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焊接缺陷与检验


焊接缺陷与 检验

常见的焊接缺陷及质量检验
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一、常见的焊接缺陷
(一)裂纹

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(二)气孔

(三)夹渣

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(四)未熔合

未焊透

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(五)形状缺陷 咬边

焊瘤

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烧穿和下塌

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错边和角变形

焊缝尺寸不合要求

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(六)其它缺陷 电弧擦伤、严重飞溅、母材表面撕裂、磨凿痕、打磨过量等。

第4章 焊接缺陷及其控制
4.1 焊缝中的偏析和夹杂
4.1.1 偏析的形成及控制
1.偏析的种类及形成原因
(1)显微偏析

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(2)区域偏析

(3)层状偏析

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2.偏析的控制措施
(1)细化焊缝晶粒 (2)适当降低焊接速度

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4.1.2 夹杂的形成及控制
1.夹杂的形成及控制
(1)夹渣; (2)反应形成新相 (3)异种金属。 氧化物;氮化物;硫化物;

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2.夹杂的危害
1)影响接头力学性能 大于临界尺寸的夹杂物使接头力学性 能下降; 2)以硅酸盐形式存在的氧化物数量的增加,总含氧量增加,使 焊缝的强度、塑性、韧性明显下降; 3)氮化物使焊缝的硬度增高,塑性、韧性急剧下降; 4)FeS是形成热裂纹及层状撕裂的重要原因之一。

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3. 夹杂的防止措施
1)合理选用焊接材料,充分脱氧、脱硫; 2)选用合适的焊接参数,以利熔渣浮出; 3)多层焊时,注意清除前一层焊渣; 4)焊条适当摆动,以利于熔渣的浮出; 5)保护熔池,防止空气侵入。

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4.2 焊缝中的气孔
4.2.1 气孔的分类及形成机理

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1.析出型气孔 2.反应型气孔 1.气体的来源

如N2、H2气孔; 如CO、H2O气孔。
[FeO] + [C] = CO↑+ [Fe]

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3.2.2 气孔形成的影响因素
(1)空气侵入; (2)焊接材料吸潮; (3)工件、焊丝表面的物质; (4)药皮中高价氧化物或碳氢化合物的分解。

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2.母材对气孔的敏感性
(1)气泡的生核 现成表面 (2)气泡的长大 必须满足

ph > p o
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Ph-气泡内部压力: Ph = PH2 + PN2 + PCO + PH2O + …… Po-阻碍气泡长大的外界压力: PO = Pa + PM + PS + PC

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Ph > Pa + Pc = 1 +

2 σ r

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现成表面存在的气泡呈椭圆形,增大了曲率半径,降低了外界 的附加压力PC ,气泡容易长大。

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(3)气泡的上浮 必须满足 VC (气泡上浮速度)≥ R(熔池结晶速度)

σ

sg


gl

sl

σ

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COSθ =

σ

sg


gl

sl

σ

上浮速度

VC =

2( ρ L ?ρ G ) gr2 9 η

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3.焊接材料对气孔的影响
(1)熔渣氧化性的影响
氧化性强,易出现 CO 气孔;还原性增大,易出现 H2 气孔;

(2)焊条药皮和焊剂的影响
碱性焊条含有 CaF2 ,焊剂中有一定量的氟石和多量 SiO2 共存时, 有利于消除氢气孔;

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(3)保护气体的影响
混合气体的活性气体有利于降低氢气孔;

(4)焊丝成分的影响
希望形成充分脱氧的条件,以抑制反应性气体的生成。

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4.焊接工艺对气孔的影响
(1)焊接工艺 工艺正常,则电弧稳定,保护效果好; (2)电源的种类 直流反接,降低电压; (3)熔池存在时间 时间增加,则对反应性气体排出有利;对析出
性气体,既要考虑溶入,又要考虑逸出。

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4.2.3 气孔的防止措施
1.消除气体来源
加强焊接区保护;焊材防潮烘干;适当的表面清理。

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2.正确选用焊接材料
适当调整熔渣的氧化性; 焊接有色金属时,在Ar中加入CO2或O2要适当; CO2焊时,必须用合金钢焊丝充分脱氧; 有色金属焊接时,要充分脱氧,如焊纯镍时,用含铝和钛的焊 丝或焊条;焊纯铜时,用硅青铜或磷青铜焊丝。

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3.控制焊接工艺条件
焊接时规范要保持稳定; 尽量采用直流短弧焊,反接; 铝合金TIG焊时,线能量的选择要考虑氢的溶入和排除; 铝合金MIG焊时,常采取增大熔池存在时间,以利气泡逸出。

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? 4.3
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焊接裂纹

4.3.1 焊接裂纹的种类和特征

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1.焊接热裂纹
(1)结晶裂纹

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(2)高温液化裂纹

(3)多边化裂纹

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2.焊接冷裂纹
(1)延迟裂纹

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(2)淬硬脆化裂纹

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(3)低塑性脆化裂纹

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3.其他裂纹

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(1)再热裂纹

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(2)层状裂纹

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(3)应力腐蚀裂纹

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4.3.2 结晶裂纹的形成与控制
1.结晶裂纹的形成机理
熔池结晶三阶段: 液固阶段;固液阶段;完全凝固阶段。
固液阶段(脆性温度区)有可能产生裂纹。

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Прохоров认为: 较小时,曲线1 e0 < pmin , es>0, 不会产生裂纹;
?e / ?T ?e / ?T

较大时,曲线3 e0 > pmin,es<0, e0 = pmin,es =0 ,

产生结晶裂纹;
按曲线2变化时,

处于临界状态。
为防止结晶裂纹的产生,应满足如下条件:

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?e <CST(临界应变增长率) ?T

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2.结晶裂纹的影响因素
(1)冶金因素 1)结晶温度区间

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(剖面线区间为脆性温度区间)

结晶温度区间越大,脆性温度区也 大,裂纹倾向也大。

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2)低熔共晶的形态 当液态第二相β在固态基体相α的晶粒 交界处存在时,其分布受表面张力σαα (σGB) 和界面张力σαβ(σLS)的平衡关 系所支配。
σαα = 2 σαβ COS
? ;
2

?

COS

? =σαα /2 σαβ
2

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若 2 σαβ= σαα ,θ = 0 o,易形成液态薄膜; 2 σαβ ≠ σαα ,θ ≠ 0 o,不易形成液态薄膜;

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增大低熔共晶物的表面张力,有利于 避免结晶裂纹。
3)一次结晶的组织 晶粒粗大,柱状晶的方向越明显,越易 形成液态薄膜,导致结晶裂纹。 4)合金元素的种类 促进结晶裂纹的有:硫、磷、碳和镍等; 抑制结晶裂纹的有:锰、硅、钛、锆和稀土等。 (2)应力因素.

? 2

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液态薄膜和应力是引起结晶裂纹的根本条件!

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3.结晶裂纹的防止措施
(1)冶金措施
1)严格控制焊材中的硫、磷和碳的含量; 2)改善焊缝的一次结晶组织,细化晶粒( 加入Mo、V、Ti、Nb、Zr和稀土等元素;焊接 奥氏体不锈钢时加入Cr、Mo、V等铁素体形成 元素); 3)限制熔合比(尤其是一些易向焊缝转移 某些有害杂质的母材); 4)利用“愈合作用”(如铝合金焊接)。

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(2)应力控制
1)选择合理的接头形式(使熔深减小); 2)确定合理的焊接顺序 (尽量使焊缝处于较小的刚度下焊接); 3)确定合理的焊接参数(适当增加焊接电流,使冷速下降;预热等)。

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4.3.3 延迟裂纹的形成与控制
延迟裂纹又称“氢致裂纹”,常出现在中、高碳钢及合金结构钢的焊接 接头中。

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1.延迟裂纹的形成机理
延迟裂纹主要决定三大因素: (1)氢的行为及作用
扩散氢在延迟裂纹的产生过程中起到 至关重要的作用。

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1)氢致延迟开裂机理

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2)氢的扩散行为对致裂部位的影响
氢在奥氏体中的溶解度大,扩散速度小; 氢在铁素体中的溶解度小,扩散速度大。

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(2)材料淬硬倾向的影响 1)淬火形成淬硬的马氏体组织 2)淬硬形成更多的晶格缺陷 (3)接头应力状态的影响 1)应力的种类 热应力;组织应力;结构应力。 将上述三种应力的综合作用统称为拘束应力。 2)拘束度与拘束应力 拘束度R定义为: 单位长度焊缝
在根部间隙产生单位长度的弹性位 移所需要的力。 σ = Eε

F F hL 1 h Eh R? ? ?? ? l?b lh L?b ? L L

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从上式可以看出:改变拘束距离L和板厚h,可以调节拘束度R 的大小。 L↓, h ↑时,则R↑。 R增大到一定程度就产生裂纹。此值称为 临界拘束度Rcr 。 Rcr越大,接头的抗裂性越强。 Rcr可作为冷裂 纹敏感性的判据,即产生了裂纹的条件是: R > Rcr R反映了不同焊接条件下焊接接头所承受的拘束应力σ。开始 出现裂纹时的应力称为临界拘束应力σcr 。σcr可作为冷裂纹敏感 性的判据,即产生了裂纹的条件是: σ > σcr

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2.延迟裂纹的防止措施

(1)冶金措施
1)改进母材的化学成分,采用低碳多种微量元素的强化方式;精炼降
低杂质;

2)严格控制氢的来源,工件表面清理;焊条、焊剂烘干;
3)适当提高焊缝韧性,在焊缝金属中适当加入钛、铌、钼、钒、硼、 碲及稀土等微量元素,提高焊缝的韧性;用奥氏体不锈钢焊条焊接易淬硬钢; 4)选用低氢的焊接材料;

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(2)工艺措施
1)适当预热; 2)严格控制焊接热输入,除预热外可适当增大热输入; 3)焊后低温热处理,使氢逸出,降低残余应力,改善组织; 4)采用多层焊,使前层的氢逸出,并使前层热影响区淬硬层软化;

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5)合理安排焊缝及焊接次序。

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4.3.4 其他裂纹的形成与控制
1.再热裂纹
(1)再热裂纹的形成机理
再热裂纹的产生是由晶界优先滑动导致微裂(形核)而发生和扩展的。在焊 后热处理时,残余应力松弛过程中,粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量 超过了该部位的塑性变形能力,就会产生再热裂纹。即

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e > ecr

晶内沉淀强化理论 再热使晶内析出碳、氮化物,使晶内强化。 晶界杂质析集弱化理论 再热使P、S、Sb、Sn、As等杂质向晶界析集。 蠕变断裂理论(楔形开裂模型) 点阵空位在应力和温度作用下,能
发生运动,聚集到一定数量,在应力作用下,晶界的接合面会遭到破坏,直 至扩大而形成裂纹。

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(2)再热裂纹的防止措施
优先选用含沉淀强化元素少的钢种;严格限制母材和焊缝中的杂质含量; 避免过大的热输入使晶粒粗化;预热和后热;增大焊缝的塑性和韧性;尽量 降低残余应力。

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2.层状撕裂
(1)层状撕裂的形成机理 平行于轧制方向夹杂物的存在; 母材的性能(塑性、韧性); Z向拘束应力。

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(2)层状撕裂的防止措施 选用抗层状撕裂的钢材; 减小Z向应力和应力集中(右上图)。

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3. 应力腐蚀裂纹
(1)应力腐蚀裂纹的形成机理
活化通路应力腐蚀理论 腐蚀电池是一个大阴极和小阳极时,
阳极的溶解表现为集中性腐蚀损伤。只要在腐蚀过程中,阳极始终保持处 于裂纹的最前沿,裂尖处于活化状态而不钝化,其他部位(裂纹端口两侧) 发生钝化,使裂纹一直向前发展至断裂。 钝化膜在应力作用下发生破 裂,裂隙处暴露出的金属成为活化阳极,发生溶解。在腐蚀过程中,钝化膜 破裂的同时又发生破裂钝化膜的修复,在连续发生应变的条件下修复的钝化 膜又遭破坏,以致继续腐蚀。

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应变产生活性通道应力腐蚀理论

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氢脆型应力腐蚀理论 腐蚀电池是一个由小阴极和大阳极组成,
大阳极发生溶解,表现为均匀性腐蚀。小阴极区如果发生析氢,将发生阴极 区金属的集中性渗氢,在持续载荷作用下导致脆断,应力腐蚀就会顺利发展。 随着裂纹的出现,裂纹尖端应力、应变集中促进金属中氢向裂纹尖端聚集, 最终导致应力腐蚀断裂。

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(2)应力腐蚀裂纹的防止措施 应力腐蚀的形成必须同时具有三个因素的综合作用,即材质、 介质和拉应力。因此,应从三方面的影响因素着手,从产品结构 设计、安装施工到生产管理各个环节采取相应措施。 材质:采用双相不锈钢材料; 选择与母材的化学成分和组织基本一致的焊材(等成分 原则); 介质:必须具体考虑介质对母材腐蚀的可能性,为了减轻或消 除特定环境中的应力腐蚀,可在介质中加缓蚀剂。也可采用表面 处理技术,在构件表面制备牺牲阳极涂层或物理隔离涂层。 应力:焊接过程中选择合理的接头形式,减小残余应力; 正确的焊接顺序; 合适的热输入; 焊后可以进行进行消除应力处理。

二、焊接质量检验
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(一)焊前检查 母材与焊材;设备与工装;坡口制备;焊工水
平;技术文件等;

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(二)施焊过程中的检查 焊接及相关工艺执行情况;设备运行
情况;结构与焊缝尺寸等;

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(三)焊后检验 是保证合格产品出厂的重要措施
外观检查; 内部探伤:x射线探伤、 γ射线探伤、超声波探伤等; 近表面缺陷探伤:磁粉探伤、渗透探伤等; 渗漏检测:水压试验、气压试验等; 力学性能测试; 金相组织分析; 化学成分分析。

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三、无损探伤
1.射线探伤
探伤原理
x 射线和γ射线都是电磁波,它们的波长很短( x 射线为0.0010.1nm,γ射线为0.0003-0.1nm),能透过不透明的物体(包括金属),并
能使胶片感光。将感光后的胶片显影后,能 看到材料内部结构和缺陷相对应黑度不同的 图像,从而观察材料内部缺陷的方法称作射 线照相探伤法。 射线穿过某一物质时,由于物质对射线 吸收与散射的作用,其能量便被物质所衰减, 被衰减能量的大小与射线的波长和被穿透物 质的化学成分有关。由感光底片不同的黑度, 来观察物体内部缺陷存在的部位性质和程度, 以判断缺陷。

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射线照相质量标准 根据缺陷的性质和数量,焊缝质量分为四级: Ⅰ级焊缝内应无裂纹、未熔合、未焊透和条状夹渣; Ⅱ级焊缝内应无裂纹、未熔合和未焊透; Ⅲ级焊缝内应无裂纹、未熔合以及双面焊和加垫板的单面焊 中的未焊透; Ⅳ级为焊缝缺陷超过Ⅲ级者。 各种射线照相的性能比较

x射线
1.焊缝厚度小于50mm时,灵敏 度比γ射线高; 2.透照时间短,速度快; 3.设备复杂,费用大; 4.穿透能力小; 5.适用厚度30-50mm。

γ射线
1.穿透能力大,能透照300mm钢板; 2.设备轻便,操作简便; 3.不需要电源,可野外作业; 4.环形焊缝可采用一次曝光; 5.透视时间长; 6.适用厚度50mm以上。

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2.超声波探伤

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超声波探伤是利用超声波(频率超过20000Hz的声波)能传入金属材料 的深处,并在不同介质的界面上能发生反射的特点来检查焊缝缺陷的一种 方法。超声波探伤常使用的频率为2-5MHZ。 探伤时,探头发射的超声波通过探测表面的 耦合剂(常用的有机油、变压器油、甘油、化学 浆糊、水及水玻璃等)将超声波传入工件,超声 波在工件里传播,当遇到缺陷和工件底面时,就 反射到探头。由探头将超声波变成电讯号,并传 到接收放大电路中,经检波后至示波管的垂直偏 转板上,在扫描线上出现缺陷反射波(伤波)和 底面反射波。通过始波和缺陷之间的距离便可确 定缺陷距工件表面的距离。同时通过缺陷波的高 度也可估算出缺陷的大小。 超声波探伤的应用范围 应用范围很广,不但应用于原材料板、管、型材的探伤,也用于加工 产品锻件、铸件、焊接件的探伤。 在探伤时,要注意选择探头的扫描方法,要使声波尽量能垂直地射向 缺陷面。

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3.磁粉探伤

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磁粉探伤是对铁磁性焊件露在表面或接近表面的缺陷进 行无损探伤的方法。 探伤原理
磁粉探伤是利用被磁化了的焊件在缺陷处产生漏磁来发现缺陷的。 当焊件被磁化后,焊件中就有磁力线通过,对于断面相同,内部组织均匀 的焊件,磁力线是平行均匀分布的。在内部存在缺陷时,由于这些缺陷中 存在的物质多是非磁性的,其磁阻很大。所以磁力线在有缺陷处就绕道而 行,产生漏磁。这时撒在焊件表面磁粉微粒将向漏磁处移动,磁粉被吸引 在有缺陷的金属表面。

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显示缺陷的能力与磁化电流、缺陷形状、缺陷离表面的距离以及缺 陷与磁力线的相对位置有关。只有缺陷的延伸方向垂直时,显示缺陷的能 力最强。

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4.渗透法探伤 渗透法探伤包括着色探伤和荧光探伤两种。 (1)着色探伤 着色探伤是渗透法表面探伤的一种成本低、使 用方便的无损探伤方法。 探伤过程是把焊件表面清理并干燥之后,喷涂 一层有强烈色彩的渗透液,待渗入缺陷一定时间后, 把表面多余渗透液清除掉。再喷涂上显像剂,它把 渗入缺陷内的渗透液吸附出来,在显像剂层上显示 出彩色的缺陷图像。 目前可发现宽0.01mm,深度不小于0.03-0.04mm 的表面缺陷。

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(2)荧光探伤 荧光探伤是利用紫外线照射某些荧光物资产生荧光的特 性来进行无损检测焊件表面缺陷的一种方法。 探伤时,先在焊件表面涂上渗 透性很强的荧光渗透液,停留10min 后,除净表面多余的荧光渗透液, 待干后,在工件表面撒上一层氧化 镁粉(显像剂),振动一下使粉层 均匀,显像5min左右,缺陷处的氧 化镁粉被荧光渗透液浸湿,吹掉工 件表面多余的氧化镁粉,在暗室的 紫外线灯下观察,留在缺陷处的荧 光物资发出荧光,显现缺陷的轮廓。

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