焊接结构内部缺陷探测：2.1.1研究成果

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：实验中通过微焦点X射线CT对所选取的20根焊接试样焊缝区域内部结构进行扫描。图2.3为一焊接构件试样的X－CT扫描区域以及该区域缺陷扫描后的三维图像重构结果。

为探测和认识金属结构焊接区内部的微细观缺陷及其演化特性，我们以典型焊接构件为探测试样，开展细观缺陷探测与损伤演化过程实验研究。焊接构件试样使用Q235钢，焊材使用J422焊条，焊接形式为对接坡口焊。综合考虑尺度要求和相关测试规范，将构件确定为矩形横截面标准试样，构件形状及尺寸以及焊接接头如图2.2所示。

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图2.2　焊接构件试样尺寸（mm）及焊接接头示意图

为了便于确保焊接构件中的损伤局部化位置位于重点观测区，实验中将焊接构件试样的中部焊接区域进行了局部削弱处理。将标准焊接构件试样分为3组，每组8个。其中1组试样经X射线断层扫描（X－CT）以观测试样焊趾附近的细观缺陷；其他2组试样分别用于加载实验和含损伤构件的钢桁架结构失效实验。

X射线断层扫描是基于X射线在物体内的衰减规律，经过计算机数字图像处理，将物体及其内部构造的扫描图像转化为各断层的灰度分布图像，从而得到构件内部细观缺陷的二维切面图像和三维立体图像。由此可准确地定位出物体内部细观缺陷的空间位置，并清楚地展示结构内部缺陷的几何形态。因此，X－CT技术能准确地再现物体内部的三维立体结构，定量地提供物体内部的物理特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平、异型结构的形状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。

实验中通过微焦点X射线CT对所选取的20根焊接试样焊缝区域内部结构进行扫描。通过对焊缝内部初始缺陷几何形态的观测和对比，按照观测到细观尺度上的缺陷的要求，选取其中内部缺陷大小在细观尺度且具有一定代表性的试样进行拉伸加载并在加载过程中同步进行试样中的缺陷扫描。(https://www.chuimin.cn)

当测得足够多的二维断层图像就可运用三维图像重构技术获得被测件的三维图像。同时，还可得到构件在三个空间方向上的二维逐层扫描图片，所以也可以通过二维扫描图片进一步观测某一剖面的损伤演化过程。三维重构技术就是从连续的二维断层扫描图像中提取三维对象的结构信息，使得对象内部组织结构直观可视，并且通过图像处理技术对内部细节进行加强，可得到实体和缺陷的三维结构，可生成任意位置、方向的剖面图，定量计算各缺陷的体积和表面积，实现缺陷的三维定位和定量分析。图2.3为一焊接构件试样的X－CT扫描区域以及该区域缺陷扫描后的三维图像重构结果。

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图2.3　焊接构件X－CT扫描区域及三维图像重构

如图2.3（a）所示，黑框区域为焊接构件中进行X－CT扫描的部位，图2.3（b）为该部位X－CT扫描后经计算机系统处理后的三维图像重构结果。由此可见，X－CT利用其强大的计算机系统，将二维断层扫描图像进行三维重构，并且调整X射线功率可以达到较高的分辨精度。所以，采用X－CT对构件焊接区域进行扫描可还原细观缺陷的三维全貌。

如图2.3（b）中的方框标识出的试样中扫描到的体积最大的缺陷，X－CT在给出其三维重构图像中的位置的同时，还可以通过专用软件查看该缺陷分别在X、Y、Z三个方向的二维断层图像。三维重构图像虽然形象、直观，但它是计算机系统对二维断层图像重构的结果，必然存在一定的误差；X－CT所得三维图像中像素点的灰度值不同来源于材料缺陷造成的密度差异，该原理决定了X－CT对孔洞型缺陷的识别优于裂纹型缺陷，因为裂纹型缺陷的体积远小于孔洞型缺陷；综上所述，X－CT三维重构图像在细观缺陷分析方面有一定的优势，其存在的不足可由二维断层扫描图像来弥补。

焊接结构内部缺陷探测：2.1.1研究成果

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