環形件非環焊縫周向分區射線檢測的應用

朱紹華

（上海材料研究所，上海 200437）

電子束焊接的基本原理是：電子槍中的陰極，由于直接或間接加熱而發射電子；該電子在高壓靜電場的加速下，通過電磁場的聚焦，形成能量密度極高的電子束；用此電子束去轟擊工件，巨大的動能轉化為熱能，從而實現對工件的焊接。

電子束焊［1］的結構特點是：被焊接母材緊密接觸在一起，配合間隙極小，焊縫寬度極窄。焊接過程中，由于電子束入射角度、焊道走偏及電磁場影響等原因，很容易產生未熔合、未焊透、裂紋及氣孔等缺陷。

由于電子束焊的缺陷尺寸極其微小，故射線檢測時，特別要控制好射線入射角度以保證微小線性缺陷的檢出率，進而保證產品的質量要求。

筆者介紹的電子束焊接零件為高溫合金焊接組件，焊接結構比較復雜。零件主體呈圓環形，圓周方向有多個凸臺，主體與凸臺由電子束焊焊接在一起，每個凸臺大小及圓焊縫的大小不同，每個凸臺圓焊縫的距離不同，位置分布也沒有規律，但是所有凸臺圓焊縫的圓心在同一圓截面上，如圖1所示。

圖1 零件主體與凸臺的結構示意

1 項目背景

該零件是某機配套的關鍵部件，它的生產周期也直接影響著科研機種的交付周期。由于該零件焊接結構比較復雜，進行射線檢測時，有三種檢測工藝［2］：

（1）源在外單壁透照：需透照多次。由于凸臺的四個角與焊縫邊緣距離很近，為了防止因為擺放不當造成焊縫被凸臺四個角遮擋的現象，故選擇每次只透照相鄰凸臺圓焊縫的半圓，如圖2所示。

圖2 相鄰凸臺焊縫半圓X 射線顯像

（2）源在內周向整體透照：需透照一次。

（3）源在內周向分區透照：需透照多次。

2 檢測方法對比

2.1 源在外單壁透照

該檢測工藝所需要的最少透照次數，應遵循相關標準［3］規定的透照厚度比K值。

該檢測工藝存在以下缺點：當相鄰凸臺距離小時，底片影像變形小；當相鄰凸臺距離大時，底片影像就會產生較大變形，如圖2所示，很容易隱藏缺陷，而且會使需要透照的半圓部位不能全部呈現在底片上。這樣，容易造成不必要的返工，不僅提高檢測成本，而且增加勞動強度。當相鄰凸臺距離很大時，就只能一次透照一個凸臺的一半，大大增加了檢測次數。

綜上所述，該檢測工藝較復雜，雖然能有效地保證檢測質量的要求，但檢測周期長而且焊縫影像變形大，一旦缺陷出現在畸變較大的區域，則會對評片工作帶來很大的困擾。如果不能確定是否為偽缺陷，還可能產生不必要的返工檢測。

2.2 源在內周向整體透照

由于零件上的最大凸臺焊縫的半徑很小（35mm），而且每個凸臺圓焊縫的圓心都在一個圓環截面上，這樣的結構特征和周向射線機適用的檢測對象很相似，那么就可考慮使用周向射線機對該凸臺焊縫進行檢測，如圖3所示。

圖3 源在內周向整體透照示意圖

周向射線機主要檢測對象是直徑較大的圓形環焊縫零件，它的主要優點有：①透照距離保持不變，透照厚度均一，底片黑度比較均勻。②射線束處處垂直環形焊縫，有利于發現各種缺陷，橫向裂紋檢出率很高。③由于一次曝光，大大提高檢測效率。

2.2.1 源在內周向整體透照時可能遇到的問題

凸臺的四個角是否遮擋焊縫；檢測靈敏度是否達到檢測要求（象質計FeⅢ／15號絲）；底片黑度是否達到檢測要求范圍（最佳黑度2.0）；射線入射角是否達到檢測要求（θ≤5°）。

2.2.2 實際操作中的問題

由于機匣組件大端和小端直徑有差異，因此在檢測中必須保證大端環形面和小端環形面同時垂直地面，才能使凸臺圓焊縫圓心都處在一個同心圓上，從而使射線束能垂直入射到每個凸臺的圓心，最終得到黑度均勻的底片。

為了解決這個問題，特制作一個工裝，該工裝是一個特制厚度的墊板，墊板厚度為大端圓半徑減去小端圓半徑，這樣可以保證射線束能垂直入射到每個凸臺圓焊縫的圓心，保證了檢測質量的要求。

實際檢測工藝參數為：電壓為90kV；電流為5mA；時間為120s；焦距為R；膠片類型MX125（增感屏Pb），象質計為FeⅢ／15號絲。

檢測后底片如圖4所示，未發現焊縫被遮擋的情況，黑度也在2.0左右，同時檢測的靈敏度也達到了檢測標準的要求；從底片上呈現出的影像看，達到了檢測要求的標準，避免2.2.1中提到的問題的發生。

圖4 源在內周向分區X 射線影像

2.2.3 理論驗證

射線入射角是否達到檢測要求的最終結論要經過理論計算才能得出。理論計算如下：

最大凸臺圓焊縫半徑r為35mm，零件環形半徑R為350mm，如圖5所示。

圖5 射線入射角理論計算示意

由tgθ＝r／R＝0.1，得到入射角的角度θ為5.7°。該角度不能滿足項目對電子束焊縫角度（±5°）的檢測標準要求，因此一次周向曝光不能滿足檢測標準的要求。

實際工作中，周向射線機每次檢測的環形焊縫都是進行一次曝光就可以完成檢測。該零件雖然和日常周向射線機的檢測對象很相似，但是還是存在射線入射角滿足不了要求的問題。至此，源在內周向整體透照工藝以失敗而告終。

2.3 源在內周向分區透照技術工藝分析

源在內周向整體透照技術，唯獨入射角沒有滿足要求。因此，需要從理論角度上分析入射角偏大的問題。

由分析可知，要減小入射角度，就必須減小透照范圍。故筆者采取源在內周向分區的檢測工藝。每次只檢測半個圓的焊縫，如圖6 所示，使入射角大于5°，這樣就保證了入射角度的大小，使得前面的所有問題都得到了解決。

同時，要滿足入射角度不大于5°，選擇的透照焦距R和有效透照區域L必須滿足表1要求。

表1 透照焦距R 和有效透照區域L 的技術要求 mm

3 散射線的屏蔽

由于周向射線機置于圓環中，膠片貼于焊縫外側，并使用鉛箔增感屏，所以能屏蔽部分散射線，因此暗盒背面不需要再襯托鉛板，以提高工效。從所拍底片看不見在暗盒背面貼附的“B”鉛字影像，說明散射線防護可以滿足標準要求。

4 結論

通過檢測方案的對比，最終確定采用源在內周向分區透照工藝技術。該工藝技術在以下方面取得了良好的效果：

（1）在保證檢測質量的前提下，檢測效率得到了較大的提高，從之前的多次減少到2次。

（2）采用周向射線機檢測，避免散射線，減輕了影像的畸變，底片清晰度較好，檢測靈敏度較高（可以達到標準要求的15號絲）。

［1］黃剛.電子束焊接技術在航空產品中的應用［J］.四川兵工學報，2010（5）：73－76.

［2］鄭世才.射線檢測［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］HB／Z 60－1996X 射線照相檢驗［S］.