基于X射線實時成像技術(shù)的產(chǎn)品缺陷檢測

奚 清，陳 慧，李 強(qiáng)，段建國，趙海晏

(中國工程物理研究院材料研究所，綿陽 621907)

基于X射線實時成像技術(shù)的產(chǎn)品缺陷檢測

奚 清，陳 慧，李 強(qiáng)，段建國，趙海晏

(中國工程物理研究院材料研究所，綿陽 621907)

X射線實時成像技術(shù)可以檢測低密度粉末冶金產(chǎn)品中的缺陷尺寸，但計算過程較為復(fù)雜。設(shè)計了評估缺陷尺寸的標(biāo)尺，分析了標(biāo)尺位置與檢測準(zhǔn)確度的相關(guān)性，簡化了X射線實時成像檢測粉末產(chǎn)品缺陷的評判過程，提高了工作效率，具有重要的工程應(yīng)用價值。

X射線實時成像；缺陷；測量

粉末冶金產(chǎn)品在原料準(zhǔn)備和產(chǎn)品成型過程中可能會引入點狀或絲狀等雜質(zhì)缺陷而影響最終產(chǎn)品性能，因此一般需要對產(chǎn)品進(jìn)行無損檢測。射線檢測，如X射線、γ射線、中子射線等是較為常用和成熟的無損檢測手段。X射線屬于電磁波范疇，廣泛用于鍋爐容器、管道焊縫等結(jié)構(gòu)材料的檢測中，而γ射線和中子射線能量高，不易防護(hù)，易對人體造成傷害，因此工程應(yīng)用中普遍應(yīng)用X射線檢測[1-3]。

常規(guī)X射線對于低密度粉末材料中缺陷的評定是在X射線透照后進(jìn)行的，其首先用標(biāo)尺在底片上直接測量，以此測量值作為缺陷實際大小的值，然后進(jìn)行是否合格的級別評定。雖然這種檢測方式具有直觀、可靠性高的優(yōu)點，但判定花費時間長[4]，特別是絲狀物平行射線方向時，底片上的投影將是點狀缺陷，所以該方法無法相對準(zhǔn)確地判斷絲狀物的大小。

在X射線實時成像技術(shù)檢測時，X射線穿透被測件產(chǎn)品，在數(shù)字式平板上投影生成數(shù)字信號，由計算機(jī)進(jìn)行圖像積分、降噪、邊緣銳化得到最終圖像，且圖像可用計算機(jī)軟件智能化評定或人工評定[5]。利用X射線實時成像技術(shù)可以通過旋轉(zhuǎn)樣品準(zhǔn)確檢測粉末產(chǎn)品中絲狀缺陷的尺寸，其獲得的成像是實物的投影圖像;由于空間位置的不同，該技術(shù)比常規(guī)X射線獲得的圖像的放大倍數(shù)更大。通過X射線實時成像技術(shù)獲得缺陷的尺寸不等同于真實缺陷的大小，而需要根據(jù)電流、電壓、焦距和放大倍數(shù)這四個參數(shù)通過公式來換算出實際尺寸大小，過程比較繁瑣。韓加強(qiáng)[6]在X射線實時成像的基礎(chǔ)上，結(jié)合非晶葉片圖像灰度分布的特點，運用灰度曲面函數(shù)和集合運算實現(xiàn)了缺陷尺寸的自動測定，但該過程涉及大量函數(shù)計算，缺陷尺寸計算過程相當(dāng)復(fù)雜。吳章勤等[7]對氣動絕緣開關(guān)進(jìn)行X射線成像尺寸標(biāo)定，雖然檢測誤差較低，但需要大量特定參數(shù)，X射線實時成像效率低下。筆者則研究并制備了與材料同時成像的標(biāo)尺，通過合適的標(biāo)尺對比快捷直觀地獲得了缺陷的準(zhǔn)確尺寸，避免了繁瑣的計算，提高了工作效率。

1 試驗制備與過程

1.1 待檢產(chǎn)品及缺陷類型

待檢產(chǎn)品為低密粉末冶金材料(密度約1 g·cm-3)，常見缺陷為金屬點狀和絲狀物。

1.2 標(biāo)尺原理及選材依據(jù)

利用X射線實時成像獲得的圖片是實際缺陷的投影圖，并非缺陷的真實尺寸[8]。但具有精確尺寸孔徑、孔距的標(biāo)尺在實時成像過程中和產(chǎn)品一起被透射，發(fā)現(xiàn)缺陷后通過標(biāo)尺孔徑和孔距和成像缺陷尺寸進(jìn)行對比換算，就能準(zhǔn)確換算出缺陷的真實尺寸大小，這樣就簡化了實際評判過程，省略了復(fù)雜繁瑣的計算過程，提高了X射線實時成像的效率。

由于金屬鋁塑性好，原子序數(shù)低，易于被X射線穿過，所以選擇金屬鋁作為標(biāo)尺材料。但鋁密度(2.7 g·cm-3)比粉末材料的密度(約1 g·cm-3)大，穿透系數(shù)存在較大差異，為了達(dá)到相近的透射效果，筆者大幅減小了金屬鋁標(biāo)尺的厚度。選擇X射線透過直徑150 mm粉末材料圓柱體時的電流電壓為基準(zhǔn)參數(shù)，根據(jù)式(1)獲得衰減系數(shù)，再由式(2)獲得相應(yīng)的標(biāo)尺厚度。

式中:I0為入射射線強(qiáng)度；I為透射射線強(qiáng)度；T為物體厚度；μ為線衰減系數(shù)，cm-1。

式中：μ1為粉末產(chǎn)品的線衰減系數(shù)(cm-1);T1為粉末產(chǎn)品的厚度(cm)；μ2為鋁的線衰減系數(shù)(cm-1);T2為標(biāo)尺的厚度(cm)。

通過計算，直徑為150 mm的圓柱體產(chǎn)品的透照參數(shù)在透照1.2 mm厚鋁材時的清晰度及檢測靈敏度是符合要求的。

1.3 標(biāo)尺制備

標(biāo)尺采用磁力表架做支撐，按標(biāo)尺原理及選材制備鋁板標(biāo)尺，在銜接處套一個制備鋁板，鋁板厚度為1.2 mm。對不同產(chǎn)品的檢測，標(biāo)尺需做成不同的樣式，現(xiàn)以圓柱型產(chǎn)品為例，在與其頂部平行的上方，制配了一個長方形標(biāo)尺(見圖1)。

圖1 圓柱體型產(chǎn)品的標(biāo)尺示意

圖2 標(biāo)尺實物圖片

在厚度為1.2 mm的鋁板上依次打孔7個，如圖2所示，孔的直徑分別為0.5,0.8,1.0,1.5,2,3,5 mm，孔間距為3～7 mm?？追謩e打兩組，以便于在實時成像影像中觀察測量。不同大小的缺陷對應(yīng)相應(yīng)的孔徑尺寸和長度尺寸。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)尺位置與缺陷實際尺寸的相對誤差率

利用X射線實時成像得到的圖片是實物的投影圖像，缺陷的尺寸將會按不同比例放大;為了使實時成像透照后更加接近產(chǎn)品內(nèi)缺陷的實際尺寸，需要確定標(biāo)尺的放置位置，這對缺陷尺寸的準(zhǔn)確位置檢測至關(guān)重要。

為了比較不同位置缺陷尺寸檢測的準(zhǔn)確性，在圓柱產(chǎn)品中(見圖1)沿著與射線中軸線水平截面選擇3個不同位置，分別擺放在該截面與射線中軸線平行直徑的1/4，1/2，3/4的位置，其中以靠近射線源為1/4位置。在相同焦距、電流和電壓下，在標(biāo)尺不同的位置，獲得實時成像的相對誤差率(見表1)：

由表1可看出，標(biāo)尺放在產(chǎn)品中間(1/2)的位置時，橫向絲狀缺陷(10 mm)、縱向絲狀缺陷(10 mm)和點狀缺陷(φ1 mm)的相對誤差率分別為0.8%、0.9%和0.6%，誤差率相對于標(biāo)尺在其他位置時最低。因此，在產(chǎn)品X射線實時成像透照中，標(biāo)尺放置在粉末冶金產(chǎn)品中間位置是最佳的，其檢測準(zhǔn)確度高達(dá)99%以上。

表1 標(biāo)尺在不同位置的缺陷相對誤差率 %

2.2 試驗檢測效果

均勻強(qiáng)度的X射線束透照粉末冶金產(chǎn)品時，如果產(chǎn)品局部區(qū)域存在缺陷或者雜質(zhì)，這些缺陷或雜質(zhì)將改變物體對射線的衰減，使得透射射線強(qiáng)度變得不同[9]，在實時成像時表現(xiàn)為黑度不同，從而可判斷出雜質(zhì)或缺陷的尺寸大小。射線對缺陷的檢測能力，與缺陷在射線透照方向上尺寸、衰減系數(shù)的差別及散射線的控制等有關(guān)[10-11]，只要這些因素有所變化，X射線實時成像局部的對比度會隨之發(fā)生變化，從而檢測出雜質(zhì)和缺陷。根據(jù)以上結(jié)果與分析，在X射線實時成像檢測中，根據(jù)粉末冶金產(chǎn)品形狀的不同，選擇不同的標(biāo)尺，將標(biāo)尺置于粉末冶金產(chǎn)品的中間位置，推斷點狀和絲狀雜質(zhì)缺陷的尺寸，以下對兩種已知缺陷進(jìn)行實例檢測和分析。

圖3 點狀缺陷的檢測及評估示意

2.2.1 點狀缺陷檢測

圖3所示為點狀缺陷的檢測及評估示意，可以看出，在X射線實時成像后，標(biāo)尺和粉末冶金產(chǎn)品的襯度接近，可見標(biāo)尺選擇金屬鋁更直觀。從圖3(a)可看出,具有已知φ0.80 mm標(biāo)尺的孔徑，在實時成像軟件標(biāo)尺上測出直徑為1.49 mm(見右下角放大圖)；對于圖3(b)，測量出點缺陷的直徑是1.49 mm，按比例換算應(yīng)該為0.80 mm，而該點缺陷實際尺寸為0.795 mm，準(zhǔn)確度為99.3%。由此可以看出，該方法對粉末冶金產(chǎn)品中點狀缺陷的檢測具有極高的準(zhǔn)確性和直觀性。

2.2.2 絲狀缺陷檢測

圖4所示為絲狀缺陷的檢測及評估示意。檢測時，利用X射線實時成像旋轉(zhuǎn)平臺調(diào)整絲狀缺陷，使其投影為最大尺寸，將標(biāo)尺置于粉末冶金產(chǎn)品的中間位置，利用X射線實時成像自帶軟件測量缺陷和孔徑尺寸，根據(jù)已知孔距或孔徑尺寸按比例計算出絲狀缺陷的真實尺寸。從圖4(a)可看出，粉末冶金產(chǎn)品中具有絲狀缺陷，利用X射線實時成像自帶軟件測量出絲狀缺陷的長度為13.80 mm。將該標(biāo)定線段平移到標(biāo)尺圖像上進(jìn)行對照，發(fā)現(xiàn)與實際5 mm的孔距重合[圖4(b)]。所以可按照比例計算，得出絲狀缺陷的長度為5 mm，而實際上該絲狀缺陷的長度為5.03 mm，檢測準(zhǔn)確度高達(dá)99.4%。可見，利用該法對粉末冶金產(chǎn)品中絲狀缺陷的檢測也具有極高的準(zhǔn)確性。

圖4 絲狀缺陷的檢測及評估示意

3 結(jié)論

為對低密度粉末冶金產(chǎn)品中的缺陷進(jìn)行檢測，制作了與產(chǎn)品同時成像的標(biāo)尺，分析了標(biāo)尺位置與檢測相對誤差率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)標(biāo)尺垂直于與射線中軸線平行直徑的1/2位置(產(chǎn)品中間位置)時，檢測準(zhǔn)確度可達(dá)99%以上，能準(zhǔn)確測量粉末冶金產(chǎn)品中的點狀和絲狀缺陷，簡化了X射線實時成像無損檢測的評判過程，極大地提高了工作效率，具有較大的工程應(yīng)用價值。

[1] 劉衍，周友武，徐鸝，等.X射線數(shù)字成像技術(shù)在GIS檢測中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014(6):72-74.

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Measurement of Product Defects Based on the X Ray Real Time Imaging Detection

XI Qing, CHEN Hui, LI Qiang, DUAN Jian-guo, ZHAO Hai-yan

(Materials Institute of China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621907, China)

The defect size in low density powder metallurgical products can be detected by the technology of X ray real time imaging, however, the calculation process is more complicated. In this paper, the ruler for evaluating defect size was designed and investigated. The correlation of ruler position and detection accuracy was analyzed. The process of observing the powder product defect by the technology of X ray real time imaging was simplified, which would improve work efficiency and have important application value in engineering field.

X ray real time imaging; Defect; Measurement

2016-08-10

奚 清(1970-)，男，技師，主要從事無損檢測工作。

奚 清，E-mail:1768038607@qq.com。

10.11973/wsjc201702015

TG115.28;TB98

A

1000-6656(2017)02-0061-03