CR技術在超薄焊接結構件中的研究與應用

周廣祥，鄭德全

（南京晨光集團有限責任公司，江蘇南京 210006）

0 前言

材料厚度在1 mm以上的薄板焊縫無損檢測工藝基本成熟，而許多航天產品使用材料厚度在0.5 mm以下的薄板焊縫無損檢測工藝還很困難。超薄壁類產品由于結構特殊，要求檢測的絕對靈敏度非常高，欲檢出的缺陷尺寸已接近或超過宏觀無損檢測技術的極限，如果該產品焊道中存在微小缺陷，就可能在失重環境中失效，將導致嚴重后果，因此必須進行有效的無損檢測控制，確保焊接接頭品質的可靠性。

下面以某產品的應用為實例進行闡述。該超薄焊接承壓結構件是由210片左右厚度小于0.3 mm、薄如紙的不銹鋼膜片焊接組成，薄板經沖壓成型、裁切圓環、焊接制成。該產品直徑大、壁厚薄，直徑大于600 mm，焊道長度400多米，其焊接結構類似卷邊焊接，焊縫在膜片的端頭（圖1），設計技術條件要求焊縫熔深在小于0.8 mm，焊縫寬度小于0.8 mm。對產品安全性和可靠性要求極高，焊接接頭成型不良，熔深不夠，或焊縫中存在缺陷都不允許存在;要求無損檢測的分辨率達到0.05 mm;檢測絕對靈敏度達到可檢出0.1 mm點狀缺陷和直徑0.05 mm的線形缺陷。為確保焊道的可靠性，需對焊道進行100%的無損檢測。

圖1 某承壓結構件焊道局部圖

由于超薄焊接承壓結構件要求很高的絕對靈敏度，欲檢出如此微小尺寸的缺陷，現有常規無損檢測工藝、裝備均不能滿足要求。經過工藝攻關，并配合一系列特殊工藝措施和大量測試試驗，應用CR技術對該承壓結構件的焊接接頭進行無損檢測，實現了對該超薄焊接承壓結構件產品的焊縫進行無損傷的品質控制。

1 CR技術原理

數字射線檢測技術是一種采用新的輻射探測器代替傳統膠片完成射線信號的探測和轉換的射線照相檢驗技術。CR技術是數字射線檢測技術中的一種，它采用的貯存熒光成像IP板類輻射探測器，其結構如圖2所示。

圖2 IP板結構圖

采用貯存熒光成像板（IP板）的CR技術，是基于某些熒光發射物質具有保留潛在圖像信息的能力。這些熒光物質受到射線照射時，在較高能帶俘獲的電子形成光激發射熒光中心（PLC）。采用激光激發時，光激發射熒光中心的電子將返回它們初始能級，并以發射可見光的形式輸出能量。這種光發射與原來接收的射線劑量成比例。這樣，當激光束掃描貯存熒光成像板時，就可將射線照相圖像轉化為可見的圖像。

圖3給出了檢驗的主要過程示意圖。

圖3 CR技術檢驗的主要過程

2 檢測設備與器材的選擇

針對該承壓產品特殊焊縫結構和很高的靈敏度要求，經過大量工藝攻關試驗，最后證明只能采用了CR照相技術才能解決該承壓結構件的焊縫品質檢測。CR照相的IP板厚度小于1 mm，可以插進波紋槽，且IP板可以切成弧形邊，適用于各種直徑的波紋管;CR照相獲得的是數字圖像，可方便地將圖像放大的適宜觀察的倍數;目前世界上最好的 CR技術的分辨率已達到25 μm，可以保證50 μm的缺陷檢出。

根據檢測對象與當前的CR技術發展情況所選設備、CR掃描系統和IP板的主要配置見圖4所示。

a）160 kV移動式小焦點高頻X射線探傷機一臺;

b）工業CR35NDT系統一套;

c）選配25 μm藍色高分辨率IP成像板。

圖4 數字射線照相（CR）檢測系統

IP板的選擇:對應于ASTM E2446－05標準的IP S/25，最小SNR≥130（特殊級，分辨率25 μm，最小信噪比≥130）;其規格為:25 μm藍色高分辨率成像板，讀出掃描速率可調;入片寬度:≤350 mm（14″）;成像板擦除次數:≥5 000次 ;掃描時間:≥50張/h（51 p/mm）;

注:1）白色IP板:對應于ASTM E2446－05標準的IPⅠ/50，最小SNR≥65（Ⅰ級，分辨率50 μm，最小信噪比≥65）;

2）按ASTM E2446－－規定，CR系統IP板的特性依據SNR（信號與噪聲之比）值和特定曝光區域的不清晰度，分為四類。如表1所示。

表1 IP板分類

d）計算機工作站（臺式工作站）

工作站主要包括高配置主機、一臺高分辨率顯示器（專業灰度級顯示器300萬像素）;專用系統檢測軟件（包含圖像采集、處理、分析）1套。

3 CR技術應用實例

通過CR技術的數字化圖像不僅可以放大，還可通過計算機進行各種處理以提高圖像品質。例如通過邊緣增強、平滑、圖像降噪、灰階對比度調整、影像、數字減影、偽彩色處理等方法，對曝光不足或曝光過量進行修正，提高對比度，改善影像的細節等。

在實際應用過程中，制備的人工缺陷標樣（圖5）和發現的典型缺陷簡介如下。

超薄焊接承壓結構件產品的不合格試件的試驗CR圖像和焊縫金相剖面圖見圖6所示;該產品合格試件的試驗CR圖像和焊縫熔深金相剖面圖見圖7所示。

在檢測超薄焊接承壓結構件產品過程中發現的缺陷實例見圖8、圖9。

目前使用的CR技術系統的分辨率已達到25 μm，可以保證50 μm的缺陷檢出。2009年至今，應用CR技術對該超薄焊接承壓結構件產品進行無損檢測的焊縫長度約7 000 m，拍片35 000多張，能有效地發現細微的缺陷。比如氣孔、焊縫熔深不夠、焊縫表面凹坑、咬邊、母材表面壓痕等。應用CR技術相比較于常規X射線檢測，CR技術具有更高的效率，更簡易的操作特點。比如在檢測過程中IP板不存在曝光，在拍片結束后不用經歷顯影、定影、水洗、干燥等繁瑣的工藝過程，只需通過掃描儀1 min左右的數據讀取即可獲得實拍的X射線圖像。通過操作軟件來放大縮小及對比度的調整，可以發現細微的缺陷，提高無損檢測的精度，其分辨率達到0.05 mm要求;檢測絕對靈敏度達到可檢出0.1 mm點狀缺陷和直徑0.05 mm的線形缺陷。通過對焊道進行100%的無損檢測，保證了對該超薄焊接承壓結構件產品焊縫的品質控制。

4 CR技術在其他產品上的應用實例

CR技術目前已應用到其他承壓結構件產品的檢測，特別是薄壁鋁合金構件、不銹鋼導管等的大量應用（圖10，圖11），積累了CR技術在工程應用中的大量經驗，為CR技術的研究與進一步擴大應用奠定了良好的基礎。

5 結語

通過對超薄焊接承壓結構件產品的數千米焊縫檢測與大量不同工藝參數的應用試驗研究，得到了較為有效的試驗數據與結果，采用CR技術滿足了該類產品品質控制的要求。

1）滿足了超薄焊接承壓結構件產品設計要求，達到了檢出D0.1 ×0.132 mm 點狀缺陷和D0.05 ×0.4 mm 線型缺陷的精度。

2）CR技術的檢測工藝可實現超薄焊接承壓結構件單片和組合件的透照，達到焊道100%的無損檢測目標。

3）CR技術在其他承壓結構件產品中的應用，證明其圖像質量能夠達到射線檢測靈敏度的要求。

［1］ASTM E2445－05Standard practice for qualification and longtime stabilitry of computed radiology systems.

［2］ASTM E2446－05 Standard practice for classification of computed radiology systems.

［3］《無損檢測 金屬材料計算機射線照相檢測方法》［S］GB/T26642－2011.

［4］鄭世才.CR 技術介紹［J］.無損探傷，2008，32（172）.

［5］張怡明.CR技術的最新發展［R］.2008年遠東無損檢測新技術論壇.