劉思明， 周昌智， 黃凱華， 黃 斐， 張逸飛

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

新一代信息通信技術對制造業(yè)的改造和催化，帶來全球制造業(yè)格局大變革和大調(diào)整，成為發(fā)達國家實現(xiàn)制造業(yè)重振和發(fā)展中國家搶占產(chǎn)業(yè)高端的著力點。近年來，隨著以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等為代表的新一代信息技術與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的加速融合，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起。數(shù)字化和信息化技術的進步使圖像處理和模式識別技術突飛猛進。數(shù)字射線以其檢測效率高和污染低等優(yōu)勢，被越來越多地應用于自動生產(chǎn)線。

對于筒體和管件的環(huán)焊縫檢測，以其高度的規(guī)則性，利用數(shù)字射線可較好地體現(xiàn)其效率高和重復性高的優(yōu)勢。但相較于傳統(tǒng)膠片軟性可彎曲，柔性探測器技術尚未成熟，探測器無法緊貼工件，容易出現(xiàn)缺陷導致成像失真，影響檢測結果。因此在制訂數(shù)字射線檢測工藝時，應充分考慮其差異性?，F(xiàn)對自動生產(chǎn)線中的管件和筒體環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測的透照布置進行討論。

1 設計原則

在自動生產(chǎn)線數(shù)字射線檢測過程中，在被檢工件、射線源和數(shù)字射線成像(Digital Radiography，DR)探測器均確定后，檢測質(zhì)量主要通過透照參數(shù)和透照布置控制。透照參數(shù)主要影響檢測圖像的對比度和空間分辨率等；透照布置主要影響幾何不清晰度和橫向裂紋檢出率。由于透照參數(shù)應根據(jù)焦距、工件材質(zhì)和規(guī)格設置，而透照布置決定放大倍數(shù)，影響空間分辨率，因此在數(shù)字射線檢測工藝設計時，應首先設計透照布置。

透照布置控制的基本原則是有利于缺陷檢驗[1]。透照布置設計通過一系列計算確定射線源至工件和工件至探測器的距離。自動生產(chǎn)線通過機械的自動控制實現(xiàn)對工件各部位檢測的透照布置。透照布置設計應考慮的影響因素主要為檢測安全要求、檢測質(zhì)量要求和檢測效率要求。

環(huán)焊縫的透照方式分為雙壁雙影、雙壁單影和單壁單影，其中：雙壁雙影透照方式(一般用于小徑管檢測)的檢測要求和工藝設計與常規(guī)膠片射線檢測相同；雙壁單影透照和單壁單影透照可分為探測器在外透照和探測器在內(nèi)透照，分別如圖1和圖2所示，其中：S為射線源；D為平板探測器尺寸；b為端點至探測器的距離。主要討論單壁單影和雙壁單影透照的工藝設計方法與質(zhì)量控制指標計算方法。

圖1 探測器在外透照

圖2 探測器在內(nèi)透照

2 檢測安全要求

由于DR設備昂貴，因此在透照布置時必須考慮設備安全。探測器和射線源不可能像常規(guī)膠片檢測那樣緊貼工件布置，探測器與工件之間必須保留間距以防止擦碰；應考慮在機械運行時是否出現(xiàn)阻擋，若阻擋物小則可將探測器與工件的間距擴大以避開阻擋物。

3 檢測質(zhì)量要求

檢測質(zhì)量是工藝穩(wěn)定性的基礎，因此在透照布置設計時，應滿足穿透厚度比和幾何不清晰度的要求。在采用探測器在外透照布置時，應以內(nèi)圓端點作為計算基準，如圖3所示，其中：α為圓心角；β為射線擴散角；θ為橫裂角；L為有效投影長度；f為端點至射線源的距離；d為射線源至工件的距離；t為工件厚度；h為探測器至工件的距離；O為試件圓心；r為內(nèi)圓半徑；R為外圓半徑。在采用探測器在內(nèi)透照布置時，應以外圓作為計算基準，如圖4所示。

圖3 探測器在外透照布置計算

圖4 探測器在內(nèi)透照布置計算

透照布置影響的檢測質(zhì)量指標主要是穿透厚度比和幾何不清晰度。由圖3和圖4可知：在射線源至工件的距離和探測器至工件的距離改變時，被檢區(qū)域的端點位置發(fā)生改變，圓心角、射線擴散角和橫裂角發(fā)生改變，穿透厚度比、幾何不清晰度和透照次數(shù)發(fā)生改變。因此，焦距、穿透厚度比、幾何不清晰度和一次透照有效投影長度為相互關聯(lián)的變量，在透照布置設計時，應從工件規(guī)格、環(huán)境限制和檢測效率的角度考慮，根據(jù)主要限制因素確定適合的焦距和透照次數(shù)。

3.1 穿透厚度比計算

根據(jù)GB/T 3323—2019規(guī)定，穿透厚度比K的A級應不大于1.2，B級應不大于1.1。

探測器在外檢測時，由穿透厚度比計算得到橫裂角θ：

(1)

通過正弦定理計算射線擴散角β：

(2)

探測器在內(nèi)檢測時，通過正弦定理計算射線擴散角β：

(3)

由射線擴散角β和探測器有效投影長度L計算得到所需要的焦距F：

L=2Ftanβ

(4)

在d=r時，θ=0，K=1。在焦點處于圓心時，橫裂角最小。因此在采用內(nèi)透法檢測較大型工件時，若條件允許則可考慮優(yōu)先中心曝光；對于管件等小型工件，應在滿足其他指標的前提下，盡可能減小焦距和橫裂角。

3.2 幾何不清晰度計算

探測器并非緊貼工件，相較于常規(guī)膠片射線檢測，對于曲率工件使用平板探測器檢測，會帶來額外的幾何不清晰度。探測器在內(nèi)環(huán)焊縫檢測時，應計算中點處的幾何不清晰度；探測器在外環(huán)焊縫檢測時，應計算端點處的幾何不清晰度。幾何不清晰度Ug可由式(5)計算得到：

(5)

式中：dt為射線源焦點有效尺寸。

探測器在采用外環(huán)焊縫檢測(內(nèi)透法)時，圓心角α由式(6)計算得到：

α=β±θ

(6)

端點至射線源的距離為

f=d+r(-1+cosα)

(7)

端點至探測器的距離為

b=F-f

(8)

由式(5)～式(8)可知：幾何不清晰度主要受焦距和工件至探測器的最遠距離決定，工件厚度越大，幾何不清晰度越大。因此，對于公稱直徑較厚的工件，其主要限制為穿透厚度比和幾何不清晰度。在透照布置設計時，可使用相關標準規(guī)定值作為基礎條件，計算所需要的焦距。

3.3 放大倍數(shù)

對于數(shù)字射線技術，可采用放大透照方式提高檢測圖像獲得的最高空間分辨率[2]。在使用小焦點射線源時，根據(jù)焦點尺寸和探測器至工件的距離，采用最佳放大倍數(shù)的焦距可有效提高檢測圖像的空間分辨率。尤其是在薄板工件(焦距遠大于穿透厚度)檢測時，按照檢測質(zhì)量要求，需要較高的空間分辨率，而檢測的空間分辨率受限于探測器的基本空間分辨率。針對目前市場上像素尺寸100 μm以下的探測器及其安規(guī)，在透照布置設計時，可使用放大透照，降低對探測器基本空間分辨率的要求。最佳放大倍數(shù)可按式(9)和式(10)計算：

(9)

(10)

式(9)和式(10)中：M為放大倍數(shù)；M0為最佳放大倍數(shù)；SRb為基本空間分辨率。

4 檢測效率要求

曝光布置設計應在滿足設備安全和檢測要求的前提下，最大限度提升檢測效率。提升檢測效率可從縮短曝光時間和減少曝光次數(shù)兩方面考慮。由于曝光時間與焦距成平方反比關系，因此焦距應盡可能減?。徊捎酶叽┩噶ι渚€源或高管電壓可縮短曝光時間。在自動生產(chǎn)線環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測過程中，一次曝光時間一般不超過5 s，其余大量時間用于機械運動與定位。顯然，選擇較大的一次透照長度，可減少透照次數(shù)，提高效率。

在自動生產(chǎn)線環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測過程中，一次透照長度需要滿足檢測質(zhì)量要求中的橫向裂紋檢出角(橫裂角)和幾何不清晰度[2]。在環(huán)焊縫檢測中，確定圓心角即可確定透照次數(shù)n=π/α與一次透照長度L=πr/n。事實上，在大型工件檢測過程中，探測器的有效投影長度成為限制一次透照長度的主要條件，在工藝設計時焦距的選擇應首先滿足最大限度利用成像板長度，減少曝光次數(shù)。

5 結 語

由于焦距、穿透厚度比、幾何不清晰度和一次透照有效投影長度為相互關聯(lián)的變量，因此應根據(jù)具體的工件規(guī)格、檢測質(zhì)量要求、環(huán)境限制與檢測效率確定優(yōu)先考慮的因素，推算其他變量，完成透照布置設計。

對于公稱直徑較厚的工件，主要限制條件為檢測時的穿透厚度比和幾何不清晰度，透照布置設計應首先滿足檢測質(zhì)量要求。

對于薄壁工件，檢測要求較高，在使用小(微)焦點射線源檢測時，透照布置設計應以最佳放大倍數(shù)作為計算的基本條件，節(jié)約成本。

對于大型工件，主要限制條件為探測器的有效投影長度，透照布置設計應最大限度利用探測器，以最長有效投影長度作為基本條件進行計算。