小徑管手工氬弧焊氣孔和氧化皮射線圖像特征

李加雷* 鄭學(xué)良

（東方菱日鍋爐有限公司）

0 引言

小直徑管常通過(guò)焊接連接。目前,互相連接的小直徑管對(duì)接焊縫的質(zhì)量檢測(cè)多采用射線檢測(cè)技術(shù)。氣孔缺陷在底片上的識(shí)別與定性是相對(duì)比較簡(jiǎn)單的。對(duì)于氧化皮（渣皮）在底片上的識(shí)別與定性相對(duì)比較含糊，難以分辨。對(duì)于氣孔和氧化皮（渣皮）進(jìn)行分析，從中可以得到更多的信息。有助于射線檢測(cè)和焊接工作進(jìn)一步提升。

1 氣孔產(chǎn)生的原因和機(jī)理

根據(jù)NB/T 47013.1—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第1 部分：通用要求》一般要求術(shù)語(yǔ)和定義，氣孔熔池的金屬在凝固時(shí)，其中的氣體未能逸出而殘留下來(lái)所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的，也可能是焊接冶金過(guò)程中反應(yīng)生產(chǎn)的。

1.1 氣孔的分類(lèi)

氣孔根據(jù)形狀可分為圓形、橢圓形和條形等；根據(jù)深度可分為內(nèi)部氣孔和表面氣孔；根據(jù)分布情況（或數(shù)量），可分為單一氣孔、密集氣孔和分散氣孔等。

1.2 氣孔射線成像的特點(diǎn)

氣孔部分充滿氣體，通過(guò)氣孔的射線幾乎不會(huì)形成材料衰減。在射線圖像中，大多數(shù)為圓形或橢圓形黑斑，外形較規(guī)則，中心黑度大，邊界黑度小，輪廓清晰可見(jiàn)。單個(gè)氣孔邊緣較淺而平滑地過(guò)渡，輪廓規(guī)則清晰，如圖1 a）所示。密集氣孔的形狀類(lèi)似于單個(gè)氣孔，其分布集中呈現(xiàn)簇裝，又叫簇狀氣孔，如圖1 b）所示。在圖像上，密集氣孔分布在一小段焊縫區(qū)域內(nèi)，大多是球形的，也有其他形狀，氣體的形狀與焊接條件密切相關(guān)。

圖1 氣孔成像

1.3 數(shù)字射線氣孔成像的特點(diǎn)

在數(shù)字射線中，操作人員可以使用圖像處理軟件，通過(guò)灰度值進(jìn)行判斷和分析等，以多個(gè)角度來(lái)分析缺陷。而數(shù)字射線圖像有正片觀察和負(fù)片觀察，圖像的合格標(biāo)準(zhǔn)主要包括灰度值、對(duì)比度和信噪比。在評(píng)定圖像時(shí)，可以調(diào)整圖像的窗寬和窗位，調(diào)整到容易觀察的灰度值范圍，確保氣孔可以被正確評(píng)定。

同時(shí)，在數(shù)字射線中，測(cè)量氣孔缺陷的大小時(shí)，必須要對(duì)評(píng)定軟件進(jìn)行壞點(diǎn)校正，幾何校正及系統(tǒng)校正，才能準(zhǔn)確的評(píng)定氣孔的大小。在氣孔評(píng)定中，依據(jù)NB/T 47013.2—2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定評(píng)級(jí)。

在圖像處理軟件中觀察焊接焊縫的無(wú)氣孔部位灰度曲線（如圖2 所示），其為平滑且向下凹的曲線，因焊接焊縫高于母材灰度曲線就往下，灰度值較小，反之就高。同時(shí)，評(píng)定圖像上的影像是黑色圓點(diǎn)，輪廓比較圓滑。

圖2 無(wú)氣孔部位及其灰度曲線

在有氣孔的焊接焊縫中，灰度曲線發(fā)生了明顯變化，不如無(wú)氣孔部位趨勢(shì)，使原來(lái)平滑的向下凹的曲線上出現(xiàn)向的凸起，如圖3 箭頭處所示。

圖3 氣孔部位及其灰度曲線

根據(jù)圖4 可知，測(cè)定的焊接焊縫基準(zhǔn)灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖4 氣孔部位及其灰度曲線

由圖5 可知，測(cè)定的氣孔灰度曲線中有多個(gè)山峰狀的凸起，峰頂和峰底的灰度相差比較大，說(shuō)明氣孔的黑度值比較大，比母材高，鏈狀氣孔貫穿所測(cè)定的部位。

圖5 氣孔部位及其灰度曲線

根據(jù)圖6 可知，測(cè)定的焊接焊縫基準(zhǔn)灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖6 無(wú)氣孔部位及其灰度曲線

從圖7 可以看出，測(cè)定的氣孔灰度曲線有向上的凸起在峰底的起伏比較平緩，單一氣孔的灰度相差不大?；叶惹€上的平滑過(guò)渡表明氣孔相對(duì)均勻。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫中間。

圖7 氣孔部位及其灰度曲線

2 氧化皮產(chǎn)生原因

手工氬弧焊表面的氧化皮是金屬在高溫水氣中發(fā)生氧化后形成的。在570 ℃以下，生成的氧化膜由Fe2O3和Fe3O4組成，氧化皮質(zhì)脆，且無(wú)延伸性。金屬的化學(xué)性質(zhì)越活潑，溫度越高，金屬的氧化速率越快。隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，形成的氧化鐵皮厚度變大。

2.1 氧化皮射線成像的特點(diǎn)

在手工氬弧焊焊接接頭中，大部分氧化皮都在焊道附近形成，一般為凸起的圓點(diǎn)且表面比較光滑的金屬。氧化皮缺陷在圖像上顯示為中間淡黑色，周邊為白色的圓形圖像。

穿過(guò)氧化皮的射線幾乎不會(huì)形成材料衰減。在射線圖像上，大部分為圓形或橢圓形暗色斑點(diǎn)，中心黑度大，邊界顯示明暗環(huán)色的圓球，明暗環(huán)色的圓球的亮度基本上與焊縫本體相似；氧化皮大部分情況是在小焊道上形成，大部分為凸起但表面光滑的圓點(diǎn)狀金屬物。在評(píng)定氧化皮時(shí)，應(yīng)觀察氧化皮的邊界和中間區(qū)域的灰度。觀察氧化皮的邊界和中間區(qū)域的灰度，當(dāng)氧化皮的中間區(qū)域的灰度比母材區(qū)域的灰度要高(薄)的情況下，可按圓形缺陷進(jìn)行評(píng)定；當(dāng)氧化皮中間區(qū)域的灰度比母材區(qū)域灰度低（高）的情況下，可以認(rèn)定為合格（如圖8 所示）。

圖8 氧化皮底片圖像顯示

2.2 數(shù)字射線氧化皮成像的特點(diǎn)

從圖9 可以看出，測(cè)量焊接焊縫基準(zhǔn)灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖9 無(wú)氧化皮部位及其灰度曲線

由圖10 可知，所測(cè)定的氧化皮灰度曲線為波浪的鋸齒形狀，且峰底的起伏比較平緩，單一氧化皮的灰度相差不大?；叶惹€上平滑過(guò)渡，可見(jiàn)氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫中間，與焊接焊縫的灰度值基本一致。

圖10 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖11 可知，測(cè)定焊接焊縫基準(zhǔn)灰度值的曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖11 無(wú)氧化皮部位及其灰度曲線

從圖12 可以看出，測(cè)定的氧皮灰度曲線無(wú)波浪的鋸齒形狀，在峰底起伏基本一致，多個(gè)氧化皮的灰度相差不大?；叶惹€上平滑過(guò)渡，可以看到氧化皮是比較均勻的。從灰度曲線可以看出，其位于焊接焊縫的中間，與焊接焊縫的灰度值基本一致。

圖12 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖13 可知，測(cè)定焊接焊縫基準(zhǔn)灰度值曲線是比較平滑，向下凹的曲線。

圖13 氧化皮部位及其灰度曲線

從圖14 可以看出，所測(cè)定的氧化皮灰度曲線在起點(diǎn)處有明顯的凸起，以下仍然是平滑的曲線。說(shuō)明氣孔黑度值比較大，比母材高。當(dāng)中間區(qū)域的灰度顯示比母材區(qū)域相比灰度要高（?。┣闆r下，可以根據(jù)氧化皮的尺寸，按圓形缺陷進(jìn)行評(píng)定。

圖14 氧化皮部位及其灰度曲線

3 分析

通過(guò)系統(tǒng)了解，對(duì)于分析氣孔和氧化皮(渣皮)有了新的認(rèn)識(shí)，從而能更好地從圖像中分析并評(píng)定氣孔和氧化皮，避免誤判，提高工作效率。

在底片的評(píng)定過(guò)程中，一般都是以底片的黑度來(lái)區(qū)分。氣孔在底片上的影像是黑色圓點(diǎn)，有時(shí)是黑線(線性氣孔)或其他不規(guī)則的形狀，其輪廓通常比較圓滑清晰。氧化皮在底片上的影像顯示為中間淡黑色，周邊為白色的。在底片評(píng)定中一般都是根據(jù)底片黑度和經(jīng)驗(yàn)值來(lái)判別，特別是在評(píng)定氧化皮時(shí)會(huì)按照氣孔來(lái)評(píng)定。

在數(shù)字圖像中評(píng)定氣孔和氧化皮（渣皮）時(shí)，可以借助灰度值和灰度曲線。從氣孔的灰度值和曲線上可以看到數(shù)值變化比較大，曲線上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)峰值波峰。氧化皮(渣皮)的灰度值和曲線上的數(shù)值沒(méi)有什么變化，曲線也比較光滑。氧化皮的灰度值超過(guò)母材時(shí)，可按照?qǐng)A形缺陷來(lái)處理；未超過(guò)母材灰度值的氧化皮，材質(zhì)、工藝等無(wú)特殊要求的，可以按合格處理。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）氣孔和氧化皮圖像的評(píng)定的重點(diǎn)是正確識(shí)別，不同的檢測(cè)者觀察到的圖像和影像的灰度值各不相同，差異較大，從圖像和影像得到的判別結(jié)果也有較大差別。因此，對(duì)圖像的判別需要依靠檢測(cè)者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技能。檢測(cè)者技術(shù)、水平、能力提升后，可以更好地保證電站鍋爐安全運(yùn)行。

（2）氣孔和氧化皮的檢測(cè)圖像應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；檢測(cè)圖像評(píng)定結(jié)構(gòu)的正確性，都是建立在合格的圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，圖像質(zhì)量應(yīng)符合NB/T 47013.11—2015 標(biāo)準(zhǔn)要求。氣孔和氧化皮圖像的評(píng)定不是越嚴(yán)越好，主要是根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用情況，選用適宜的評(píng)定和標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。