第2章 基础知识

2.1 材料

2.1.1 游乐设施常用材料

游乐设施常用材料由金属材料和非金属材料两部分组成。金属材料有黑色金属和有色金属；非金属材料有橡胶、玻璃钢、尼龙、聚氨酯、塑料和硬木等。《游乐设施安全技术监察规程（试行）》和《游乐设施安全规范》（GB 8408—2008）都对游乐设施常用材料做出了规定和要求。

2.1.1.1 金属材料

常用的金属材料以黑色金属为主，包括生铁、铁合金、铸铁和钢。游乐设施中常用的材料是钢，主要用于结构件和零部件。钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。

1.钢的分类

（1）按品质分类 可分为普通钢（含磷量≤0.045%，含硫量≤0.050%）、优质钢（含磷量与含硫量均≤0.035%）、高级优质钢（含磷量≤0.035%，含硫量≤0.030%）。

（2）按化学成分分类

1）碳素钢：低碳钢 ［w（C）≤0.25%］、中碳钢［0.25＜w（C）≤0.60%］、高碳钢［w（C）＞0.60%］。

2）合金钢：低合金钢（合金元素总含量≤5%）、中合金钢（5%＜合金元素总含量≤10%）、高合金钢（合金元素总含量＞10%）。

（3）按成形方法分类 可分为锻钢、 铸钢、热轧钢、冷拉钢。

（4）综合分类

1）普通钢：碳素结构钢（ Q195、Q215、Q235、Q275）、低合金结构钢、特定用途的普通结构钢 。

2）优质钢（包括高级优质钢）：

①结构钢：优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、易切钢、轴承钢、特定用途优质结构钢。

②工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢。

③特殊性能钢：不锈耐酸钢、耐热钢、电热合金钢、电工用钢、高锰耐磨钢。

（5）按冶炼方法分类

1）按炉种分：

①平炉钢:酸性平炉钢、碱性平炉钢。

②转炉钢:酸性转炉钢、碱性转炉钢，或底吹转炉钢、侧吹转炉钢、顶吹转炉钢。

③电炉钢:电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢、真空自耗炉钢、电子束炉钢。

2）按脱氧程度和浇注制度分：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。

①沸腾钢为脱氧不完全的钢。钢在冶炼后期不加脱氧剂（如硅、铝等），浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被黏合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，标准规定为痕量或不大于0.07%，通常浇注成不带保温帽口的上小下大的钢锭。其优点是钢的成品率高（约提高15%），生产成本低，表面质量和深冲性能好。其缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，质量不均匀。

②镇静钢为完全脱氧的钢。通常浇注成上大下小带保温帽口的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽口（在钢液凝固时用于补充钢液），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的成品率低，但组织致密，成分偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。

③半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。

④特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更充分彻底，代号为“TZ”。 特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。

2.游乐设施金属结构件常用材料

游乐设施金属结构件常用材料主要有Q235A、Q235B等。

（1）化学成分和力学性能 分别见表2-1、表2-2（按《碳素结构钢》GB/T 700—2006）。

（2）材料的选用 法规和标准对游乐设施材料选用的主要要求如下。

1）优质碳素结构钢含碳量在0.8%以下，低合金钢的碳当量应小于0.4%。机械零部件所用金属材料需考虑其力学性能、热处理性能、冲击韧性等方面的要求。焊接结构需用焊接性好的钢材。锻件、铸造件及有色金属材料应满足国家标准或行业标准要求。

2）以下情况的承重结构和构件不宜采用Q235沸腾钢。

①对于焊接结构，其直接承受动力载荷或振动载荷且需要验算疲劳的结构；工作温度等于或低于-20℃直接承受动力载荷或振动载荷，但可不验算疲劳的结构；承受静力载荷的受弯及受拉的重要承重结构。工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。

②对于非焊接结构，工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力载荷且需要验算疲劳的结构。

3.轴类常用材料

游乐设施的轴属于重要零件，由于轴所受的载荷情况较为复杂，其横截面上的应力多为交变应力，所以要求其材料具有良好的综合力学性能。

轴的材料常采用优质碳素结构钢和合金结构钢。优质碳素结构钢比合金结构钢价格低廉，强度也低一些，但优质碳素结构钢对应力集中的敏感性低。常用的优质碳素结构钢有35、40、45和50等（具体牌号和化学成分见表2-3），其中以45钢最为常用。为保证材料的力学性能，通常都要进行调质或正火处理，对于重要的轴还要进行表面强化处理。

当对轴的强度和耐磨性要求较高，或在高温或腐蚀性介质等条件下工作时，必须采用合金结构钢。对于耐磨性和韧性要求较高的轴，可选用20Cr、20CrMnTi等低碳合金结构钢，轴颈部位还要进行渗碳淬火处理。对于在高速和重载下工作的轴，可选用38CrMoAlA、40CrNi等合金结构钢。对于中碳合金结构钢，一般采用调质处理，以提高其综合力学性能。

2.1.1.2 非金属材料

随着科技的发展，有许多非金属材料的性能已大大提高，可用于游乐设施的制造中。下面介绍的是比较常见的几种材料。

1.橡胶

橡胶是高弹性聚合物，橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶就是由三叶橡胶树割胶时流出的胶乳经凝固、干燥后制得的。合成橡胶是由人工合成方法制得的,采用不同的原料（单体）可以合成出不同种类的橡胶。橡胶在游乐设施中主要应用在赛车的轮胎，液压和气压系统中的胶管，电气施工中的胶带、电缆以及部分防撞缓冲装置上。

1）采用橡胶材料时，应充分考虑其耐候性、耐蚀性以及有害物质含量的控制，还要根据具体使用情况定期更换橡胶零件。

2）驱动轮和支承轮采用橡胶时，其力学性能应符合表2-4的规定。采用橡胶充气轮时，充气压力应适度。

2.玻璃钢材料

玻璃钢学名为玻璃纤维增强塑料。它是一种以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，用合成树脂作基体材料的复合材料。在游乐设施中，玻璃钢主要用于水上游乐设施、座舱及装饰物等，有关玻璃钢和玻璃钢制件应满足《游乐设施安全技术监察规程（试行）》和《游乐设施安全规范》（GB 8408—2008）的有关要求。

1）玻璃钢表面应光滑无裂纹，色调均匀。水滑梯用玻璃钢应符合以下要求：树脂应有良好的耐水性和良好的抗老化性能；玻璃纤维应采用无碱玻璃纤维，纤维表面必须有良好的浸润性；厚度应不小于6mm，法兰厚度应不小于9mm。

2）水滑梯滑道内表面不允许存在小孔、皱纹、气泡、固化不良、浸渍不良、裂纹、缺损等缺陷；背面不允许存在固化不良、浸渍不良、缺损、毛刺等缺陷，切割面不允许存在分层、毛刺等缺陷；距600mm处用肉眼观察，不能明显看出修补痕迹、伤痕、颜色不均、布纹、凸凹不平、集合等缺陷。

3）玻璃钢制件应符合的要求：不允许有浸渍不良、固化不良、气泡、切割面分层、厚度不均等缺陷；表面不允许有裂纹、破损、明显修补痕迹、布纹显露、皱纹、凸凹不平、色调不一致等缺陷，转角处过渡要圆滑，不得有毛刺；玻璃钢件与受力件直接连接时应有足够的强度，否则应预埋金属件；玻璃钢件的力学性能应符合表2-5的规定。

3.尼龙材料

聚酰胺俗称尼龙，英文名称Polyamide（简称PA），是分子主链上含有重复酰胺基团 “—［NHCO］—”的热塑性树脂总称。它是一种韧性角状半透明或乳白色结晶树脂。尼龙具有很高的机械强度，软化点高，耐热，摩擦因数低，耐磨损，自润滑性、吸振性和消音性好，耐油、耐弱酸、耐碱、电绝缘性好，以及有自熄性、无毒、无臭、耐候性好、染色性差等优点。其缺点是吸水性大，影响尺寸稳定性和电性能。尼龙与玻璃纤维的亲合力良好，而玻璃纤维与尼龙结合，可降低树脂吸水率，增加强度，并使其能在高温、高湿的条件下工作。

游乐设施使用的尼龙材料主要有：尼龙材料编织的安全带、安全网和尼龙棒制成的车轮和轴套,其力学性能应符合表2-6 的规定。

4.聚氨酯材料

聚氨酯是一种新型的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”， 因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济各领域。聚氨酯是一种很特别的聚合物。它由硬段和软段组成，硬段部分玻璃化转变温度很低，具有塑料的特性；软段部分玻璃化转变温度高于室温很多，具有橡胶的特性。在聚氨酯的合成过程中，通过控制聚合反应，可以调节聚合物的硬段和软段的比例，从而使聚氨酯表现为塑料或橡胶。

游乐设施中采用聚氨酯材料时，其力学性能应符合表2-7的规定。

5.硬木材料

在游乐设施中，硬木主要用作地板和座椅材料，但它也常作为大型过山车的结构组件材料。

《游乐设施安全技术监察规程（试行）》和《游乐设施安全规范》（GB 8408—2008）中都要求：游乐设施使用木材时，应选用强度高、不易开裂的硬木，木材的含水率应小于18%，并且必须进行阻燃和防腐处理。

6.塑料

塑料是具有塑性行为的材料。所谓塑性，是指受外力作用时发生形变，外力取消后，仍能保持受力前的状态。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，受力能发生一定形变。软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。塑料是一种利用单体原料通过合成或缩合反应聚合而成的可以自由改变形体样式的高分子化合物。它由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成，主要成分是合成树脂。根据塑料的特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。游乐设施中主要用的是工程塑料，主要用于按钮、开关、仪表等。

2.1.2 游乐设施常用工艺

2.1.2.1 热处理

1.金属学与热处理基本知识

（1）金属的晶体结构 物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈不规则排列的物质称为非晶体、所有固态金属都是晶体。

晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3种，如图2-1所示。

不同晶体结构的材料具有不同特性：体心立方晶格的金属均具有较高的强度、硬度、熔点，而塑性、韧性较差；面心立方晶格的金属具有较好的塑性、韧性，没有冷脆性；密排六方晶格的金属强度低且韧性差，一般不用作结构材料。

金属是由许多晶粒组成的，叫作多晶体。每一个晶粒相当于一个单晶体，晶粒内的原子排列是相同的，但不同晶粒的原子排列的位向是不同的。晶粒之间的界面称为晶界。

高温的液态金属冷却转变为固态金属的过程是一个结晶过程，即原子由不规则状态（液态）过渡到规则状态（固态）的过程。

实际晶体的原子排列并非完美无缺，由于种种原因使晶体的许多部位的原子排列受到破坏，金属主体原子中存在的另类原子称为杂质；杂质和晶体中的原子错误排列统称为“缺陷”，包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷四类。常见的晶体缺陷有空位、间隙原子、置换原子、位错等。

（2）铁碳合金的组织 结构与化学成分均匀，并有明显的界面与周围分开的区域组织称为相。不同的相，其结构、性质截然不同。其排列组合具有各种特征的显微组织。钢由多相显微组织构成，其物理、化学特性，以及力学性能在很大程度上取决于相的种类、比例、尺寸和空间分布等。

通常把钢和铸铁统称为铁碳合金，这是因为钢和铸铁的成分虽然复杂，但基本上是铁和碳两种元素组成的。一般把含碳量为0.02%～2%的称为钢，含碳量大于2%的称为铸铁。

可以通过Fe-Fe3C图（见图2-2）来分析钢铁的有关特性。铁存在着同素异构转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe-Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。

1）铁碳合金中的基本相：

①铁素体（F）：碳溶于α铁或δ铁中的固溶体（固溶体是指组成合金的两种或两种以上的元素相互溶解形成的单一均匀的物质）。α铁和δ铁都是体心立方晶格，前者是指温度低于910℃的铁，后者是温度在1390～1535℃的铁。铁素体的溶碳能力极差，在727℃溶碳量最大时也仅有0.0218%。铁素体的强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性，在770℃以下具有铁磁性，超过770℃则丧失铁磁性。

②奥氏体（A）：碳溶于γ铁中的固溶体。γ铁是面心立方晶格，奥氏体溶碳能力较大，最大可达2.11%（1148℃），在727℃溶碳量为0.77%。奥氏体不具有铁磁性。

③渗碳体（Fe3C）：铁和碳的金属化合物，其含碳量为6.69%。渗碳体的硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性很大，渗碳体在低温下有弱磁性，高于217℃磁性消失。渗碳体分为一次渗碳体、二次渗碳体和三次渗碳体3种。

2）Fe-Fe3C相图的分析：

①主要特性点：见表2-8。

②主要特性线：

BC线：液体向奥氏体转变的开始线，即L—→A。

CD线：液体向渗碳体转变的开始线，即L—→Fe3CⅠ。ABCD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。

JE线：液体向奥氏体转变的终了线。

ECF水平线：共晶线。AHJECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。

ES线：又称为Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线，即L—→Fe3CⅡ。

GS线：又称为A3线。

GP线：奥氏体向铁素体转变的终了线。

PSK水平线：共析线（727℃），又称为A1线。

PQ线：碳在铁素体中的溶解度曲线。

③相区：

单相区：简化的Fe-Fe3C相图中有F、A、L和Fe3C四个单相区。

两相区：简化的Fe-Fe3C相图中有五个两相区，即L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F两相区和F+Fe3C两相区。

每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F和Fe3C三相共存。

④三个转变：图2-2中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成。

在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变，即

LB+δH→AJ

转变产物是A。此转变仅发生在含碳量为0.09%～0.53%的铁碳合金中。

在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变，即

LC→AE+Fe3C

转变产物是A和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金都发生此转变。

在PSK水平线（727℃）发生共析转变，即

A→FP+Fe3C

转变产物是F和Fe3C的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。

此外，Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线：

1） GS线：A中开始析出F，常称此温度为A3温度。

2） ES线：碳在A中的溶解度线，常称此温度为Acm温度。低于此温度时，A中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CⅡ，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CⅠ。

3） PQ线：碳在F中的溶解度线。F从727℃冷却下来时，也将析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CⅢ。

（3）特种设备用钢常见金相组织和性能 铁素体（F）、奥氏体（A）和渗碳体（Fe3C）是特种设备用钢常见的金相组织，下面介绍其他几种金相组织：

①珠光体（P）：铁素体和渗碳体的混合物，是含碳量为0.77%的碳钢共析转变的产物，金相组织为层片状铁素体与渗碳体构成的机械混合物。珠光体的硬度和强度较高，塑性也较好。

含碳量为0.77%的铁碳合金只发生共析转变，其组织是100%的珠光体，称为共析钢。含碳量大于0.77%的铁碳合金称为过共析钢，其组织是珠光体P+渗碳体Fe3C；含碳量小于0.77%的铁碳合金称为亚共析钢，其组织是铁素体F+珠光体P。

低碳钢是亚共析钢，所以在缓慢冷却条件下，低碳钢的正常组织是铁素体F+珠光体P。碳含量越低，组织中铁素体的含量就越多，塑性和韧性也就越好，但强度和硬度却随之降低。

②马氏体（M）：是碳溶于α铁中的过饱和固溶体。它是钢被高温奥氏体化之后快速冷却至马氏体点以下发生无扩散性相变的产物。金相组织为互成一定角度的白色针状结构，正常的淬火工艺下，获得的马氏体大部分为细针或隐针状。马氏体具有很高的硬度（640～760HBW），很脆，冲击韧性差，断面收缩率和断后伸长率几乎等于零。

按含碳量可将马氏体分为高碳马氏体和低碳马氏体。高碳马氏体又称为片状（针状）马氏体或孪晶马氏体、棱镜状马氏体和低温马氏体；低碳马氏体又称为板条状马氏体或位错马氏体、大块马氏体、定向马氏体和高温马氏体。

③贝氏体（B）：过冷奥氏体在中温区间（250～450℃）相变产生的过饱和的铁素体和渗碳体混合物。贝氏体形成的温度不同，组织特性也不相同。在接近珠光体形成温度所生成的组织叫作“上贝氏体”，在金相组织中呈羽毛状，可对称或不对称。在300℃附近形成的组织叫作“下贝氏体”,在金相组织中呈黑针状。上、下贝氏体只是形状和碳化物分布不同，没有质的区别。上贝氏体的强度小于同一温度形成的细片状珠光体，脆性也较大。下贝氏体与相同温度的回火马氏体强度相近，下贝氏体的性能优于上贝氏体，有时甚至优于回火马氏体。

④魏氏组织：亚共析钢因为过热而形成的粗晶奥氏体。魏氏组织的产生与奥氏体晶粒大小（取决于过热程度）、钢的含碳量、冷却速度等因素有关。魏氏组织严重时会使钢的冲击韧性、断面收缩率和断后伸长率下降，使钢变脆。可用完全退火使之消除。

2.热处理一般过程

在实际生产过程中，热处理过程是比较复杂的，但其基本工艺过程由加热、保温和冷却三个阶段构成，温度和时间是影响热处理的主要因素。任何热处理过程都可以用温度—时间曲线来说明，图2-3所示为热处理基本工艺。

由Fe-Fe3C相图可知，随着温度的变化，钢在固体状态下能够发生相变。图2-4为铁碳Fe-Fe3C相图中钢的固态部分，与低碳钢相关的固态相变温度为GS线和PSK线，分别称为A3线和A1线。在实际加热和冷却时，由于存在过热和过冷现象，加热时钢的相变温度将高于A3线和A1线，所以在加热时相变临界点用Ac3线和Ac1线表示；冷却钢的相变温度将低于A3线和A1线，所以冷却时相变临界点用Ar3线和Ar1线表示。

钢在热处理过程中的组织变化由几个过程组成：一是加热时，钢的常温组织转变为奥氏体；二是钢在加热后之所以需要有保温时间，不仅是为了把工件烧透，使其心部达到与表面同样的温度，还为了获得成分均匀的奥氏体组织，以便在冷却后得到良好的组织与性能；三是冷却时奥氏体分解，随着冷却速度不同，得到不同形态组分的珠光体、铁素体或马氏体等转变产物。

3.常用热处理工艺

根据钢在加热和冷却时的组织与性能变化规律，热处理工艺分为退火、正火、淬火、回火等。

（1）退火 将钢试件加热到适当温度，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。根据钢的成分和目的的不同，退火又分为完全退火、不完全退火、去应力退火、等温退火、球化退火等。

1）完全退火又称为重结晶退火，其方法是将工件加热到Ac3以上30～50℃，保温后在炉内缓慢冷却。其目的在于均匀组织，消除应力，降低硬度，改善切削性能。

2）不完全退火是将工件加热到Ac1以上30～50℃，保温后缓慢冷却。其目的是降低硬度，改善切削性能，消除内应力。

3）去应力退火的加热温度因材料不同而不同，一般是将工件加热到Ac1以下100～200℃，对碳钢和低合金钢大致在500～650℃，保温然后缓慢冷却。其目的是消除焊接、冷变形加工、铸造、锻造等加工方法所产生的内应力，同时还能使焊缝中的氢较完全地扩散，提高焊缝的抗裂性和韧性，此外对改善焊缝及热影响区的组织，稳定结构形状也有作用。

（2）正火 正火是将工件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保持一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火基本相同，主要是细化晶粒，均匀组织，降低内应力。正火与退火的不同之处在于前者的冷却速度较快，过冷度较大，使组织中珠光体量增多，且珠光体片层厚度减小。钢正火后的强度、硬度、韧性都较退火后高。

（3）淬火 淬火是将钢加热到临界温度以上，经过适当保温后快冷，使奥氏体转变为马氏体的过程。材料通过淬火获得马氏体组织，可以提高其硬度和强度，这对于轴承、模具之类的工件是有益的；但马氏体硬而脆，韧性很差，内应力很大，容易产生裂纹。

（4）回火 回火是将经过淬火的钢加热到Ac3以下的适当温度，保持一定时间，然后用符合要求的方法冷却（通常是空冷），以获得所需组织和性能的热处理工艺。回火的主要目的是降低材料的内应力，提高韧性。通过调整回火温度，可获得不同的硬度、强度和韧性，以满足所要求的力学性能。此外，回火还可稳定零件尺寸，改善加工性能。

按回火温度的不同可将回火分为低温回火、中温回火、高温回火三种：淬火后在350～250℃范围内的回火称为低温回火，回火后的组织为回火马氏体，主要用于各种高碳钢制成的工具、滚珠轴承等；淬火后在350～500℃范围内的回火称为中温回火，回火后的组织为回火托氏体，主要用于模具、弹簧等；淬火后在500～650℃范围内的回火称为高温回火，回火后的组织为回火索氏体，其特点是具有一定的强度同时又有较高的塑性和冲击韧性，即有良好的综合力学性能。淬火加高温回火的热处理又称为调质，许多机械零件如齿轮、曲轴等均需经过调质处理。

（5）调质 通常将淬火加高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理，简称调质。调质后获得回火索氏体组织，可使钢件得到强度与韧性相配合的良好的综合性能。与正火相比，在相同的硬度下，调质处理后的钢的强度、塑性和韧性较正火有明显的提高。

2.1.2.2 焊接

焊接又称为冶金连接成形，是通过加热或加压（或两者并用）使两个分离表面的原子达到晶格距离，并形成金属键而获得不可拆接头的工艺过程。

1.焊接方法

焊接方法发展到今天，其数量已不下几十种。我们可以从不同的角度对其进行分类，有族系法、一元坐标法、二元坐标法等分类，其中最常用的是族系法，它是按照焊接工艺特征来进行分类的，即按照焊接过程中母材是否熔化以及对母材是否施加压力进行分类。按照这种分类方法，可以把焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类，在每一大类方法中又分为了若干小类，如图2-5所示。

（1）熔焊 熔焊是在不施加压力的情况下，将待焊处的母材加热熔化形成焊缝的焊接方法。焊接时母材熔化而不施加压力是其基本特征。根据焊接热源的不同，熔焊方法又可分为：以电弧作为主要热源的电弧焊（包括焊条电弧焊、埋弧焊、无极惰性气体保护焊、熔化极氩弧焊、CO2气体保护焊、等离子弧焊等）；以化学能作为热源的气焊；以熔渣电阻热作为热源的电渣焊；以高能束作为热源的电子束焊和激光焊等。

（2）压焊 利用摩擦、扩散和加压等物理作用克服两个连续表面的不平度，除去氧化膜及其他污染物，使两个连续表面上的原子相互接近到晶格位置，从而在固态条件下实现的连接统称为压焊。焊接时施加压力是其基本特征，这类方法有两种形式：一种是将被焊材料与电极接触的部分加热至塑性状态或局部熔化状态，然后施加一定的压力，使其形成牢固的焊接接头，如电阻焊、摩擦焊、气压焊、扩散焊和锻焊等；第二种是不加热，仅在被焊材料的接触面上施加足够大的压力，使接触面产生塑性变形而形成牢固的焊接接头，如冷压焊、爆炸焊、超声波焊等。

（3）钎焊 钎焊是焊接时采用比母材熔点低的钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接的方法。其特征是焊接时母材不发生熔化，仅钎料发生熔化。根据使用钎料的熔点，钎焊可分为硬钎焊和软钎焊，其中硬钎焊使用的钎料熔点高于450℃，软钎焊使用的钎料熔点低于450℃。另外，根据钎焊热源和保护条件的不同也可分为火焰钎焊、感应钎焊、炉中钎焊和盐浴钎焊等几种。

2.游乐设施常用的焊接方法

游乐设施制造中常用到的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊。

（1）焊条电弧焊

1）焊条电弧焊的特点。焊条电弧焊是利用焊条与焊件之间的电弧热，将焊条及部分焊件熔化而形成焊缝的焊接方法。焊接过程中焊条药皮熔化分解生成气体和熔渣，在气体和熔渣的共同保护下，可以有效排除周围空气对熔化金属的有害影响。通过高温下熔化金属与熔渣间的冶金反应，还原并净化焊缝金属，从而得到优质焊缝。

焊条电弧焊设备简单，便于操作，维修方便；工艺灵活，适应性强，适用于室内外各种位置的焊接，可以焊接碳钢、低合金钢、耐热钢、不锈钢等各种材料；与气焊相比，质量好；易于通过工艺调整来控制变形和改善应力。焊条电弧焊的缺点是生产效率低，劳动强度大，对焊工的技术水平及操作要求较高。

2）焊条电弧焊设备。常用的焊条电弧焊电源有交流电焊机、旋转式直流电焊机和硅整流式电焊机三种。

交流电焊机也叫作交流电焊变压器，是焊条电弧焊中应用最广泛的一种供电设备。交流电焊机具有结构简单，成本低，效率高，节省电能和使用维护方便等特点。

旋转式直流电焊机由一个发电机和一个拖动它的电动机机组组成，由交流网路供电使电动机旋转，带动发电机电枢旋转发出直流电供焊接用。焊接电流可在较大范围内均匀调节以满足焊接工艺要求，电弧燃烧稳定。

硅整流式直流电焊机也称为焊条电弧焊整流器，是一种将工频交流电转变为直流电的焊条电弧焊设备。与旋转式直流电焊机相比较，它具有噪声小、效率高、用料少、成本低等优点。

直流电焊机的特点是直流电弧燃烧很稳定，所以用小电流焊接时常常选用，在焊接合金钢、不锈钢时，也常选用直流电源。直流电源又分为正接、反接两种接法。正接是指工件接正极、焊条接负极；否则，就是反接。

3）焊条电弧焊焊条的种类。涂有药皮的供焊条电弧焊用的熔化电极称为焊条。它由焊芯和药皮两部分组成。

焊条根据用途可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铬和铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、堆焊焊条、铝及铝合金焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铸铁焊条和特殊用途焊条等。

按焊条药皮熔化后所形成熔渣的酸碱性不同可分为碱性焊条（熔渣碱度＞1.5）和酸性焊条（熔渣碱度＜1.5）两大类。

酸性焊条施焊时药皮中合金元素烧损量较大，焊缝金属的氧氮含量较高，故焊缝金属的力学性能（特别是冲击韧度）较低；酸性渣难于脱硫脱酸，因而焊条的抗裂性较差；酸性渣较黏，在冷却过程中渣的黏度增加缓慢，称为“长渣”。但其焊条工艺性能良好，成形美观，特别是对锈、油、水分等的敏感度不大，抗气孔能力强。酸性焊条广泛用于一般结构的焊接。

碱性焊条有足够的脱氧能力。碱性渣流动性好，在冷却过程中渣的黏度增加很快，称为“短渣”。碱性焊条的最大特点是焊缝金属中含氢量低，所以也叫作“低氢焊条”。碱性焊条药皮中的某些成分能有效地脱硫脱磷，故其抗裂性能良好，焊缝金属的力学性能，特别是冲击韧度较高。碱性焊条多用于焊接重要结构。

碱性焊条的缺点是对锈、油、水分较敏感，容易在焊缝中产生气孔缺陷；电弧稳定性差，一般只用于直流电源施焊，但药皮中加入稳弧组成物时可用于交流；在深坡口中施焊时，脱渣性不好；发尘量较大，焊接中需要加强通风。

4）焊条电弧焊焊接规范。焊接规范是焊接质量和焊接生产率的各个焊接参数的总称。焊条电弧焊时，焊接规范主要包括焊接电流、电弧电压、焊条种类和直径、焊机种类和极性、焊接速度、焊接层数等。

①焊接电流。焊接电流是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一。增大电流，可增大焊缝熔深，提高生产率，但电流过大，会使焊芯过热，药皮脱落，又会造成咬边、烧穿、焊瘤等缺陷，同时金属组织也会因过热而发生变化；若电流过小，则容易造成未焊透、夹渣等缺陷。

②电弧电压。电弧电压主要影响焊缝熔化宽度，电压越高，熔化宽度越大。而电弧电压是由电弧长度决定的，电弧长则电弧电压高，电弧短则电弧电压低。焊条电弧焊时电弧不宜过长，因而电弧电压不高，变化范围不大，一般为20～25V。

③焊条直径。焊条直径主要根据被焊工件的厚度来选择：工件越薄，所用焊条越细；工件越厚，所用焊条越粗。直径为3～5mm的焊条用得最广。

④焊接速度。焊接速度是指焊条沿焊接方向移动的速度。焊条电弧焊的焊接速度一般不作特殊的规定，而由焊工根据焊缝尺寸和焊条特性自行掌握。

⑤焊接层数。在中厚钢板焊条电弧焊时，应采用多层焊，对同一厚度的钢材，其他条件不变时，焊接层数增加，有利于提高焊接接头的塑性和韧性。焊接层数根据实践经验决定，大约是钢材厚度与焊条直径的比值（取整数）。

（2）气体保护焊 气体保护焊是一种利用气体来保护熔滴和熔池金属不受空气作用的熔接方法，常用的保护气体为惰性气体（如氩气和氦气）、还原气体（如氮气）、氧化性气体（如二氧化碳）。焊接过程中依靠这些保护气体，在电弧周围造成局部气体保护层，防止对熔滴和熔池有害的气体侵入，保证焊接过程趋于稳定。它属于明弧操作，焊接质量容易保证。由于保护气体对弧柱有压缩作用，使电弧热量集中，熔池体积小，因而其焊接热影响区和焊接变形都比其他电弧焊和气焊小。同时，由于焊接中没有熔渣，省去了除渣工序，减少了辅助劳动，便于实现自动化、机械化，提高了工效，较低了成本。

按照保护气体焊的种类，在实践工作中应用较多的气体保护焊是氩弧焊和CO2气体保护焊。混合气体保护焊也正在得到越来越广泛的应用。

1）氩弧焊。氩弧焊是以氩气作为保护气体的一种电弧焊接方法。电弧发生在电极与焊件之间，在电弧周围通以氩气，形成连续封闭多氩气气流，保护电弧和熔池不受空气的侵害。而氩气即使在高温下，也不与金属发生化学作用，且不溶解于液态金属，因此焊接质量较高。氩弧焊根据电极是否熔化可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种。

不熔化极氩弧焊通常叫作钨极氩弧焊，它以钨棒作电极，在氩气保护下，靠钨极与工件间产生的电弧热熔化母材金属进行焊接。必要时，也可另加填充焊丝。在焊接过程中钨极不发生明显的熔化和消耗，只起发射电子引燃电弧及传导电流的作用。钨极氩弧焊电弧稳定，可使用小电流焊接薄板。

熔化极氩弧焊是采用连续送进的焊丝作电极，在氩气保护下，依靠焊丝与工件之间产生的电弧热，熔化母材金属与焊丝形成焊缝。

氩弧焊所用的焊丝，其化学成分应与母材金属相同，焊丝直径一般不大于3mm；所用氩气一般是瓶装供应，通过管道和喷嘴送至焊接区，要求氩气的纯度大于99.95%。

氩弧焊的优点是，焊接质量优良，适于焊接各种钢材、有色金属及合金；电弧和熔池用气体保护，清晰可见，便于实现全位置自动化焊接；焊接速度较快，热影响区较小，工件焊接变形较小；电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，成形美观。

氩弧焊的缺点是，氩弧焊的设备和控制系统比较复杂，氩气成本较昂贵，钨极氩弧焊的生产效率较低。氩弧焊可用于各种焊接接头形式，但不同接头形式下氩气的保护效果不同，对于对接接头和T形接头，氩气流具有良好的保护效果；对角接接头的保护作用较差，空气容易侵入焊缝区，所以应预加挡板以提高氩气流的保护效果。

氩弧焊的焊接参数主要有焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接直径、氩气流量和喷嘴直径等，这些参数的大小又因焊接形式的不同而不同。

2）CO2气体保护焊。CO2气体保护焊是以CO2气体作为保护气体的电弧焊接方法。它以焊丝作为一个电极，靠焊丝与工件之间产生的电弧热熔化焊丝和工件，形成焊接接头。

CO2气体保护焊的主要优点是：

①焊接成本低。用CO2保护电弧和熔池，不仅比氩气便宜，也比采用焊剂及焊条药皮保护焊接区便宜。

②焊接质量好。电弧和熔池都在CO2气体保护之下，不易受空气侵害。焊接速度快，焊接热影响区小。

③生产效率高。由于焊丝送进操作已实现自动化，所以电流密度大，热量集中，焊接速度快。

④操作性能好。明弧焊接，便于发现和处理问题，具有手工焊接的灵活性，适宜于进行全位置焊接。

CO2气体保护焊的缺点是：采用较大的电流焊接时，飞溅较大，烟雾较多，弧光强，焊缝表面成形不够光滑美观；控制或操作不当时，容易产生气孔；焊接设备比较复杂。

（3）埋弧焊 埋弧焊按照机械化程度，可分为自动焊和半自动焊两种。两者的区别是：前者焊丝送进和电弧相对移动都是自动的，而后者仅焊丝送进是自动的，电弧移动是手动的。由于自动焊的应用远比半自动焊广泛，因此，通常所说的埋弧焊一般指的是自动埋弧焊。

1）埋弧焊的工作原理：焊接电源的两极分别接至导电嘴和焊件。焊接时，颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区，电弧在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧（见图2-6）。电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。金属蒸气、焊剂蒸气和冶金过程中析出的气体在电弧周围形成一个空腔，熔化的焊剂在空腔上部形成一层熔渣膜。这层熔渣膜如同一个屏障，使电弧、液体金属与空气隔离，而且能将弧光遮蔽在空腔中。在空腔的下部，母材局部熔化形成熔池；空腔的上部，焊丝熔化形成熔滴，并以渣壁过渡的形式向熔池中过渡，只有少数熔滴采取自由过渡。

2）埋弧焊的特点：

①埋弧焊有以下优点：

a.生产效率高。埋弧焊所用的焊接电流可达到1000A以上，因而电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都比较高。

b.焊接质量好。一方面由于埋弧焊的焊接参数通过电弧自动调节系统的调节能够保持稳定，对焊工操作技术要求不高，因而焊缝成形好、成分稳定；另一方面也采用熔渣进行保护，隔离空气的效果好。

c.劳动条件好。采用埋弧自动焊时，没有刺眼的弧光，也不需要手工操作，既能改善作业环境，也能减轻劳动强度。

d.节约金属及电能。对于厚度在25mm以下的焊件可以不开坡口焊接，这样既可节省由于加工坡口而损失的金属，也可使焊缝中焊丝的填充量大大减少。同时，由于焊剂的保护，金属的烧损和飞溅也大大减少。由于埋弧焊的电弧热量能得到充分的利用，单位长度焊缝上所消耗的电能也大大降低。

②埋弧焊具有的缺点：

a.焊接适用的位置受到限制。由于采用颗粒状焊剂进行焊接，因此一般只适用于平焊位置（俯位）的焊接，如平焊位置的对接接头、平焊位置和横焊位置的角接接头以及平焊位置的堆焊等。对于其他位置，则需要采用特殊的装置以保证焊剂对焊缝区的覆盖。

b.焊接厚度受到限制。由于埋弧焊时，焊接电流小于100A时电弧的稳定性通常变差，因此不适于焊接厚度小于1mm的薄板。

c.对焊件坡口加工与装配要求较严。因为埋弧焊不能直接观察电弧与坡口的相对位置，故必须保证坡口的加工和装配精度，或者采用焊缝自动跟踪装置，才能保证不发生偏焊。

3.熔焊的冶金过程

熔焊的焊接过程是利用热源先把工件局部加热到熔化状态，形成熔池，然后随着热源向前移动，熔池液体金属冷却结晶，形成焊缝。其焊接过程包括热过程、冶金过程和结晶过程。根据热源的不同可分为:气焊、电弧焊、电渣焊、激光焊、电子束焊、等离子弧焊等，以下以电弧焊为例进行介绍。

（1）焊接电弧

1）焊接电弧的产生。焊接电弧是在焊条与工件之间产生的强烈、持久且稳定的气体放电现象。焊接引弧时，焊条和工件瞬间接触形成短路，强大的电流产生强烈电阻热使接触点熔化甚至蒸发，当焊条提起时，在电场作用下，热金属发射大量电子，电子碰撞气体使之电离，正、负离子和电子构成电弧。

2）焊接电弧的结构。电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图2-7所示。

①阴极区：电子发射区，热量约占36%，平均温度为2400K。

②阳极区：受电子轰击的区域，热量约占43%，平均温度为2600K。

③弧柱区：阴、阳两极间的区域，几乎等于电弧长度，热量占21%，弧柱中心温度可达6000～8000K。

（2）焊接过程 焊接过程如图2-8所示,母材、焊条受电弧高温作用熔化后形成金属熔池，将进行熔化、氧化、还原、造渣、精炼及合金化等物理、化学过程。

金属与氧的作用对焊接质量影响最大，氧与多种金属发生氧化反应：

Fe+O—→FeO　Mn+O—→MnO

Si+2O—→SiO2　　2Cr+3O—→Cr2O3

2Al+3O—→Al2O3

能溶解在液态金属中的氧化物（如氧化亚铁），冷凝时因溶解度下降而析出，严重影响焊缝质量；而大部分金属氧化物（如硅、锰化合物）不溶于液态金属，可随渣浮出，净化熔池，提高焊缝质量。

氢易溶入熔池，在焊缝中形成气孔，或聚集在焊缝缺陷处造成氢脆。

其次空气中的氮气在高温时大量溶于液体金属，冷却结晶时，氮溶解度下降；析出的氮在焊缝中形成气孔，部分还以针状氮化物形式析出；焊缝中含氮量提高，使焊缝的强度和硬度增加，塑性和韧性剧烈下降。

焊缝的冶金过程与一般冶金过程比较，具有以下特点：

1）金属熔池体积小，熔池处于液态时间短，冶金反应不充分。

2）熔池温度高，使金属元素强烈地烧损和蒸发，冷却速度快，易产生应力和变形，甚至开裂。

为保证焊缝质量，可从两方面采取措施：

1）减少有害元素进入熔池，主要采用机械保护，如焊条药皮、埋弧焊焊剂和气体保护焊的保护气体（二氧化碳、氩气等）。

2）清除已进入熔池的有害元素，增加合金元素，如焊条药皮里加合金元素进行脱氧、去氢、去硫、渗合金等。

（3）焊接热循环 在焊接加热和冷却过程中，焊接接头上某点的温度随时间变化的过程如图2-9所示。

不同的点，其热循环不同，即最高加热温度、加热速度和冷却速度均不同。

对焊接质量起重要影响的参数有：最高加热温度、在过热温度1100°C以上停留时间和冷却速度等。其特点是加热和冷却速度都很快。对易淬火钢，焊后发生空冷淬火，对其他材料，易产生焊接变形、应力及裂纹。

（4）焊接接头组织和性能 以低碳钢为例，说明焊接过程造成金属组织和性能的变化。如图2-10所示,焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区组成。

①受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材组织或性能发生变化的区域，叫作焊接热影响区。

②熔焊焊缝和母材的交界线叫作熔合线。

③熔合线两侧有一个很窄的焊缝与热影响区的过渡区，叫作熔合区。

1）焊缝区。焊接热源向前移去后，熔池液体金属迅速冷却结晶，结晶从熔池底部未熔化的半个晶粒开始，垂直于熔合线向熔池中心生长，呈柱状树枝晶，如图2-11所示；结晶过程中将在最后结晶部位产生成分偏析。

焊缝组织是液体金属结晶的铸态组织，晶粒粗大，成分偏析，组织不致密。但是由于熔池小，冷却快，化学成分控制严格，碳、硫、磷都含量较低，并含有一定合金元素，故可使焊缝金属的力学性能不低于母材。

2）熔合区。化学成分不均匀，组织粗大，往往是粗大的过热组织或粗大的淬硬组织，使强度下降，塑性、韧性极差，产生裂纹和脆性破坏，性能是焊接接头中最差的。

3）热影响区。热影响区各点的最高加热温度不同，其组织变化也不相同。如图2-10所示，热影响区可分为:

①过热区：最高加热到1100℃以上的区域，晶粒粗大，甚至产生过热组织。塑性和韧性明显下降，是热影响区中力学性能最差的部位。

②正火区：最高加热温度从Ac3至1100℃的区域，焊后空冷得到晶粒较细小的正火组织，力学性能较好。

③部分相变区：最高加热温度从Ac1至Ac3的区域，只有部分组织发生相变，晶粒不均匀，性能较差。

④再结晶区：此区温度范围在Ac1至450～500℃。焊前经过冷变形加工的焊件，由于母材中有晶格畸变及碎晶组织，当加热到该温度时，就会产生回复及再结晶而细化，其力学性能提高。

低碳钢焊接接头的组织、性能变化如图2-10所示，熔合区和过热区性能最差，热影响区越小越好，其影响因素有焊接方法、焊接规范、接头形式等。

（5）影响焊接接头性能的因素 焊接接头的力学性能取决于它的化学成分和组织。具体有：

1）焊接材料：焊丝和焊剂都要影响焊缝的化学成分。

2）焊接方法：一方面影响组织粗细，另一方面影响有害杂质含量。

3）焊接工艺：焊接时，为保证焊接质量而选定的各物理量（如焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等）的总称，叫焊接参数；热输入是指熔焊时，焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量。显然焊接参数，影响焊接接头输入能量的大小，影响焊接热循环，从而影响热影响区的大小和接头组织粗细。

4）焊后热处理：如正火，能细化接头组织，改善性能。

5）接头形式：工件厚度、施焊环境温度和预热等均会影响焊后冷却速度，从而影响接头的组织和性能。

（6）焊接接头 焊接接头类型通常可分为对接接头、搭接接头、角接接头及T形接头等，如图2-12所示。

焊接坡口形式指被焊金属件相连处预先被加工成的结构形式，一般由焊接工艺本身来决定。坡口形式的选择考虑的主要因素是：保证焊透；填充于焊缝部位的金属尽量少；便于施焊，改善劳动条件；减少焊接变形量。

1）对接接头。将两金属件放置于同一平面内（或曲面内）使其边缘相对，沿边缘直线（或曲线）进行焊接的接头叫作对接接头。对接接头的坡口形式可分为不开坡口、V形坡口、X形坡口、单U形坡口及双U形坡口等几种。

2）搭接接头。两块板料相叠，而在端部或侧面角焊的接头称为搭接接头。搭接接头不需要开坡口即可施焊，对装配要求也相对松一些。

3）角接接头及T形接头。两构件成直角或一定角度，而在其连接边缘焊接的接头称为角接接头。两构件呈T形焊接在一起的接头叫T形接头。角接接头和T形接头都形成角焊缝，形式相近。单面焊的角接接头及T形接头承受反向弯矩的能力极低，应当避免采用。

角接接头及T形接头有V形、单边V形、U形、K形等坡口形式，应根据板厚及工作重要性进行选取。

4.焊接应力与变形

焊接过程中，工件因受电弧热的不均匀加热而产生的内应力及变形是暂时的。当工件冷却后，仍然保留在工件内部的内应力及变形叫作残余内应力及残余变形。通常所说的焊接应力及变形是指焊接的残余内应力和焊接的残余变形。

由于焊接接头类型，工件的厚度和形状，焊缝的长度及其位置不同，焊接时会出现各种形式的变形，大体上可分为纵向变形、横向变形、弯曲变形、角变形、波浪变形及扭曲变形等，如图2-13所示。

（1）焊接变形和应力的形成 焊接变形和应力是由许多因素同时作用造成的。其中最主要的因素有：焊件上温度分布不均匀；熔敷金属收缩；焊接接头金属组织转变及焊件的刚性约束等。

1）焊件上温度分布不均匀。由于电弧的作用，焊件局部被加热到熔化温度，焊缝与母材之间形成了很大的温度梯度。按热胀冷缩的原理，物体受热要伸长，不同的温度其伸长量不同，接头的高温区域要求伸长量大而受阻，形成了压应力，而温度较低的区域伸长量小的部分因抵抗高温区的伸长，形成了拉伸应力。

冷却过程中，熔化金属的体积要收缩，而接头以外的母材则限制了它的收缩，便在焊缝区焊件内形成了拉伸应力，而母材临近焊缝区承受了压缩应力。

焊缝及近缝区在高温时几乎丧失了屈服强度，在应力作用下便会产生塑性变形，冷却后，焊件内便形成了残余应力和残余变形。

2）熔敷金属收缩。焊缝金属在凝固及随后冷却过程中，体积要收缩，在焊件内引起变形与应力，其变形和应力的大小取决于熔敷金属的收缩量，而熔敷金属的收缩量又取决于熔化金属的数量。如V形坡口的角变形，就是由于焊缝上部熔敷金属的敷量多，收缩量大，而焊缝下部的截面积小，熔敷金属的数量小，收缩量小，上下收缩不一致而造成的。

3）金属组织转变。在焊接热循环的作用下，金属内部显微组织发生转变，各种组织的密度不同，便伴随了体积的变化，出现了称为组织应力的内应力，如易淬火钢在焊接热循环的作用下由高温奥氏体（相对密度为0.1275）冷却后转变为马氏体（相对密度为0.1310），体积变化近10%。

4）焊件刚性约束。如果焊件本身的刚性很大，或在紧固条件下施焊，拘束条件限制了焊件在热循环作用下的自由伸长和缩短，这可控制焊接变形，但焊件中却形成了较大的内应力。

焊接变形和应力还与焊接方法及焊接工艺有关。如气焊时，热源不集中，焊件上的热影响区面积较电弧焊大，所以产生的焊接变形和应力也较大。又如电弧焊时，电流大或焊接速度慢导致热影响区增大，产生的焊接变形和应力也增大。

（2）焊接应力的控制措施 焊件内残留内应力是不可避免的，但可以根据其产生机理和规律寻找一些措施进行有效控制，使其危害程度降至最低。

控制内应力的基本要点有两个：使焊件上热量尽量均匀；尽量减少对焊缝自由收缩的限制。通常采用的工艺措施如下：

（1）合理的装配与焊接顺序 在装配和施焊的顺序安排上尽量使焊缝比较自由地收缩；在焊接结构的设计上采取措施，例如，对称布置焊缝、避免封闭焊缝等；对阻碍焊接接头自由收缩的部位加热，使之与焊缝同步伸缩，这种方法称为“减应法”，可有效控制焊接应力。

（2）焊前预热 被焊工件各部位的温差越大，焊缝的冷却速度越快，则焊接接头的残余应力便越大。预热既能减少工件各部位的温差，又能减缓冷却速度，所以是降低焊接残余应力的有力措施之一。预热可局部预热或整体预热。对刚性大、厚度大的工件，应整体预热，这样降低残余应力的效果更佳。

（3）消除焊接应力的方法 消除焊接应力的方法主要有热处理法、机械法和振动法三种。

1）热处理法。焊后热处理是消除残余应力的有效方法，也是广泛采用的方法，它可分为整体热处理和局部热处理。一般是将被焊工件加热到A1线以下，保温均温，再缓慢冷却，以达到消除残余应力的目的。

2）机械法。用机械的方法施加外力使冷却后的焊缝金属产生延展，以达到消除应力的目的，这种方法叫机械法消除应力，如锤击焊缝。

3）振动法。以低频振动整个构件以达到消除应力的目的，一般钢结构件消除应力时常常采用。

5.焊接缺陷

焊接缺陷是指在焊接接头中因焊接产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象。

焊接缺陷可以根据特征、性质分为以下六大类：

（1）裂纹（代号100）一种在固态下由局部断裂产生的缺陷，它可能源于冷却或应力效果。根据裂纹的位置和状态又分为：

1）微观裂纹（代号1001）：在显微镜下才能观察到的裂纹。

2）纵向裂纹（代号101）：基本与焊缝轴线相平行的裂纹（见图2-14）。它可能位于：焊缝金属（代号1011）、熔合线（代号1012）、热影响区（代号1013）、母材（代号1014）。

3）横向裂纹（代号102）：基本与焊缝轴线相垂直的裂纹（见图2-15）。它可能位于：焊缝金属（代号1021）、热影响区（代号1023）、母材（代号1024）。

4）放射状裂纹（代号103）：具有某一公共点的放射状裂纹（见图2-16）。它可能位于：焊缝金属（代号1031）、热影响区（代号1033）、母材（代号1034）。

5）弧坑裂纹（代号104）：在焊缝弧坑处的裂纹（见图2-17）。它可能是纵向的（代号1045）、横向的（代号1046）、放射状的（星形裂纹，代号1047）。

6）间断裂纹群（代号105）：一群在任意方向间断分布的裂纹（见图2-18）。它可能位于焊缝金属（代号1051）、热影响区（代号1053）、母材（代号1054）。

7）枝状裂纹（代号106）：源于同一裂纹并连接在一起的裂纹群，它和间断裂纹群及放射状裂纹明显不同（见图2-19）。它可能位于：焊缝金属（代号1061）、热影响区（代号1063）、母材（代号1064）。

（2）孔穴（代号200）孔穴分为气孔和缩孔。

1）气孔（代号201）：残留气体形成的孔穴。具体分为以下几种：

①球形气孔（代号2011）：近似球形的孔穴（见图2-20）。

②均布气孔（代号2012）：均匀分布在整个焊缝金属中的一些气孔（见图2-21），有别于链状气孔（代号2014）和局部密集气孔（代号2013）。

③局部密集气孔（代号2013）：呈任意几何分布的一群气孔，如图2-22所示。

④链状气孔（代号2014）：与焊缝轴线平行的一串气孔，如图2-23所示。

⑤条形气孔（代号2015）：长度与焊缝轴线平行的非球形长气孔，如图2-24所示。

⑥虫形气孔（代号2016）：因气体逸出而在焊缝金属中产生的一种管状气孔穴。其形状和位置由凝固方式和气体的来源决定。通常这种气孔成串聚集并呈鲱骨形状。有些虫形气孔可能暴露在焊缝表面上，如图2-25所示。

⑦表面气孔（代号2017）：暴露在焊缝表面的气孔，如图2-26所示。

2）缩孔（代号202）：凝固时收缩造成的孔穴。

①结晶缩孔（代号2021）：冷却过程中在枝晶之间形成的长形收缩孔，可能残留有气体。这种缺陷通常可在焊缝表面的垂直处发现，如图2-27所示。

②弧坑缩孔（代号2024）：焊道末端的凹陷孔穴，未被后续焊道消除，如图2-28所示。

③末端弧坑缩孔（代号2025）：减少焊缝横截面的外露缩孔，如图2-29所示。

3）微型缩孔（代号203）：仅在显微镜下可以观察到的缩孔。

①微型结晶缩孔（代号2031）：冷却过程中沿晶界在树枝晶之间形成的长形缩孔。

②微型穿晶缩孔（代号2032）：凝固时穿过晶界形成的长形缩孔。

（3）固体夹杂（代号300）在焊缝金属中残留的固体杂物。

1）夹渣（代号301）：残留在焊缝金属中的熔渣。根据其形成的情况，这些夹渣可能是：线状的（代号3011）、孤立的（代号3012）、成簇的（代号3014），如图2-30所示。

2）焊剂夹渣（代号302）：残留在焊缝金属中的焊剂渣。根据其形成的情况，这些夹渣可能是：线状的（代号3021）、孤立的（代号3022）、成簇的（代号3024）。

3）氧化物夹杂（代号303）：凝固时残留在焊缝金属中的金属氧化物。这种夹杂可能是：线状的（代号3031）、孤立的（代号3032）、成簇的（代号3033）。

4）皱褶（代号3034）：在某些情况下，特别是铝合金焊接时，因焊接熔池保护不善和紊流的双重影响而产生大量的氧化膜。

5）金属夹杂（代号304）：残留在焊缝金属中的外来金属颗粒。其可能是：钨（代号3041）、铜（代号3042）或其他金属（代号3043）。

（4）未熔合及未焊透 包含未熔合、未焊透和钉尖。

1）未熔合（代号401）：焊缝金属和母材或焊缝金属各焊层之间未结合的部分。其可能形式有：侧壁未熔合（代号4011）、焊道间未熔合（代号4012）、根部未熔合（代号4013），如图2-31所示。

2）未焊透（代号402）：实际熔深与公称熔深之间的差异，如图2-32所示。根部未焊透（代号4021）是指根部的一个或两个熔合面未熔化，如图2-33所示。

3）钉尖（代号403）：电子束或激光焊接时产生的极不均匀的熔透，呈锯齿状。其可能形式包括孔穴、裂纹、缩孔等，如图2-34所示。

（5）形状和尺寸不良 形状不良（代号500）是指焊缝的外表面形状或接头的几何形状不良。

1）咬边（501）：母材（或前一道熔敷金属）在焊趾处因焊接而产生的不规则缺口。

①连续咬边（代号5011）：具有一定长度且无间断的咬边，如图2-35所示。

②间断咬边（代号5012）：沿着焊缝间断、长度较短的咬边，如图2-36所示。

③缩沟（代号5013）：在根部焊道的每侧都可观察到的沟槽，如图2-37所示。

④焊道间咬边（代号5014）：焊道之间纵向的咬边，如图2-38所示。

⑤局部交错咬边（代号5015）：在焊道侧边或表面上，呈不规则间断的、长度较短的咬边，如图2-39所示。

2）焊缝超高（代号502）：对接焊接表面上焊缝金属过高，如图2-40所示。

3）凸度过大（代号503）：角焊缝表面上焊缝金属过高，如图2-41所示。

4）下塌（代号504）：过多的焊缝金属伸出到了焊缝的根部。下塌可能是：局部下塌（代号5041）、连续下塌（代号5042）、熔穿（代号5043），如图2-42所示。

5）焊缝形面不良（代号505）：母材金属表面与靠近焊趾处焊缝表面的切面之间的夹角α过小，如图2-43所示。

6）焊瘤（代号506）：覆盖在母材金属表面，但未与其熔合的过多焊缝金属。焊瘤可能是焊趾焊瘤（代号5061，即在焊趾处的焊瘤）、根部焊瘤（代号5062，即在焊缝根部的焊瘤），如图2-44所示。

7）错边（代号507）：两个焊件表面应平行对齐时，未达到规定的平行对齐要求而产生的偏差。错边可能是：板材的错边（代号5071，焊件为板材）、管材错边（代号5072，焊件为管子），如图2-45所示。

8）角度偏差（代号508）：两个焊件未平行（或未按规定角度对齐）而产生偏差，如图2-46所示。

9）下垂（代号509）：由于重力而导致焊缝金属塌落。下垂可能是：水平下垂（5091）、平面位置或过热位置下垂（5092）、角焊缝下垂（5093）、焊缝边缘熔化下垂（5094），如图2-47所示。

10）烧穿（代号510）：焊接熔池塌落导致焊缝内产生孔洞，如图2-48所示。

11）未焊满（代号511）：因焊接填充金属堆敷不充分，在焊缝表面产生纵向连续或间断的沟槽，如图2-49所示。

12）焊脚不对称（代号512）：如图2-50所示。

13）焊缝宽度不齐（代号513）：焊缝宽度变化过大。

14）表面不规则（代号514）：表面过度粗糙。

15）根部收缩（代号515）：由于对接焊缝根部收缩而产生的浅沟槽，如图2-51所示。

16）根部气孔（代号516）：在凝固瞬间焊缝金属析出气体而在焊缝根部形成的多孔状孔穴。

17）焊缝接头不良（代号517）：焊缝衔接处局部表面不规则。它可能发生在：盖面焊道（代号5171）或打底焊道（代号5172），如图2-52所示。

18）变形过大（代号520）：由于焊接收缩和变形而导致尺寸偏差超标。

19）焊缝尺寸不正确（代号521）：与预先规定的焊缝尺寸产生偏差。

①焊缝厚度过大（代号5211）：焊缝厚度超过规定尺寸，如图2-53所示。

②焊缝宽度过大（代号5212）：焊缝宽度超过规定尺寸，如图2-53所示。

③焊缝有效厚度不足（代号5213）：角焊缝的实际有效厚度过小，如图2-54所示。

④焊缝有效厚度过大（代号5214）：角焊缝的实际有效厚度过大，如图2-55所示。

（6）其他缺欠（代号600）以上未包含的所有其他缺欠。

1）电弧擦伤（代号601）：由于在坡口外引弧或起弧而造成焊缝邻近母材表面处局部损伤。

2）飞溅（代号602）：焊接（或焊缝金属凝固）时，焊缝金属或填充材料崩溅出的颗粒。钨飞溅（代号6021）：从钨电极过渡到母材表面或凝固焊缝金属的钨颗粒。

3）表面撕裂（代号603）：拆除临时焊接附件时造成的表面损坏。

4）磨痕（代号604）：研磨造成的局部损害。

5）凿痕（代号605）：使用扁铲或其他工具造成的局部损坏。

6）打磨过量（代号606）：过度打磨造成工件厚度不足。

7）定位焊缺陷（代号607）：定位焊不当造成的缺陷，如：焊道破损或未熔合（代号6071），定位未达到要求就施焊（代号6072）。

8）双焊道错开（代号608）：在接头两面施焊的焊道中心线错开，如图2-56所示。

9）回火色（可观察到氧化膜）（代号610）：在不锈钢焊接区产生的轻微氧化表面。

10）表面鳞片（代号613）：焊接区严重的氧化表面。

11）焊剂残留物（代号614）：焊剂残留物未从表面完全消除。

12）残渣（代号615）：残渣未从焊缝表面完全消除。

13）角焊缝的根部间隙不良（代号617）：被焊工件之间的间隙过大或不足，如图2-57所示。

14）膨胀（代号618）：凝固阶段保温时间加长使轻金属接头发热而造成的缺陷，如图2-58所示。

国际焊接学会（IIW）评估射线底片时，对在焊接过程中或焊接后出现的裂纹，一般采用相应的参照代码体系，见表2-9。

2.1.2.3 无损检测

无损检测是指在不损坏试件的前提下，对试件进行检查和测试的方法，又称为非破坏性检验。现代无损检测的定义是：在不破坏试件的前提下，以物理或化学方法为手段，借助现代的技术和设备器材，对试件内部及表面的结构、性质、状态进行检查和测试的方法。无损检测发展的三个阶段：

第一阶段，无损探伤（Non-distructive Inspection，简称NDI），探测和发现缺陷。

第二阶段，无损检测（Non-distructive Testing，简称NDT），不仅要探测发现缺陷，还包括探测试件其他信息，如结构、状态、性质等。

第三阶段，无损评价（Non-distructiv Evaluation，简称NDE），不仅要求发现缺陷，探测试件的结构、状态、性质，还要求获取更全面、准确和综合的信息，辅以成像技术、自动化技术、计算机数据分析或处理技术等，与材料力学、断裂力学等学科综合应用，以期对试件或产品的质量和性能做出全面准确的评价。

1.常规检测方法

常规无损检测方法包括超声波检测、射线检测、磁粉检测和渗透检测。

（1）超声波检测 超声波检测主要用于探测试件的内部缺陷，它的应用十分广泛。所谓超声波是指超过人耳听觉，频率大于20kHz的声波。用于检测的超声波，频率为0.4～25MHz，其中用得最多的是1～5MHz。

在金属探测中用的是高频率的超声波。这是因为：一是超声波的指向性好，能形成较窄的波束；二是波长短，小的缺陷也能够较好地反射；三是距离分辨力好，分辨缺陷的能力高。

1）超声波检测的原理：超声波检测可以分为超声波探伤和超声波测厚，以及超声波测晶体粒度和应力等。在超声波探伤中，有根据缺陷的回波和底面的回波进行判断的脉冲反射法；有根据缺陷的阴影来判断缺陷情况的穿透法，还有由被检物产生驻波来判断缺陷情况或者判断板厚的共振法。目前用得最多的方法是脉冲反射法。脉冲反射法在垂直探伤时用纵波，在斜入射探伤时大多用横波。把超声波射入被检物的一面，然后在同一面接受从缺陷处反射回来的回波，根据回波情况来判断缺陷的情况。纵波垂直探伤和横波倾斜入射探伤是超声波探伤中两种主要探伤方法。两种方法各有用途，互为补充。纵波探伤容易发现与探测面平行或稍有倾斜的缺陷，主要用于钢板、锻件、铸件的探伤，而斜射的横波探伤，容易发现垂直于探测面或倾斜较大的缺陷，主要用于焊缝的探伤。

2）超声波检测的特点：

①面积型缺陷的检出率较高，而体积型缺陷的检出率较低。从理论上说，反射超声波的缺陷面积越大，回波越高，越容易检出，因为面积型缺陷反射面积大而体积型缺陷反射面积小，所以面积型缺陷的检出率高。实践中，对较厚的（约30mm以上）焊缝的裂纹和未熔合缺陷检测，超声波检测确实比射线照相灵敏。但在较薄的焊缝中，这一结论不一定成立。

必须注意，面积型缺陷反射波并不总是很高的，有些细小裂纹和未熔合反射波并不高，因而也有漏检的例子。此外，厚焊缝中的未熔合缺陷反射面如果光滑，单探头检测可能接收不到回波，也会漏检。对厚焊缝中的未熔合缺陷检测可采用一些特殊超声波检测技术，例如TOFD技术、串列扫查技术等。

②适于检验厚度较大的工件。超声波对钢材有足够的穿透能力，检测直径达几米的锻件和厚度达上百毫米的焊缝并不太困难。另外，对厚度大的工件进行检测时，表面回波与缺陷波容易区分。因此，相对于射线检测来说，超声波更加适宜检验厚度较大的工件；但对较薄的工件，例如厚度小于8mm的焊缝和6mm的板材，进行超声波检测则存在困难。薄焊缝检测困难是因为上下表面形状回波容易与缺陷波混淆，难以识别；另外，还因为超声波探伤存在盲区以及脉冲宽度影响纵向分辨率。

③应用范围广，可用于各种试件。超声波探伤应用范围包括对接焊缝、角焊缝、T形焊缝、板材、管材、棒材、锻件及复合材料等。与对接焊缝检测相比，角焊缝、T形焊缝检测工艺相对不成熟，有关标准也不够完善。板材、管材、棒材、锻件及复合材料的内部缺陷检测，超声波是首选方法。

④检测成本低，速度快，仪器体积小，重量轻，现场使用较方便。

⑤无法得到缺陷直观图像，定性困难，定量精度也不高。

超声波探伤是通过观察脉冲回波来获得缺陷信息的。缺陷位置根据回波位置来确定，小缺陷（一般10mm以下）可直接用波高测量大小，所得结果称为当量尺寸；大缺陷需要移动探头进行测量，所得结果称为指示长度或指示面积。由于无法得到缺陷图像，缺陷的形状、表面状态等特征也很难获得，因此判定缺陷性质是困难的。在定量方面，所谓缺陷当量尺寸、指示尺寸或指示面积与实际缺陷尺寸都有误差，因为波高变化受很多因素影响。超声波对缺陷定量的尺寸与实际缺陷尺寸误差几毫米甚至更大，一般认为是正常的。

近年来，在超声波定性和定量技术方面有一些进展。例如用不同扫查方法结合动态波形观察对缺陷定性，采用聚焦探头结合数字式探伤仪对缺陷定量，以及各种自动扫查、信号处理和成像技术等，但实际应用效果还不能令人十分满意。

⑥检测结果无直接见证记录。由于不能像射线照相那样留下直接见证记录，超声波检测结果的真实性、直观性、全面性和可追踪性都比不上射线照相。超声波检测的可靠性在很大程度上受检测人员责任心和技术水平的影响，如果检测方法选择不当，或工艺制订不当，或操作方面失误，都有可能导致大缺陷漏检。而对超声波检测结果的审核或复查是困难的，因其错误的检测结果不像射线照相那样容易发现和纠正，这是超声波检测的一大不足。

近年来发展的数字式超声波探伤仪虽然能记录波形，但仍不能作为检测结果的直接记录。只有做到对检测全过程的探头位置、回波反射点位置、回波信号三者关联记录，才能算真正的检测直接记录，而这对于便携式超声波仪器和手工探伤方法来说，是很困难的。

⑦对缺陷在工件厚度方向上的定位较准确。相对于射线照相来说，由于射线照相无法对缺陷在工件厚度方向上定位，通常对射线照相发现的缺陷用超声波检测定位。

⑧材质、晶粒度对探伤有影响。晶粒粗大的材料，例如铸钢、奥氏体不锈钢焊缝，未经正火处理的电渣焊焊缝等，一般认为不宜用超声波进行探伤。这是因为粗大晶粒的晶界会反射声波，在屏幕上出现大量“草状回波”，容易与缺陷波混淆，因而影响检测可靠性。

近年来对奥氏体不锈钢焊缝超声波探伤技术进行了专门研究，如果采用特殊的探头（纵波窄脉冲探头）降低信噪比，并制订专门工艺，可以实施奥氏体不锈钢焊缝超声波检测，其精度和可靠性基本上是能够保证的。

⑨工件不规则的外形和一些结构会影响检测。例如台、槽、孔较多的锻件，不等厚削薄的焊缝，管板与筒体的对接焊缝，直边较短的封头与筒体连接的环焊缝，高颈法兰与管子对接焊缝等，会使检测变得困难。

⑩不平或粗糙的表面会影响耦合和扫查。探头扫查面的平整度和粗糙度对超声波检测有一定影响。一般轧制表面或机加工表面即可满足要求，严重腐蚀的表面和铸、锻原始表面无法实施检测。用砂轮打磨处理的表面要特别注意平整度，防止沟槽和凹坑的产生，否则会严重影响耦合以及检测。

（2）射线检测 射线的种类很多，其中易于穿透物质的有X射线、γ射线和中子射线三种。这三种射线都被用于无损检测，其中中子射线仅用于一些特殊场合。

射线检测最主要的应用是探测试件内部的宏观集合缺陷。按照不同特征可将射线检测分为许多种不同的方法。

射线照相法是指用X射线或γ射线穿透试件，以胶片作为记录信息的无损检测方法。这种方法是最基本的、应用最广泛的射线检测方法。

1）射线照相法的原理：X射线和γ射线都是波长极短的电磁波。从现代物理学波粒二相性的观点看也可将其视为一种能量极高的光子束流。

射线的重要性质就是能使胶片感光，当X射线或γ射线照射胶片时，与普通光线一样，能使胶片乳剂层中的卤化银产生潜像中心，经过显影和定影后发生黑化，接收射线越多的部位黑化程度越高，这个作用叫作射线的照相作用。因为X射线或γ射线使卤化银感光作用比普通光线小得多，所以必须使用特殊的X射线胶片，这种胶片的两面都涂敷了较厚的乳胶。此外，还使用一种能加强感光作用的增感屏，增感屏通常用铅箔做成。

材料中如有缺陷存在会影响射线的吸收，使透过射线强度发生变化，用胶片可测量出这一变化。对工件进行射线探伤，当厚度为T的物体中有厚度为ΔT的缺陷时，把曝过光的胶片在暗室中经过显影、定影、水洗和干燥，再将底片放在观片灯上观察，根据底片上的黑度变化所形成的图像，就可判断出有无缺陷，以及缺陷的种类、数量、大小等。

2）射线检测设备：射线照相设备可分为X射线探伤机、高能射线探伤设备（包括高能直线加速器、电子回旋加速器）和γ射线探伤机三大类。X射线探伤机的管电压在450kV以下。高能加速器的能量在1～24MeV，而γ射线探伤机的射线能量取决于放射性同位素。

①X射线探伤机。X射线探伤机可分为携带式和移动式两类。移动式X射线探伤机用于透照室内的射线探伤。移动式X射线探伤机具有较高的管电压和管电流，最大穿透厚度可达100mm，它的高压发生装置、冷却装置与机头都分别独立安装。携带式X射线探伤机主要用于现场射线照相，管电压一般小于320kV，最大穿透厚度约50mm。X射线探伤机主要组成部分包括机头、高压发生装置、供电及控制系统、冷却和防护设施四部分。

②高能射线探伤设备。为了满足大厚度工件射线探伤的要求，20世纪40年代以来，设计制造了各种高能X射线探伤装置，使对钢件的X射线探伤厚度扩大到500mm，它们是直线加速器、电子回旋加速器。其中直线加速器可产生大剂量射线，效率高，透照厚度大，目前应用最多。

③γ射线探伤机。γ射线探伤机因射线源体积小，不需要电源，可在狭窄场地、高空、水下工作，并可全景曝光等特点，已成为射线探伤重要的和广泛使用的设备。γ射线探伤机由射线源、源容器、操作机构、支撑和移动机构四部分构成。

3）射线的安全防护：

①射线的危害：射线具有生物效应，超辐射剂量可能引起放射性损伤，破坏人体的正常组织。辐射具有积累作用，超辐射剂量照射是致癌因素之一，并且可能殃及下一代，造成婴儿畸形和发育不全等。

②射线防护方法：射线防护是指在尽可能的条件下采取各种措施，在保证完成射线探伤任务的同时，使操作人员接受的剂量当量不超过限值，并尽可能降低操作人员和其他人员的吸收剂量。

主要的防护措施有屏蔽防护、距离防护和时间防护等三种：屏蔽防护就是在射线源与操作人员及其他邻近人员之间加上有效合理的屏蔽物来降低辐射的方法;距离防护是在没有屏蔽物或屏蔽物厚度不够时，用增大射线源与操作人员距离的方法达到防护的目的；时间防护就是减少操作人员与射线接触的时间，以减少射线损伤，这是因为人体吸收射线量与人接触射线的时间成正比。

以上三种防护方法，各有优缺点，在实际探伤中，可根据当时的条件加以选择。为了得到更好的效果，往往是三种防护方法同时使用。

4）射线照相法的特点

①射线检测的结果是直接记录在底片上的，由于底片上记录的信息十分丰富，而且可以长期保存，从而使射线照相法成为各种无损检测方法中记录最真实、最直观、最全面、可追踪性最好的检测方法。

②可以获得缺陷的投影图像，缺陷定性定量准确。各种无损检测方法中，射线照相对缺陷的定性是最准确的。在定量方面，对体积型缺陷（气孔、夹渣类缺陷）的长度、宽度尺寸的确定也很准，其误差大致在零点几毫米。但对面积型缺陷（如裂纹、未熔合类缺陷），如缺陷端部尺寸（高度和张口宽度）很小，则底片上影响尖端延伸可能辨别不清，此时定量数据会偏小。

③体积型缺陷检出率很高，而面积型缺陷的检出率受到多种因素的影响。体积型缺陷是指气孔、夹渣类缺陷。一般情况下，射线照相大致可以检出直径在工件厚度1%以上的体积型缺陷，但对于薄工件，受人眼分辨率的限制，可检出缺陷的最小尺寸在0.5mm左右。面积型缺陷是指裂纹、未熔合类缺陷，其检出率的影响因素包括缺陷形态尺寸、透照厚度、透照角度、透照几何条件、源和胶片种类等。由于厚工件影响细节显示，所以一般来说厚试件中的裂纹检出率较低，但对薄试件，除非裂纹或未熔合的高度和张口极小，否则只要照相角度适当，底片灵敏度符合要求，裂纹检出率还是足够高的。

④适宜检验较薄的工件而不适宜较厚的工件。因为检验厚工件需要高能量的射线探伤设备。300kV便携式X射线探伤机透照厚度一般小于40mm，420kV移动式X射线探伤机和Ir192 γ射线透照厚度均小于100mm，对厚度大于100mm的工件照相需使用加速器或Co60，因此是比较困难的。此外，板厚增大，射线照相绝对灵敏度是下降的，也就是说对厚工件采用射线照相，小尺寸缺陷以及一些面积型缺陷漏检的可能性增大。

⑤适宜检测对接焊缝，检测角焊缝效果较差，不适宜检测板材、棒材、锻件。用射线检测角焊缝时，透照布置比较困难，且摄得底片的黑度变化大，成像质量不够好。射线照相不适宜检验板材、棒材、锻件的原因是板材、锻件中的大部分缺陷与板平行，也就是与射线束垂直，因此射线照相无法检出。此外，棒材、锻件厚度较大，射线穿透比较困难，效果也不好。

⑥有些试件结构和现场条件不适合射线照相。这是因为用穿透法检验时，检测设备需要接近工件的两面，有时结构和现场条件会限制检测的进行。

⑦对缺陷在工件中厚度方向的位置、尺寸（高度）的确定比较困难。除了一些根部缺陷可结合焊接知识和规律来确定其在工件中厚度方向的位置外，大多数缺陷无法用底片提供的信息定位。缺陷高度可通过黑度对比的方法做出判断，但精确度不高，尤其影像细小的裂纹类缺陷，其黑度无法准确测定，用黑度对比方法测定缺陷高度的误差较大。

⑧射线照相检测速度慢。一般情况下定向X射线探伤机一次透照长度不超过300mm，拍一张片子需要10min，γ射线源的曝光时间一般更长。一般情况下，射线照相从透照开始到评定出结果需要数小时，与其他无损检测方法相比，射线照相的检测速度很慢，效率很低。但特殊场合除外，例如周向X射线探伤机周向曝光或γ射线源全景曝光技术应用则可以大大提高检测效率。

⑨射线对人体有伤害。射线会对人体组织造成多种损伤，因此对职业放射性工作人员剂量当量规定了限值。要求在保证完成射线探伤任务的同时，使操作人员接受的剂量当量不超过限值，应尽可能降低操作人员和其他人员的吸收剂量。

现场照相因防护会给施工组织带来一些问题，尤其是γ射线，对放射同位素的严格管理规定将影响工作效率和成本。

（3）磁粉检测

1）磁粉检测的原理：铁磁性材料被磁化后，其内部产生很强的磁感应强度，磁力线密度增大几百倍到几千倍，如果材料中存在不连续性（包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性），磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面，从空间穿过，形成漏磁场，漏磁场的局部磁极能够吸引铁磁物质，如图2-59所示。

试件中裂纹造成的不连续性使磁力线发生畸变，由于裂纹中空气介质的磁导率远远低于试件的磁导率，使磁力线受阻，一部分磁力线被挤到缺陷的底部，一部分穿过裂纹，一部分被排挤出工件的表面后再进入工件。如果这时在工件表面撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积。我们称其为磁痕，从而显示缺陷。当裂纹方向平行于磁力线的传播方向时，磁力线的传播不会受到影响，这时缺陷也不可能检出。

2）影响漏磁场的因素：外加磁场强度越大，形成的漏磁场强度也越大。在一定外加磁场强度下，材料的磁导率越高，工件越易被磁化，材料的磁感应强度越大，漏磁场强度也越大。

当缺陷的延伸方向与磁力线的方向成90°角时，由于缺陷阻挡磁力线穿过的面积最大，形成的漏磁场强度也最大。随着缺陷的方向与磁力线的方向从90°逐渐减小（或增大），漏磁场强度明显下降。因此，磁粉探伤时，通常需要在两个（两次磁力线的方向互相垂直）或多个方向上进行磁化。

随着缺陷的埋藏深度增加，溢出工件表面的磁力线迅速减小。缺陷的埋藏深度越大，漏磁场就越小。因此，磁粉检测只能检测出铁磁材料制成的工件表面或近表面的裂纹及其他缺陷。

3）磁粉检测设备及器材：磁粉检测设备及器材为磁力探伤机和与其配套使用的灵敏度试片、磁粉及磁悬液等材料。

①磁力探伤机。磁力探伤机按设备体积和重量不同，可分为固定式、移动式、携带式三类。便携式探伤机体积小、重量轻；适合野外和高空作业，多用于焊缝和大型工件局部探伤，最常使用的是电磁轭探伤机。

电磁轭探伤机是一个绕有线圈的U形铁心，若线圈中通过电流，铁心中产生大量磁力线，轭铁放在工件上，两极之间的工件局部被磁化，轭铁两极可做成活动式的，极间距和角度可调，磁化强度指标是磁轭能吸起的铁块重量（称为提升力）。其标准要求为：使用磁轭的最大间距时，交流电磁轭的提升力至少为45N，直流电磁轭的提升力至少为177N，交叉磁轭的提升力至少为118N。

②灵敏度试片。灵敏度试片用于检查磁粉探伤设备、磁粉、磁悬液的综合性能。

灵敏度试片通常是由一侧刻有一定深度的直线和圆形细槽的薄铁片制成的。标准试片有A1型、C型、D型和M1型。常用A1型试片是用100μm或50μm厚的软磁材料制成的，一般选用A1—30/100型标准试片，数字含义为：分子表示槽深30μm，分母表示片厚100μm。

使用时，将试片刻有人工槽的一侧与被检工件表面贴紧；然后对工件进行磁化并施加磁粉，如果磁化方法、操作规范选择得当，在试片表面上应能看到与人工刻槽相对应的清晰显示。

③磁粉与磁悬液。磁粉是具有高磁导率和低剩磁的四氧化三铁或三氧化二铁粉末。按加入的染料可将磁粉分为荧光磁粉和非荧光磁粉，非荧光磁粉有黑、红、白几种颜色。由于荧光磁粉的显示对比度比非荧光磁粉高得多，所以采用荧光磁粉进行检测具有磁痕观察容易，检测速度快，灵敏度高的优点。但荧光磁粉检测需一些附加条件，如暗环境、黑光灯。

4）磁粉检测的特点：

①适宜铁磁材料检测，不能用于非铁磁材料的检测。用于制造特种设备的材料中，属于铁磁材料的有各种碳钢、低合金钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢，镍及镍合金等，不具有铁磁性质的材料有奥氏体不锈钢、钛及钛合金、铝及铝合金、铜及铜合金等。

②可以检出表面和近表面的缺陷，不能用于检查内部缺陷。可检出的缺陷埋藏深度与工件状况以及工艺条件有关，对光洁表面，例如经磨削加工的轴，一般可检出深度为1～2mm的近表面缺陷，采用强直流磁场可检出深度达3～5mm的近表面缺陷。但对焊缝检测来说，因为表面粗糙不平，背景噪声高，弱信号难以识别，近表面缺陷漏检概率很高。

③检测灵敏度很高，可以发现极细小的裂纹及其他缺陷。有关理论研究和试验结果认为，磁粉检测可检出的最小裂纹尺寸，宽度为1μm，深度为10μm，长度为1mm，但实际现场应用时可检出的裂纹尺寸达不到这一水平，比上述数值要大得多。

④检测成本很低，速度很快。

⑤工件的形状和尺寸对探伤有影响，有时因其难以磁化而无法探伤。磁粉检测的磁化方法有很多种，根据工件的形状、尺寸和磁化方向的要求，选取合适的磁化方法是磁粉检测工艺的重要内容。如果磁化方法选择不当，有可能导致检测失败。对不利于磁化的某些结构，可通过连接辅助块加长或形成闭合回路来改善磁化条件。对没有合适的磁化方法且无法改善磁化条件的结构，应考虑采用其他检测方法。

（4）渗透检测

1）渗透检测的原理：零件表面被施涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管的作用下，经过一定时间，渗透液能够渗进表面开口的缺陷中；去除零件表面多余的渗透液后，再在零件表面施涂显像剂，同样，在毛细管作用下，显像剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显像剂中；在一定的光源下（紫外线光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被显示（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而探测出缺陷的形貌及分布状态。

渗透检测操作有渗透、清洗、显像和观察四个基本步骤。具体操作时,除上述基本步骤外，还有可能增加另外一些工序，例如：有时为了渗透容易进行，要进行预处理；使用某些种类的显像剂时，要进行干燥处理；为了使渗透液容易洗掉，对某些渗透液要进行乳化处理。

2）渗透检测的分类：根据渗透液所含染料成分，渗透检测可分为荧光法、着色法两大类；根据渗透液去除方法，渗透检测可分为水洗型、后乳化型和溶剂去除型三大类。而其显像方法又有湿式显像、快干式显像、干式显像和无显像剂式显像四种。

3）渗透检测的特点：

①渗透检测可以用于检测除了疏松多孔性材料外的任何种类的材料。工程材料中，疏松多孔性材料很少，绝大部分材料，包括黑色金属、有色金属、陶瓷材料和塑料等都是非多孔性材料，所以渗透检测对承压类特种设备材料的适应性是最广的。但考虑到方法特性、成本、效率等因素，一般对铁磁材料工件首选磁粉检测，渗透检测只是作为替代方法。而但对非铁磁材料，渗透检测是表面缺陷检测的首选方法。

②形状复杂的部件也可用渗透检测，并一次操作就可大致做到全面检测。工件几何形状对磁粉检测影响较大，但对渗透检测的影响很小。对因结构、形状、尺寸不利于实施磁化的工件，可考虑用渗透检测代替磁粉检测。

③同时存在几个方向的缺陷，一次操作就可完成检测。为保证缺陷不漏检，磁粉检测需要进行至少两个方向的磁化检测，而渗透检测只需一次检测操作。

④不需要大型的设备，可不用水、电。对无水源、电源或高空作业的现场，使用携带式喷罐着色渗透检测剂十分方便。

⑤工件表面粗糙度影响大，检测结果往往容易受操作人员水平的影响。工件表面粗糙度高会导致本底很高，影响缺陷识别，所以表面粗糙度越低，渗透检测效果越好。由于渗透检测是手工操作，检测工序多，如果操作不当，就会造成漏检。

⑥可以检出表面开口的缺陷，但对埋藏缺陷或闭合型的表面缺陷无法检出。由渗透检测原理可知，渗透液渗入缺陷并在清洗后能保留下来，才能产生缺陷显示，缺陷空间越大，保留的渗透液越多，检出率越高。埋藏缺陷渗透液无法渗入，闭合型的表面缺陷没有容纳渗透液的空间，所以无法检出。

⑦检测工序多，速度慢。渗透检测至少包括以下步骤：预清洗、渗透、去除、显像、观察。即使很小的工件，完成全部工序也要20～30min。对大型工件大面积渗透检测是非常麻烦的，每一道工序，包括预清洗、渗透、去除、显像都很花费时间。

⑧检测灵敏度比磁粉检测低。从实际应用的效果评价，渗透检测的灵敏度比磁粉检测要低很多，可检出缺陷尺寸要大3～5倍。即便如此，与射线照相或超声波检测相比，渗透检测的灵敏度还是很高的，至少要高一个数量级。

⑨材料较贵、成本较高。由于检测工序多，速度慢，人工成本也是很高的。

⑩渗透检测所用的检测剂大多易燃、有毒，必须采取有效措施保证安全。为确保操作安全，必须充分注意工作场所通风，以及对眼睛和皮肤的保护。

2.其他方法

目前特种设备行业还用到其他无损检测方法，技术相对成熟，国家也在开展相关无损检测人员的资格考核，只是游乐设施行业暂时还没有用到。这些检测方法包括涡流检测、声发射检测、红外/热像、超声波衍射时差法。

（1）涡流检测 涡流检测是运用电磁感应原理，将载有正弦波电流的线圈接近金属表面，线圈周围的交变磁场在金属表面产生感应电流（此电流称为涡流），也产生一个与原磁场方向相反的相同频率的磁场，同时，又反射到探头线圈，导致检测线圈阻抗电阻和电感发生变化，进而改变线圈的电流大小及相位。探头在金属表面移动，遇到缺陷或材质、尺寸等变化时，使涡流磁场对线圈的反作用不同，引起线圈阻抗变化，通过涡流检测仪器测量出这种变化量就能鉴别金属表面有无缺陷或其他物理性质变化。

1）涡流检测的原理：当载有交变电流的检测线圈靠近导电工件时，由于线圈磁场的作用，工件中将会感生出涡流（其大小与工件中的缺陷等有关），而涡流产生的反作用磁场又将使检测线圈的阻抗发生变化（见图2-60）。因此，在工件形状尺寸及探测距离等固定的条件下，通过测定探测线圈阻抗的变化，可以判断被测工件有无缺陷存在。

2）涡流检测的优点和缺点：

①涡流检测的优点:

a.检测时，线圈不需要接触工件，也无须耦合介质，所以检测速度很快。

b.对工件表面或近表面的缺陷具有很高的检出灵敏度，而且在一定范围内可实现良好的线性指示，并用于质量管理与控制。

c.可在高温状态、工件的狭窄区域、深孔壁（包括管壁）等条件下进行检测。

d.能测量金属覆盖层或非金属涂层的厚度。

e.可检验能产生感应涡流的非金属材料，如石墨等。

f.检测信号为电信号，可进行数字化处理，便于存储、再现及进行数据比较和处理。

②涡流检测的缺点:

a.对象必须是导电材料，只适用于检测金属表面的缺陷。

b.检测深度与检测灵敏度是相互矛盾的，对一种材料进行涡流检测时，必须根据材质、表面状态、检验标准做综合考虑，然后再确定检测方案与技术参数。

c.采用穿过式线圈进行涡流检测时，对缺陷所处圆周上的具体位置无法判定。

d.旋转探头式涡流检测可定位，但检测速度慢。

3）涡流检测的应用：按工件的形状和检测目的的不同，可采用不同形式的线圈,通常有穿过式、探头式和插入式三种。穿过式线圈用来检测管材、棒材和线材，它的内径略大于被检物件，使用时使被检物体以一定的速度在线圈内通过，可发现裂纹、夹杂、凹坑等缺陷。探头式线圈适用于对工件进行局部探测。应用时线圈置于金属板、管或其他零件上，可检查飞机起落撑杆内筒上和涡轮发动机叶片上的疲劳裂纹等。插入式线圈也称为内部探头，放在管子或零件的孔内用来做内壁检测，可用于检查各种管道内壁的腐蚀程度等。为了提高检测灵敏度，探头式和插入式线圈大多装有磁芯。涡流法主要用于生产线上的金属管、棒、线的快速检测以及大批量零件如轴承钢球等的检测（这时除涡流仪器外尚需配备自动装卸和传送的机械装置）、材质分选和硬度测量，也可用来测量镀层和涂膜的厚度。

（2）声发射检测 材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射。声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来，用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术。

1）声发射的原理：如图2-61所示，从声发射源发射的弹性波最终传播并到达材料的表面，引起可以用声发射传感器检测的表面位移，这些传感器将材料的机械振动转化为电信号，然后被放大、处理和记录，人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，以了解材料产生声发射的机制。

2）声发射的来源：

①晶体材料，包括金属的塑性变形、断裂、相变、磁效应，以及岩石、陶瓷等非金属主要为微裂纹开裂和宏观开裂。

②复合材料的声发射源包括基体开裂、纤维和基体脱开、纤维拔出、纤维断裂和纤维松弛等。

③在声发射检测过程还可能遇到其他声源如流体介质的泄漏、氧化物和氧化层的开裂、摩擦源液化和固化、原件松动和间歇接触等。

3）声发射检测的优点和缺点：

①声发射检测的优点：

a.声发射是一种动态检验方法，声发射检测到的能量来自被测试物体本身，而不像超声或射线检测那样由无损检测仪器提供。

b.声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能检测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号。

c.在一次试验过程中，声发射检验能够整体检测和评价整个结构中活性缺陷的状态。

d.可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等变量而变化的实时或连续信息，适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报。

e.由于对被检件的接近要求不高，故而适于其他方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境。

f.对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产。

g.对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷。

h.由于对构件的几何形状不敏感，故而适于检测其他方法受到限制的形状复杂的构件。

②声发射检测的缺点：

a.声发射特性对材料敏感，又易受到机电噪声的干扰，对数据的正确解释要有更为丰富的数据库和现场检测经验。

b.声发射检测一般需要适当的加载程序。多数情况下，可利用现成的加载条件，但还需要特别准备。

c.由于声发射的不可逆性，试验过程的声发射信号不可能通过多次加载重复获得，因此，每次检测过程的信号获取是非常宝贵的，不可因人为疏忽而造成宝贵数据的丢失。

4）声发射检测的应用：

①石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。

②电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。

③材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试，铁磁性材料的磁声发射测试等。

④民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。

⑤航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的失效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。

⑥金属加工：工具磨损和断裂的检测，打磨轮或整形装置与工件接触的检测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动检测，锻压测试，加工过程的碰撞检测和预防。

⑦交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹检测，桥梁和隧道的结构完整性检测。

（3）红外热成像 红外热成像技术是一门基础理论复杂、应用领域广泛的无损检测技术。其原理是：根据不同材料的结构特性、缺陷性质等，设计不同种类的热激励源，如超声波、高能热灯、热风等，并将其调制成方波或正弦波函数形式，对被测材料进行主动式加热，根据红外热成像理论，材料表面热波信号的传播将发生变化，用红外热像仪记录该变化，并将其转化为红外热图像序列，开发专门的图像处理及信号提取软件，最终显示检测结果。

红外热成像技术广泛应用于工业领域，适于大的温度范围、各种材料及各种试验模式。较成熟的应用如下：

1）复合材料和结构：使用纤维增强型复合材料制造的元件和结构特别适合进行红外热成像的无损检测。这些材料损伤的特点是缺陷平行于材料的表面，而且热传导率较低。由于复合材料的各向异性，因此人们用红外热成像技术测量复合材料的热传导特性来评价复合材料的特性。

2）热传导分析：主要用于对热量交换设备进行热交换效率的分析，也可对材料特性进行评价。

3）建筑物检测：用于评价新建建筑物的加热、通风和制冷系统是否满足设计规范的要求，探测建筑物结构墙体或屋顶的潮湿状况，也用于测试屋门、窗的密封和墙内的线路管路布局及开孔等。

4）电力传输系统：电力传输系统的检测是红外热成像应用最普遍的领域之一，其主要目的是测量电路接头部位的高温区，以发现接触不良的部位。

5）路面、桥面和地下通道的探测：用于探测路面和桥面表面铺设材料与基体的分层缺陷。

6）汽车发动机：用于评价汽车发动机运行过程等。

7）粘接材料和结构：用于检测粘接材料和构件粘接界面的质量。

8）焊接和焊接结构：检测焊接过程中焊件的冷却率，用于指导焊接工艺的制订。

9）应力分析：热成像应力分析基于材料的热弹效应原理，即材料由应力引起的动力学变化可以引起温度的改变。这一方法可以非接触测量材料的应力，也可以检测材料或结构内的损伤和缺陷，也有人尝试检测压力容器上的缺陷。

（4）超声波衍射时差法 超声波衍射时差法简称衍射时差法。检测时使用一对或多对宽声束探头，每对探头相对焊缝对称分布，声束覆盖检测区域，遇到缺陷时产生反射波和衍射波。探头同时接收反射波和衍射波，通过测量衍射波传播时间和利用三角方程来确定出缺陷的尺寸和位置。

1）波形衍射：当超声波作用于一条长裂纹缺陷时，在裂纹缝隙产生衍射，另外在裂纹表面还会产生反射（见图2-62）。超声波衍射时差法就是利用声束在裂纹两个端点或端角产生的衍射波来对缺陷进行定位定量的。

2）超声波衍射时差法的优点和局限性：

①超声波衍射时差法有很多优点：

a.可靠性好，由于利用的是波的衍射信号，不受声束角度的影响，缺陷的检出率比较高。

b.定量精度高。

c.检测过程方便快捷。一般一人就可以完成超声波衍射时差法检测，探头只需要沿焊缝两侧移动即可。

d.拥有清晰可靠的超声波衍射时差法扫查图像，与A型扫描信号比起来，超声波衍射时差法扫查图像更利于缺陷的识别和分析。

e.超声波衍射时差法检测使用的都是高性能数字化仪器，记录信号的能力强，可以全程记录扫查信号，而且扫查记录可以长久保存并进行处理。

f.除了用于检测外，还可用于缺陷变化的监控，尤其对裂纹高度扩展的测量精度很高。

②超声波衍射时差法也有它自身的局限性：

a.对近表面缺陷检测的可靠性不够。上表面缺陷信号可能被埋藏在直通波下面而被漏检，而下表面缺陷则会因为被底面反射波信号掩盖而漏检。

b.缺陷定性比较困难。

c.超声波衍射时差法扫查图像的识别和判读比较难，需要丰富的经验。

d.不容易检出横向缺陷。

e.对复杂形状的缺陷的检测比较难。

f.点状缺陷的尺寸测量不够精确。

3.新技术

随着现代科学技术的发展，激光、红外、微波、液晶等技术都被应用于无损检测领域，而传统的常规无损检测技术也因为现代科技的发展，大大丰富了应用方法。

（1）X射线照相 工业X射线检测是X射线照相技术在工业上的重要应用,其图像的数字化是未来工业探伤的发展方向。目前，图像数字化处理主要有计算机X射线摄影（Computed Radiography，CR）和数字X射线摄影（Digital Radiography，DR）。

1）计算机X射线摄影：

①成像原理：CR摄影脱离了传统的屏胶系统，不再把X射线信息记录在胶片上，而是应用磷光体构成的影像板（Image Plate，IP）替代胶片吸收穿过物体的X射线信息。记录在IP上的影像信息先经过激光扫描读取，然后经过光电转换，把信息输入到计算机系统并重新建成数字矩阵，再显示出数字化图像。CR的应用实现了常规X射线摄影从近百年的模拟成像向数字化成像的转变，使X射线摄影也可以具备其他数字化射影的各种优势。

②图像处理：CR图像是数字图像，经图像处理系统处理后，可以根据不同的要求在一定范围内调节图像。这是优于常规X射线照片之处。图像处理主要包括：灰阶处理、窗位处理、数字减影处理和X射线吸收率（能量）减影处理等。

a.灰阶处理：通过图像处理系统的调节，使数字信号转换为黑白影像，并在人眼能辨别的范围内选择合适的密度，以达到最佳的视觉效果。

b.窗位处理：即在一定的灰阶范围内，以某一数字信号为中心零点，即窗中心，使一定灰阶范围内的组织结构，依其对X射线吸收率的差别得到最佳的显示，同时可对这些数字信号进行增强处理。

c.数字减影处理：选择CR图像中的一帧无对比剂的数字化图像为蒙片和一帧有对比剂的作为减影对，进行数字减影处理，可得到DSA图像。但减影速度慢。

d. X射线吸收率（能量）减影处理：在两个不同的X射线摄影条件下摄影，得到两帧CR图像，选择其中任何一帧做成负片与另一帧作为减影对，进行减影处理。

③CR的优点和缺点：

a.优点：实现常规X射线摄影信息数字化；提高图像的密度分辨力；多信息显示，通过后处理技术，可以分别显示不同层次的影像信息；辐射剂量降低；实现X射线摄影信息的数字化储存、调阅及传输。

b.缺点：时间分辨力较差；空间分辨力不足。

2）数字X射线摄影：

①成像原理：DR成像原理与CR相比，同为数字化摄影，但成像方式不同。DR接收X射线的既不是普通胶片，也不是需要经激光扫描读取信息的成像板，而是各种类型的平板探测器，它们可以把X射线直接转化成电信号或先转换成可见光，然后通过光电转换，把电信号传输到中央处理系统进行数字成像。由于不再需要显影与定影处理，也不需要把成像板送到读取系统进行处理，而是直接在荧光屏上显示图像，检查速度大大提高。

②平板探测器的分类：

a.电荷耦合器件（CCD）阵列方式：采用近百个性能一致的CCD整齐排列在同一平面上，每一CCD摄取一定范围的荧光影像，并转换成数字信号，再由计算机进行处理后形成一幅完整的图像。CCD探测器虽然量子检测效率不高，但是其噪声系数较低，动态范围较大。

b.直接方式（非晶体硒）：直接把X射线转换成电信号，然后传输到计算机系统组成数字图像。

c.间接方式（非晶体硅）：先把X射线转换成可见光，然后经过光敏二极管完成光电转换，再传输到计算机系统组成数字图像。有人认为，由于多一道转换成可见光的步骤，增加了可见光的散射而降低了分辨力，但是反方认为间接方式平板的量子检测效率要高于直接方式平板。

③DR的优势与不足：

a.优势：空间分辨力进一步提高、信噪比高、成像速度快、曝光量（辐射剂量）进一步降低、探测器寿命更长。

b.不足：CR可以与任何一种常规X射线设备匹配，DR则难以与原X射线设备匹配，对于一些特殊位置的投照不如CR灵活。

（2）超声波相控阵检测 超声波相控阵就是采用一个探头多个晶片的有机排列，利用计算机技术在不同时间对每个晶片发出激励信号和接收声波，使合成的超声波形受计算机的控制，产生不同的方向和聚焦点，从而完成检测。普通超声波聚焦探头可以将超声波聚焦在某一点处，从而可以在该点处获得最佳的分辨率和灵敏度，但对不处于该位置的缺陷就没有这么好的分辨率和灵敏度了。而相控阵探头的聚集位置是可以由计算机控制的，是动态可变化的，所以可在声程范围内设定聚集的范围，计算机可自动控制探头各个晶片发射和接收超声波，从而在该范围内进行动态聚集，所以聚集是一条线。

超声波相控阵可以由计算机控制不同晶片发射和接收超声波的时间点，从而可以合成不同的发射波的角度。可以在仪器中设定超声波扫描的角度范围，计算机就驱动扫描晶片以合适的方式，使超声波在某一角度范围内进行扫描检测，如图2-63所示。

在每个重复脉冲周期里，在晶片电子扫描过程中同时被激发和接收的组，按预定程序移动，无须光栅移动，就能全面覆盖被检区域，如图2-64所示。

超声波相控阵换能器的设计基于惠更斯原理。换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元，按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元，使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面。同样，在反射波的接收过程中，按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成，再将合成结果以适当形式加以显示。由其原理可知，相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布。其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调，而且探头内可快速平移声束。

因此，与传统超声波检测技术相比，相控阵技术的优势是：

1）单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度。

2）不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域，成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段。

3）通常不需要复杂的扫查装置，不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查，因此在核工业设备检测中可减少受辐照时间。

4）优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向，在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性。

超声波相控阵还不是十分完美，还有需要进一步改进的地方：

1）探头体积太大，很多地方难以运用。

2）探头导线非常精密，容易损坏。

3）仪器参数的设置非常复杂。

4）相应的标准规范还没有跟上。

（3）导波检测 无限大体中的波可分为纵波L和横波S（剪切波），其模式固定，速度固定，不随频率发生变化。纵波的速度约为横波速度的两倍。而在一弹性半空间表面处或两个弹性半空间表面处，由于介质性质的不连续性，超声波将经受一次反射或透射而发生波形转换。

对于有限体中的波，位于板内的纵波、横波将在两个平行边界上产生来回反射，而沿平行于板面的方向行进，即平行边界制导弹性波在板内传播。这样的系统称为平板波导，在平板波导中传播的弹性波是超声波无损检测中最常用的一种导波形式——板波（或Lamb波）。除此之外，圆柱壳、棒状及层状的弹性体都是典型的波导。

导波检测技术就是利用了导波在传播过程中遇到缺陷或边界会被部分反射回来的原理。

超声导波与传统超声波检测的区别是：

1）超声导波可以在一个测试点对一个大的长距离管道的材质进行100%的检测，而传统的超声波在一个测试点只能对该点进行检测。 超声导波的频率范围为5～60kHz，传播速度为3260m/s，检测时不需要液体进行耦合。它采用机械或气体施加到探头的背面以确保探头与管道表面接触，达到与超声波良好的耦合。为了使声波以管道轴心对称地进行传播，管道环向的超声波探头均匀地间隔排列，如此环向声波沿着管道传播，能使整个管道被振动的声波而“激励”，使其作为波导的媒体而处于“工作”状态中。

2）传统超声波对壁厚进行测量时，只能检测到传感器下管壁的厚度。因此，在检测大范围管线时速度很慢，而且常常要找出几个有代表性的特征点进行检测。一旦遇到埋地或绝缘的管道，则束手无策。而使用特制安装在管道上的传感器环进行检测，操作人员利用WAVEMAKER（WPSS）检测系统就可完成单项测试，而且能够对传感器环两侧数十米内的管道进行有效的检测。传感器两侧的有效检测距离是受到多种因素制约的，条件好的情况下，可达几十米，条件不好或有某种覆盖层情况时，只能检测几米。

无损检测领域内刚刚兴起的超声导波技术，利用其检测距离长、操作简单和灵敏度高等优势，通过与其相配的检测装置，不但适宜于在役管道的腐蚀检测、新建管道基线检测，而且对埋地、穿越、架空等管道进行腐蚀情况检测也更具优势。这项技术可用于化工、石油、天然气输送、电力建设以及战场、密闭系统所涉及的各种工业管道、压力管道等领域。

（4）磁记忆检测 磁机械效应使铁磁性金属工件在应力作用区表面的磁场增强，增强后的磁场“记忆”了部件应力集中的位置，这就是磁记忆效应。磁记忆检测的工作原理是:处于地磁环境下的铁制工件受工作载荷的作用时，其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp的变化。该磁场的切向分量Hp（x）具有最大值，而法向分量Hp（y）改变符号且具有零值点。这种磁状态的不可逆变化在工作载荷的消除后继续保留，从而通过漏磁场法向分量的测定，便可以准确推断工件的应力集中。磁记忆检测技术主要用于检测焊接接头损伤根源（即应力集中区）。

在被检测焊接接头表面上测量磁场强度Hp的分布来确定应力集中区。测量的磁场矢量方向与测定残余应力向量的方向吻合，确定压力容器表面上Hp值为零的线段。Hp零值线与应力集中线符合。该方法广泛用于铁磁钢材制造的焊接接头，主要有以下用途：

1）检测焊接接头处的应力集中区。

2）不需要切割样品而完成对应力集中区金属状态的评估。

3）与其他无损探伤及理化检验方法相结合，可以更有效地对焊接接头进行诊断。

4）对焊接接头的结构是否合理进行评定。

在确定焊接接头应力集中区的基础上，磁记忆技术可更客观地评估焊接接头的强度，及时制定并采取提高可靠性的措施。

金属磁记忆检测技术作为一种新兴的检测手段，与其他传统的检测方法相比，有着其自身所特有的一些优点，弥补了传统无损检测方法的一些不足:

1）可准确可靠地检测出被检对象上以应力集中区为特征的危险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断的唯一行之有效的无损检测方法。

2）不需要专门的磁化设备，而是利用地磁场这一天然磁场源对工件进行磁化，从而能对铁制工件进行可靠的检测。

3）不需要对被检工件的表面进行清理或其他预处理，对工件表面的检测可在线进行。

4）检测重复性和可靠性好。

5）能实现快速检测，提高检测效率。

（5）漏磁检测 漏磁检测是一项自动化程度较高的磁学检测技术，其工作原理是:铁磁材料被磁化后，其表面和近表面缺陷在材料表面形成漏磁场，通过检测漏磁场来发现缺陷。从这个意义上讲，压力容器检测中常用的磁粉检测技术也是一种漏磁检测，但习惯上人们把用传感器测量漏磁通的方法称为漏磁检测，而把用磁粉检测漏磁通的方法称为磁粉检测，而且将它们并列为两种检测方法。

磁粉检测只能发现表面和近表面裂纹缺陷，而且检测时需要进行表面打磨，仅适合工件停产的检测；漏磁检测除能发现表面和近表面裂纹的缺陷外，还可从外部发现工件内部的腐蚀坑等缺陷，而且不需要对工件表面进行打磨处理，适用于工件在线检测。而工件在线检测是目前用户最急需的方法，它可以减少不必要的停产，降低检验成本。另外，漏磁检测还能对缺陷深度和长度等进行定量。虽然目前在工件检测中，漏磁检测技术的应用较少，但它具有磁粉检测所不具备的优点，所以其应用前景非常广阔。

利用励磁源对被检工件进行局部磁化，若被测工件表面光滑，内部没有缺陷，磁通将全部通过被测工件；若材料表面或近表面存在缺陷，则会导致缺陷处及其附近区域磁导率降低，磁阻增加，从而使缺陷附近的磁场发生畸变（见图2-65），此时磁通的形式分为3部分：大部分磁通在工件内部绕过缺陷；少部分磁通穿过缺陷；还有部分磁通离开工件的上、下表面经空气绕过缺陷，这部分即为漏磁通，可通过传感器检测到。对检测到的漏磁信号进行去噪、分析和显示，就可以建立漏磁场和缺陷的量化关系，达到无损检测和评价的目的。

由于漏磁检测是用磁传感器检测缺陷，相对于磁粉、渗透等方法，有以下优点：

1）易于实现自动化。漏磁检测是由传感器获取信号，然后由软件判断有无缺陷，因此非常适合构成自动检测系统。在实际工业生产中，漏磁检测被大量应用于钢坯、钢棒、钢管的自动化检测。

2）较高的检测可靠性。漏磁检测一般采用计算机自动进行缺陷的判断和报警，减少了人为因素的影响。

3）可实现缺陷的初步定量。缺陷的漏磁信号与缺陷形状尺寸具有一定的对应关系，从而可实现对缺陷的初步量化，这个量化不仅可实现缺陷的有无判断，还可对缺陷的危害程度进行初步评价。

4）高效能、无污染。漏磁检测采用传感器获取信号，检测速度快且无任何污染。

漏磁检测的缺点是：除了跟磁粉检测相似外，由于检测传感器不可能像磁粉那样紧贴被检测表面，不可避免地存在一定的提离值，从而降低了检测灵敏度；另一方面，由于采用传感器检测漏磁场，不适合检测形状复杂的试件。对形状复杂的工件，需要有与其形状匹配的检测器件。

（6）激光全息无损检测 激光全息无损检测利用激光全息照相来检测物体表面和内部缺陷。物体受到外界载荷作用会产生变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关，在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程度是不相同的。

激光全息照相是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面制造局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录在不同外界载荷作用下物体表面的变形情况，进行观察和分析，然后判断物体内部是否存在缺陷。

1）激光全息检测的特点：

①检测灵敏度高，基于干涉计量技术，其干涉计量的精度与波长同数量级。

②一次检测面积大，激光相干长度大，只要激光能充分照射到的物体表面，就能一次检验完毕。

③对被检对象没有特殊要求，可以对任何材料、任意粗糙的表面进行检测。

④便于对缺陷进行定量分析，可借助干涉条纹的数量和分布状况确定缺陷的大小、部位和深度。

2）激光全息检测的方法：

①物体表面微差位移的观察方法：激光全息无损检测基本原理是，物体内部缺陷在外力作用下，使物体表面产生与其周围不相同的微差位移，通过激光全息照相法进行比较，从而检测物体内部的缺陷。

观察物体表面微差位移的三种方法：

a.实时法：先拍摄不受力时的全息图，冲洗处理后，把全息图精确地放回到原来拍摄位置上，用同样参考光照射，则全息图就再现出物体三维立体像 （虚像），再现虚像完全重合在物体上。

它的缺点是：需要附加机构，以使全息图位移不超过几个光波波长；全息干版在冲洗过程中乳胶层要产生一些收缩，全息图放回原位时，虽然物体没有变形，但仍有少量位移干涉条纹出现；显示的干涉条纹图样不能长久保留。

b.两次曝光法：将物体在两种不同受载情况下的物体表面光波摄制在同一张全息图上，再现两个光波叠加时产生干涉现象。

c.时间平均法：在物体振动时摄制全息图；曝光时间远大于物体振动循环周期，即在整个曝光时间内，物体要能够进行若干个周期的振动。

②激光全息检测的加载方法：

激光全息照相缺陷检测的实质是比较物体在不同受载情况下的表面光波。常用的加载方式有：内部充气法、表面真空法、热加载法。

（7）声振检测 声振检测是激励被测件产生机械振动，通过测量被测件振动的特征来判定其质量的一种无损检测技术。

1）声振检测的原理：声振检测就是用声换能器激发样品振动，而反映样品振动特性的力阻抗反作用于换能器，构成换能器的负载。当负载有变化时，换能器的某些特性也随着变化。换能器不同特性的测量方法有振幅法、频率法和相位法等。

2）声振检测的方法

①频率检测法：对构件施加一个冲击力，它将在其所有的振动形态下振荡，为所有形态自然频率和阻尼的函数。通过频谱分析，可将构件受冲击产生的响应时间记录变换成相应的频谱，从而在频谱中辨认被检构件的自然频率。

②局部激振法：对被测结构的一点或多点施加激励，使其发生振动，并对所有欲检测的各点测量其结构的局部性能。

a.单点激振法：

振动热图法：对损伤的复合材料施加周期应力时，在各种裂缝和边缘之间会发生相对运动（阻尼）而产生热量。采用扫描红外线照相机或其他方式检测周期应力形成的局部温升可以判断结构的质量。振动热图法适用于检测热扩散率低的工件，以便有效地阻止损伤区的热量快速传导，很少用于热导率高的金属。

振幅测量法：使构件振动至谐振，构件内局部损伤使振动模态形式改变，通过观察分析构件振动的时间平均全息图可发现构件缺陷。它的特点是：可实现快速检测；一次能检测的构件面积较大；必须建立无振动环境；设备的价格较高。

b.多点激振法：在每一被测点施加激励，并在同一点上测量输入的力或振动的响应。它的特点是：可用来测量胶接结构的脱粘、分层，叠层构件的气孔，以及蜂窝结构中的“平面”状缺陷。

c.声阻法：声阻法是利用测量结构件被测点振动力阻抗的变化来确定是否有异常的结构件存在的方法。声阻法又分为双片声阻法和单片声阻法。

双片声阻法：利用由两个压电晶片组成的检测器（一个晶片激振，另一个接收信号），以点源形式激发样品做弯曲振动，并将样品振动的力阻抗通过触头转移为检测器的负载，通过对检测器特性的测量，来检测样品力阻抗的变化，达到检验目的。

单片声阻法：采用一个晶片激振和接收返回信号，主要用来检测粘接质量。

3）声振检测的应用：蜂窝结构检测、复合材料检测和胶接强度检测。

（8）微波无损检测 微波指频率为300MHz～300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1mm～1m的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波量子的能量为1.99×10-25～1.99×10-22J。

微波比其他电磁波，如红外线、远红外线等波长都长，因此具有更好的穿透性。

由于微波能够贯穿介电材料，能够穿透声衰减很大的非金属材料，所以微波检测技术在大多数非金属和复合材料内部的缺陷检测及各种非电量测量等方面获得了广泛的应用。

1）微波检测的原理：微波检测是通过研究微波反射、透射、衍射、干涉、腔体微扰等物理特性的改变，以及微波作用于被检测材料时的电磁特性——介电常数的损耗正切角的相对变化，并通过测量微波基本参数如微波幅度、频率、相位的变化，来判断被测材料或物体内部是否存在缺陷以及测定其他物理参数的检测方法。

微波从表面透入到材料内部，功率随透入的距离以指数形式衰减。理论上把功率衰减到只有表面处13.6%的深度，称为穿透深度。

2）微波检测的方法：

①穿透法：将发射和接收天线分别放在工件的两边，从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波源的微波信号进行幅值和相位的比较，用于检测材料厚度、密度和固化程度。可分为固定频率连续波穿透法、可变频率连续波穿透法、脉冲调制波穿透法。

②反射法：材料内部或背面反射的微波随材料内部或表面状态的变化而变化。可分为连续波反射法、脉冲反射法、调频波反射法。

③散射法：散射法通过测试回波强度变化来确定散射特性。检测时微波经过有缺陷的部位时被散射，因而使被接收到的微波信号比无缺陷部位要小，根据这些特性来判断工件内部是否存在缺陷。

3）微波检测应用：

①检测增强塑料、陶瓷、树脂、玻璃、橡胶、木材以及各种复合材料。

②检测各种胶接结构和蜂窝结构件中的分层、脱粘，金属加工工件表面粗糙度、裂纹等。