基于DR數字射線成像技術的鋁合金焊縫缺陷檢測

2021-05-07 00:50:44胡文剛陸云鵬郭世雄曾立鑫白冰

焊接 2021年2期

胡文剛，陸云鵬，郭世雄，曾立鑫，白冰

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 前言

航天運載器是人類開展深空探測和建設空間站等任務的交通工具，其性能和可靠性是完成太空探索的必要保證[1]。鋁合金因其具有重量輕、強度大、塑性好、耐腐蝕性好等特點，是宇航工業(yè)應用最為廣泛的金屬結構材料。鋁合金焊接結構在航天制造領域起著舉足輕重的作用，但鋁合金較活潑、表面易氧化、線膨脹系數大[2]，熔焊過程易產生氣孔、夾鎢、裂紋等缺陷，攪拌摩擦焊過程易產生隧道孔、高密夾雜、未焊透等缺陷，這些缺陷如果未被有效識別，可能會造成產品報廢，甚至導致航天器飛行失敗。射線檢測是焊縫內部缺陷檢測的主要手段[3-7]，主要采用傳統(tǒng)膠片透照方式，但該技術存在過程復雜、勞動強度大、效率低、環(huán)境污染、底片保存困難等問題[8-10]，正逐漸被數字射線技術所替代。數字射線檢測因其具有實時成像、數字存儲、遠程評片等優(yōu)點，是射線檢測技術的發(fā)展趨勢[11]。但目前國內工程應用的經驗不多，尚處于研究階段，主要受限于國內尚無成熟的數字射線檢測標準，尤其對于數字射線檢測和傳統(tǒng)膠片檢測結果的等價性評價尚未被充分認可。

該文研究了數字射線檢測工藝方法，并通過DR和膠片射線檢測(RT-F)方法比對，驗證DR焊縫檢測的可靠性。

1 數字射線檢測基礎

數字射線檢測技術泛指可獲得數字化圖像的全部射線檢測技術，主要分為3種：直接數字化射線檢測技術、間接數字化射線檢測技術、后數字化射線檢測技術[12]。DR屬于直接數字化射線檢測技術，采用分立輻射探測器(DR成像板)代替膠片，完成對射線的探測和光電轉換，并檢測出被檢材料完好部分與缺陷處的射線強度變化，同時完成圖像數字化，直接獲得數字檢測圖像，進而判定材料內部是否存在缺陷。DR數字射線檢測和常規(guī)膠片射線檢測獲得圖像過程對比示意圖，如圖1所示。

圖1 數字射線檢測過程示意

由于探測器與膠片物理機理存在差異，因此在圖像成像質量的影響因素上也體現出不同的指標，見表1。數字射線圖像對比度和膠片透照一樣，反映圖像識別厚度差的能力。通常采用線型像質計靈敏度評價，對比度越大，細小特征越容易被檢測出。不同的是數字射線檢測時，還需要采用雙線型像質計評價圖像空間分辨率，用來表明探測器所能分辨的檢測工件數字圖像中單位長度上兩個相鄰細節(jié)間最小距離的能力。

表1 數字(膠片)射線檢測圖像質量控制參數

分辨率越高，系統(tǒng)識別的圖像細節(jié)越清晰。對比度和分辨率成反比關系，檢測時兩者要均衡考慮。

2 試驗方法

2.1 檢測設備

數字射線檢測系統(tǒng)一般由X射線機、數字探測器陣列、計算機系統(tǒng)、檢測軟件系統(tǒng)、檢測工裝、安全機構等組成。其中X射線機的焦點尺寸和數字探測器的像素尺寸直接影響檢測圖像質量。為開展數字射線檢測試驗，該文采用的射線機焦點尺寸為2 mm，數字探測器像素尺寸為139 μm，檢測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數字射線檢測系統(tǒng)

2.2 試件制備

運載火箭貯箱產品大量采用鋁合金熔焊和攪拌摩擦焊2種焊接方法，其中熔焊縫常見缺陷為氣孔、夾雜、裂紋，攪拌摩擦焊縫典型缺陷為孔洞、夾雜、未焊透。為此，分別制備2種鋁合金焊接試板，并預置氣孔、夾雜、裂紋、孔洞、未焊透等主要缺陷，開展缺陷檢測試驗，如圖3所示。

圖3 鋁合金焊接試板

2.3 試驗過程

采用ISO 19232-5/EN-462-5雙線型像質計，對試驗選用的數字射線檢測系統(tǒng)進行空間分辨率測試，如圖4所示。測試時將雙線型像質計緊貼在數字探測器表面中心區(qū)域放置，且保證像質計的金屬絲應與探測器的行或列成 2°～5°夾角，射線源至探測器表面的距離為1 m，透照電壓90 kV，采集檢測數字圖像，觀察圖像中可識別的線對來測定系統(tǒng)最小分辨率。

圖4 雙線型像質計

開展數字射線檢測靈敏度試驗。針對影響數字射線檢測靈敏度的管電壓、管電流、曝光時間、放大倍數、透照厚度等關鍵工藝參數，設計正交試驗，選取不同的參數對試板進行檢測試驗，分析工藝參數對檢測圖像靈敏度的影響，得出適合鋁合金焊縫DR數字射線的檢測工藝參數，并驗證圖像靈敏度與GJB 1187A像質要求規(guī)定的符合性。

開展典型缺陷的數字射線檢測和常規(guī)膠片透照比對試驗。通過對典型缺陷圖像中缺陷性質、缺陷尺寸進行分析比對研究，分析數字射線檢測的缺陷檢出能力，驗證數字射線檢測結果的可靠性。

3 試驗結果

3.1 系統(tǒng)空間分辨率

雙線型像質計檢測圖像如圖5所示，通過圖像可以看出，至少能識別8D絲，8D絲對的絲徑為0.16 mm。計算得此時分辨率為3.6 p/mm，即1 mm寬度內能分辨清楚的線對數為3.6個，滿足焊縫檢測要求。

圖5 系統(tǒng)空間分辨率檢測結果

3.2 圖像靈敏度

管電壓：指在射線透照時所使用的kV值，其代表射線穿透物體的能力。數字射線具有較大的寬容度，試驗表明，管電壓在65～90 kV時，透照厚度8 mm的鋁合金焊縫不但檢測靈敏度滿足要求，而且圖像對比度、清晰度、寬容度均能達到要求，如圖6所示。實際檢測時，在保證穿透厚度前提下，應盡量選擇較低電壓，當檢測不等厚度工件時可適當提高電壓。

圖6 管電壓對圖像質量的影響

管電流：指在射線透照時所使用的mA值，管電流和曝光時間的乘積為曝光量，其代表射線穿透物體的能量大小。當管電流過低時，會出現曝光不足，圖像噪聲嚴重，檢測工件的細節(jié)和缺陷淹沒在噪聲中。增大管電流可以提高圖像的信噪比，但管電流過大又會導致曝光過度，通常根據透照厚度不同選取3～5 mA電流即可，如圖7所示。通常在滿足圖像質量、檢測速度要求的前提下，應盡量選擇較低的電流。

圖7 管電流對圖像質量的影響

曝光時間：既反映了數字圖像的采集時間，直接決定著檢測效率，又反映了數字圖像的采集幀數，多幀圖像的疊加有利于數字圖像降噪，決定著圖像質量。實際檢測時，隨著曝光時間增加，采集幀數增加，圖像質量不斷優(yōu)化，換來的是檢測周期變長，因此，確定曝光時間應綜合考慮圖像質量與生產周期的影響，在保證圖像質量的前提下兼顧檢測速度。如圖8所示，經綜合考慮確定20 s為最佳曝光時間。

圖8 曝光時間對圖像質量的影響

放大倍數：對于數字射線檢測技術，當射線源焦點尺寸小于探測器固有不清晰度時，可以采用放大透照方式以獲得最高的空間分辨率，放大倍數定義為：

(1)

式中：M為幾何放大倍數；F為射線源至探測器的距離；f為射線源至物體距離。因此理論上，對于給定的探測器，應存在最佳放大倍數，可使檢測圖像獲得最高的空間分辨率，最佳放大倍數定義為：

(2)

式中：M0為最佳放大倍數；UD為探測器固有不清晰度；φ為焦點尺寸?？梢?，對于給定的探測器，只有采用焦點尺寸較小的射線源，才能選用較大的放大倍數透照，若射線源焦點尺寸較大，只能采用放大倍數近似為1.0的透照布置。因此，數字射線檢測可結合微焦點射線源獲得較高的空間分辨率。表2列出了139 μm探測器和2 mm焦點射線源檢測時的放大倍數與圖像分辨率關系的測定結果。

表2 放大倍數與圖像空間分辨率

從表2中可以看出，該文試驗選用的檢測設備應采用放大倍數近似1.0的透照方式，可獲得最高的空間分辨率，如圖9所示。

圖9 曝光時間對圖像質量的影響

綜上分析，通過觀察檢測圖像中的像質指數及圖像黑度等綜合評斷，采用表3所示參數時，能夠得到較優(yōu)的靈敏度。

表3 數字射線檢測參數

綜上所述，選用推薦參數(2號)透照8 mm試板，獲得的檢測圖像如圖10所示，檢測圖像靈敏度像質指數15(0.125 mm線徑)，圖像空間分辨率雙絲像質計可達到8D。按照GJB 1187A—2001《射線檢驗》標準，A級檢測技術要求像質指數13(0.20 mm線徑)，可見檢測靈敏度優(yōu)于標準要求。

圖10 數字射線檢測圖像

3.3 缺陷檢測試驗

按表2、表3推薦的透照方式和檢測參數，分別對鋁合金熔焊試板和攪拌摩擦焊試板進行數字射線檢測(DR)和常規(guī)膠片透照(RT-F)試驗，獲得典型缺陷檢測圖像，如圖11和圖12所示。通過典型缺陷檢測圖像對比可見，DR數字射線檢測法與常規(guī)膠片透照檢測法在顯示缺陷的尺寸、分布、基本形貌和缺陷性質方面是完全一致的。缺陷尺寸對比統(tǒng)計見表4和表5，38處缺陷數字射線圖像中缺陷測量值與膠片透照底片測量值平均誤差為1.65%，最大誤差在5%以下。綜上所述，DR數字射線具有較好的厚度寬容度，當圖像分辨率達不到要求時，可通過增加曝光量來提高圖像靈敏度，以補償由于不清晰度達不到要求而引起的對比度靈敏度降低，只要控制好DR數字射線的對比度和分辨率，即可獲得和膠片透照一致的檢測結果，滿足工程化應用要求。