X射线表征技术在焊接领域的应用.doc

X射线技术在焊接中的应用
姓名：孟威 学号：0100509035
焊接作为连接构件的一种基本工艺方法，被广泛应用于建筑、航天、航空、造船、车辆、冶金、石油化工、锅炉、铁路、电子、机械及国防等多种领域。然而，由于焊接工艺与环境条件的影响，在焊接过程中往往不可避免地存在如气孔、裂纹、疏松、夹渣和烧穿等缺陷，引起质量问题，甚至导致整个制品的报废，造成重大经济损失和人员伤亡。因此，为保证焊接构件的产品质量，在焊接构件使用前，对其进行无损检测就显得极为重要。在多种对焊缝缺陷无损检测的方法中，X射线检测是一种使用比较广泛的检测手段。
残余应力是消除外力或不均匀的温度场等作用仍留在物体内的自相平衡的内应力。如何确定由于焊接所产生的残余应力的大小、调整残余应力的分布、减小或消除残余应力对工程的影响，已成为人们广泛关注的问题。X射线检测是目前最为成熟而且应用范围也最为广泛的测量结构表面残余应力方法。
在焊接过程中焊接接头受到复杂的热循环作用，导致其组织结构的复杂化，而X射线衍射技术是研究其凝固行为和组织演化规律重要的表征手段。
因此，在焊接领域X射线的应用主要分为焊缝缺陷图像检测、焊后残余应力分析及焊接接头的组织结构分析等三部分,现分别对其进行简要介绍如下。
1 X射线实时成像焊缝缺陷检测
X射线实时成像检测技术是实时地将射线照透相强度分布转换为可见光图像并对检测结果作出评定的技术。这种技术几乎与胶片照相检测技术同时产生。主要的射线实时成像检测系统有：X射线荧光实时成像检测系统、图像增强实时成像检测系统、数字实时成像检测系统。图像增强实时成像检测系统是工业应用中常用方法。
1.1实时成像基本原理与系统结构
X射线实时成像的基本原理是当射线透过被测物体时，有缺陷的部位(如气孔、非金属夹杂物等)与无缺陷部位对射线吸收能力不同，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度，因此可通过检测透过工件后射线强度的差异对工件缺陷进行分析。这种含有强度差异的射线经图像增强器的图像增强，在其输出屏上形成含有工件结构、状态及内部缺陷分布、大小等信息的图像，再通过光学系统被摄像机接收并转换为视频信号输出。经这种方法生成的原始图像噪声大、对比度差，图像的细节问题常常被噪声所掩盖。要改善图像质量，获得满意的图像结果，单一的增强是不能满足要求的，还必须采用适当的图像处理技术。通过图像处理，使图像质量得到明显提高，为进一步的缺陷提取、识别及最终评定打下良好的基础。
1.2 X射线的产生及其与物质的相互作用
(1) X射线的产生
X射线是由高速电子流撞击金属靶产生的。它的原理是高速电子流(也称阴极射线)与硬物质相互碰撞时，它们的运动便急剧地被阻止，失去了所有的动能，转换为其它形式的能量。其中97%以上的能量转换为热能，而仅有不到3%的能量转换为光能，即X射线。由上可知，X射线应具备五个条件：
①把电子从阴极中分离出来一般采用热电子发射。
②电子聚焦可采用罩形阴极围绕阴极，并接负电位。由于电子与其相互排斥而被限制在一股小流中，与阳极作用时才会产生小焦点。
③加速电子阴阳极之间加高电压。
④高真空度防止电子受气体阻挡而降低能量和灯丝氧化烧毁。
⑤电子骤然遏止在电子运动的途径上设置坚硬耐热的障碍物。
(2) X射线与物质的相互作用
X射线检测是利用X射线具有较强的穿透能力，穿透被测物的射线带有反映被测物内部结构的信息，通过检测射线强度的变化来检测与评判材料或工件内部各种宏观或微观缺陷的性质、大小及其分布情况。显然，这里涉及X射线在穿透物质时产生一系列极为复杂的物理过程。X射线在穿越物质后其基本物理过程的总效果是射线强度的减弱，这种强度的减弱可能部分来自射线的偏转，即散射，部分是被物质吸收而转化为其他形式的能量。实验结果表明，导致射线在穿越物质后的强度衰减，将决定于射线本身的强度和穿越物质的厚度及材料的吸收特性，由下式表不：

式中，I0,I—入射及出射射线强度，x一厚度，μ一衰减系数。
实验证明射一线在穿透物质后随物质厚度呈指数规律衰减，而衰减系数p将由射线本身的特征或能量及穿透物质本身的性质决定，以及直接由射线对物质相互作用的全部物理过程决定。这里包括光电效应、康普顿散射与汤姆森散射效应和电子对或电子对效应等多种物理过程。正是由于这些效应导致出射线的衰减。
1.3 图像增强器成像与增强原理
图像增强器是X射线实时成像系统重要的组成部分，它是一种对入射光子进行转换、增强，输出更高亮度的可见光图像的器件，由于射线光子能量高，不能用光学或电子学方法直接放大或聚焦，故在使用光电阴极将其转变为电子后，再进行增强。增强主要是通过提高电子束能量和繁衍成像束中电子数量的方法来实现。其中，前者主要通过电子光学系统的静电场加速实现，后者可利用电子束通过二次电子倍增膜或微通道板时获得，也可采用将单级管级联的方法来实现，增强后的电子轰出输出屏，利用荧光屏的阴极射线发光效应，即可获得可见光图像。
2. X射线衍射应力分析
X射线测定应力以衍射花样特征的变化作为应变的量度。宏观应力均匀分布在物体中较大范围内，产生的均匀应变表现为该范围内方向相同的各晶粒中同名晶面间距变化相同，导致衍射线向某方向位移，这就是X射线测量宏观应力的基础；微观应力在各晶粒间甚至一个晶粒内各部分间彼此不同，产生的不均匀应变表现为某些区域晶面间距增加、某些区域晶面间距减少，结果使衍射线向不同方向位移，使其衍射线漫散宽化，这是X射线测量微观应力的基础。超微观应力在应变区内使原子偏离平衡位置，导致衍射线强度减弱，故可以通过X射线强度的变化测定超微观应力。测定应力一般用衍射仪法。
2.1 X射线衍射应力分析的基本原理
当一束波长为λ的单色X射线和一块具有无规晶体取向，晶粒又足够细的多晶体材料相遇时，将产生相互干涉。可以将它阐述为处于有利位向的晶体中一定间距的晶格平面对X射线束的选择反射。如图1所示。

图1 晶体对X射线衍射图
当入射束I以角度θ照射到一个无应力的晶体上，由于一定的金属材料其晶面间距d是一定的，所以当X射线射入金属点阵后，相临两原子面的X射线光程差2dsinθ为波长λ的整数倍时将发生衍射会发生衍射现象，其衍射角θ、晶面间距d和入射线波长λ满足布拉格方程：
2dsinθ=nλ
式中n—衍射指数，λ—X射线管靶材的特征谱线波长，2θ—人射线与衍射线之间的夹角。
当应力引起晶格间距d发生变化时，衍射角θ随之变化。从以上布拉格方程中看出，欲知晶面间距d的变化，只要测得衍射角2θ的变化即可。利用衍射角的变化，根据弹性力学方程，应用下式可求出某一方向的应力。
σ=K·M
其中：K为应力常数
M为实验测定
式中E——材料的弹性模量；
μ——泊桑比；
ψ——所测应变方向与试样表面法线的夹角；
θ0——φ=0时的衍射半角。
2.2 X射线应力测量的准确性问题
在二维应力的测试中，X射线衍射法表面理论上适用于各种金属材料，但实际中多用于测量各种碳钢。其中应力测量的关键是衍射角2θ——衍射峰位置的确定。铁粉、碳钢等材料的测量过程中，当X射线管靶材为Cr靶时，2θ扫描范围内只出现了（211）晶面的衍射峰，且非常明显，因而不管用哪种方法均能得到准确测量值。但是对于奥氏体不锈钢、铝合金、钛合金等材料在扫描过程中，往往出现多晶面的衍射峰，有些衍射峰则互相叠加。按照传统方法，对于任何一个晶面的衍射峰，只要代入相应晶面的应力常数K即可得到应力结果。而事实上在我们大量的实验中发现，以某些晶面衍射峰为基础计算的应力往往无规律可循，完全不能反映真实的应力变化。由此可见，在残余应力的X射线测试中，找出合适的反映应力变化的衍射峰是最关键的参数。而现代航空航天行业当中更多的是采用铝合金、钛合金等材料，为对重要结构做出合理的结构完整性评价，急需对零部件的焊接残余应力进行准确测试与评估。
3 X射线衍射技术
在晶体学研究上，劳厄发现了X射线通过晶体之后产生的衍射现象，即X光衍射。布拉格则使用布拉格定律对衍射关系进行了定量的描述。
3.1 X射线衍射原理
X射线衍射分析是利用晶体形成的X射线衍射，对物质进行内部原子在空间分布状况的结构分析方法。将具有一定波长的X射线照射到结晶性物质上时，X射线因在结晶内遇到规则排列的原子或离子而发生散射，散射的X射线在某些方向上相位得到加强，从而显示与结晶结构相对应的特有的衍射现象。衍射X射线满足布拉格（W.L.Bragg）方程：2dsinθ=nλ式中：λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用已知的X射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射X射线强度和面间隔与已知的表对照，即可确定试样结晶的物质结构，此即定性分析。从衍射X射线强度的比较，可进行定量分析。本法的特点在于可以获得元素存在的化合物状态、原子间相互结合的方式，从而可进行价态分析，可用于对环境固体污染物的物相鉴定，如大气颗粒物中的风砂和土壤成分、工业排放的金属及其化合物（粉尘）、汽车排气中卤化铅的组成、水体沉积物或悬浮物中金属存在的状态等等。
3.2 X射线衍射应用
⑴ 物相分析
晶体的X射线衍射图像实质上是晶体微观结构的一种精细复杂的变换，每种晶体的结构与其X射线衍射图之间都有着一一对应的关系，其特征X射线衍射图谱不会因为它种物质混聚在一起而产生变化，这就是X射线衍射物相分析方法的依据。制备各种标准单相物质的衍射花样并使之规范化，将待分析物质的衍射花样与之对照，从而确定物质的组成相，就成为物相定性分析的基本方法。鉴定出各个相后，根据各相花样的强度正比于改组分存在的量（需要做吸收校正者除外），就可对各种组分进行定量分析。目前常用衍射仪法得到衍射图谱，用“粉末衍射标准联合会（JCPDS）”负责编辑出版的“粉末衍射卡片（PDF卡片）”进行物相分析。
⑵点阵常数的精确测定
点阵常数是晶体物质的基本结构参数，测定点阵常数在研究固态相变、确定固溶体类型、测定固溶体溶解度曲线、测定热膨胀系数等方面都得到了应用。点阵常数的测定是通过X射线衍射线的位置（θ ）的测定而获得的，通过测定衍射花样中每一条衍射线的位置均可得出一个点阵常数值。
⑶ 晶粒尺寸和点阵畸变的测定
若多晶材料的晶粒无畸变、足够大，理论上其粉末衍射花样的谱线应特别锋利，但在实际实验中，这种谱线无法看到。这是因为仪器因素和物理因素等的综合影响，使纯衍射谱线增宽了。纯谱线的形状和宽度由试样的平均晶粒尺寸、尺寸分布以及晶体点阵中的主要缺陷决定，故对线形作适当分析，原则上可以得到上述影响因素的性质和尺度等方面的信息。
⑷ 单晶取向和多晶织构测定
单晶取向的测定就是找出晶体样品中晶体学取向与样品外坐标系的位向关系。虽然可以用光学方法等物理方法确定单晶取向，但X衍射法不仅可以精确地单晶定向，同时还能得到晶体内部微观结构的信息。一般用劳埃法单晶定向，其根据是底片上劳埃斑点转换的极射赤面投影与样品外坐标轴的极射赤面投影之间的位置关系。透射劳埃法只适用于厚度小且吸收系数小的样品；背射劳埃法就无需特别制备样品，样品厚度大小等也不受限制，因而多用此方法 。
多晶材料中晶粒取向沿一定方位偏聚的现象称为织构，常见的织构有丝织构和板织构两种类型。为反映织构的概貌和确定织构指数，有三种方法描述织构：极图、反极图和三维取向函数，这三种方法适用于不同的情况。对于丝织构，要知道其极图形式，只要求出求其丝轴指数即可，照相法和衍射仪法是可用的方法。板织构的极点分布比较复杂，需要两个指数来表示，且多用衍射仪进行测定。
4 总结
X射线技术是一门应用非常广泛的物理实验技术。它在透射、衍射、能谱和射线源等方面与其它学科互相渗透和交叉，衍生出许多新的分支领域，应用越来越广。就X射线衍射来说，它对近代科学和近代技术的发展都产生了很大的影响。随着X射线技术的进一步发展，它必将在焊接领域也获得更广泛的应用，有利于推动了焊接过程检测和焊后物相分析的发展。