂紋缺陷

（1）特征與分布狀態。宏觀熱裂紋缺陷多呈縱向開裂且分布在焊縫中心部，即在焊縫兩邊生成的柱狀晶體的對徑線上，裂紋表面粗糙、沒有光澤，有明顯的氧化現象和粒狀突出物存在。

（2）射線影像特征。應用普通射線透照底片上，只能顯示焊縫宏觀熱裂紋缺陷，而不能顯示焊縫內的顯微熱裂紋。焊縫宏觀熱裂紋在一般射線底片上的圖像呈彎曲暗黑色線條狀，線條兩端黑度由里向外逐漸消失，在高能射線底片可以看到宏觀熱裂紋主干線附近有細微橫向裂紋，主干線邊緣部位有明顯的粒狀凸起物圖像和柱狀品前端排列的鋸齒狀圖像。

（3）形成原因。焊縫中裂紋缺陷是由焊縫中的應力造成的，焊縫中應力起源于焊接時的加熱和冷卻過程，焊接是由于母材局部急劇加熱，在母材和熔池之間以及熔池和已凝固的焊縫之間都會出現很大的溫度差，這個溫度差會使焊縫和母材之間焊縫不同部位之間產生巨大的熱應力，當熱應力超過焊縫在此溫度下能承受的強度時，焊縫就會破裂。與此相似，焊縫在冷卻過程中，由于母材傳熱速度快，也會產生很大的溫度梯度，從而形成冷卻應力，促使焊縫產生裂縫缺陷。在焊接時有熔鑄收縮，焊縫金相組織轉變對某些合金材料還會產生相變應力和收縮應力。

5 結語

了解焊接接頭常見缺陷的形貌特征，總結其形成原因，對于正確評判射線底片和保障設備使用安全、防止再次發生同類缺陷具有重要意義。