X射線數字成像技術在鑄鐵類汽車制動卡鉗檢測中的應用

杜向陽

（上海材料研究所，上海 200437）

X射線數字成像技術在鑄鐵類汽車制動卡鉗檢測中的應用

杜向陽

（上海材料研究所，上海 200437）

采用X射線數字成像技術，對鑄鐵類汽車制動卡鉗進行檢測，通過試驗論證了該技術在檢測鑄鐵類汽車制動卡鉗中切實可行，同時表明了X射線數字成像技術相對于常規膠片檢測的功能優勢和效率優勢。

制動卡鉗；球墨鑄鐵；X射線數字成像

汽車制動卡鉗主要用于汽車的減速和剎車，大多由耐磨性好，強度高的球墨鑄鐵制成。制動卡鉗屬于汽車零部件中的重要安全件，必須進行X射線質量檢測，據統計，一半以上的汽車硬件故障來源于制動系統。

目前，針對制動卡鉗的質量檢測，傳統的方法是采用X射線膠片檢測技術。該技術檢測效率較低，每件制動卡鉗的檢測時間約為90分鐘。同時，對于已經成像的底片，后續的優化分析方案較少，不利于進一步的圖像分析。此外，膠片及藥水在檢測過程中會帶來不可避免的化學污染。

近年來，X射線數字成像(Digital Radiography,DR)技術發展迅速。相比于X射線膠片技術，DR檢測技術檢測效率較高，同時，DR檢測技術的影像可以通過計算機顯示，不需要建造暗室和購買洗片耗材，節省檢測成本。影像分析過程中可以在不破壞原始數據的前提下，使用銳化、對比度調節等優化功能。DR檢測技術在形狀簡單的板材、管材中都有應用。文中，筆者以形狀較為復雜的——制動卡鉗作為試驗對象，研究X射線數字成像技術在鑄鐵類汽車制動卡鉗檢測中的應用。

1 DR檢測原理及檢測系統

1.1 工作原理

在X射線數字成像技術中，射線穿過被檢工件以后，由數字探測器接收。工業較為通用的數字探測器一般由保護層、光學反射板、閃爍體、非晶硅陣列以及電荷傳輸模塊組成。X射線與閃爍體相互作用，產生可見光；可見光照射非晶硅陣列，光電轉化產生電荷，由此完成了射線從光子到數字的轉變，計算機讀出電荷，形成數字圖像，如圖1所示。檢測人員可以根據實際需求對得到的結果進行后期優化。在醫療領域中，還有一種非晶硒結構的數字探測器，由于沒有可見光產生這一環節，屬于真正的直接成像，不過，這種探測器價格昂貴，在工業中應用極少。

圖1 X射線數字成像技術原理

1.2 系統組成

X射線數字成像檢測系統由X射線機、數字探測器、計算機處理軟件及相關傳輸裝置組成。如圖2所示。此外，有些系統也會集成一些自動或半自動裝置。試驗中，使用的X射線機額定功率1500W、額定電壓300kV、焦點尺寸2．0mm，面陣列數字探測器有效成像尺寸400×400mm、像素尺寸200μm，A/D轉換位數14位、動態范圍10000：1、無線傳輸，計算機采集和處理軟件為Rhythm RT和Rhythm Review。

圖2 X射線數字成像檢測系統

2 試驗對象

制動卡鉗的澆鑄尺寸為150mm×130mm×90mm，透照厚度在10～25mm之間。材質為球墨鑄鐵QT550，在鋼模鑄造過程中易產生的典型缺陷為縮松、縮孔以及氣孔等。如圖3所示，根據抗拉強度、伸長率、載荷、應力集中等設計要求，制動卡鉗的不同區域所能允許的鑄造缺欠尺寸有一定的差異。制動卡鉗共分為3個區域，分別為液壓區、關鍵區和非關鍵區。評定時，以500mm2為評定區域，液壓區不允許存在缺欠，關鍵區不允許存在超過5mm2的缺欠，非關鍵區不允許存在超過15mm2的缺欠。由于檢測設備的靈敏度都具有限性，故液壓區要求不允許存在缺欠，在實際中可理解為評定圖像時沒有目視可發現的缺欠。

圖3 鑄鐵類制動卡鉗

3 試驗工藝及分析

在進行射線檢測之前，先進行目視檢測，以便去除試樣表面的可視缺陷，如毛刺等。制動卡鉗的檢測工藝參數應使最終的X射線數字圖像有效可用。評價圖像質量最主要的參數有兩個：圖像分辨率和圖像靈敏度，圖像分辨率表征了檢測系統所能分辨的被檢工件圖像中單位長度上兩個相鄰細節間最小距離的能力，圖像靈敏度則表征了檢測系統所能發現的被檢工件圖像中最小的細節能力。這兩個參數通過可識別的雙線型像質計絲號和線型像質計絲號來體現。所涉及的主要工藝要素包括：管電壓、曝光量、放大倍數、灰度值、歸一化信噪比、軟件處理方式等。綜合射線機和探測器的儀器參數，本次試驗的放大倍數為1，即透照時，制動卡鉗應緊貼探測器。在測試與試驗前，應對數字射線系統進行校正，以優化圖像質量。

3.1 圖像分辨率

鑒于制動卡鉗的形狀復雜，不易放置雙線型像質計，因此根據制動卡鉗的厚度范圍，選取10mm和25mm的對比試件來進行圖像分辨率測試，雙線型像質計的可識別的絲號應不低于D7，對應的絲徑為0．2mm。將對比試件平放在陣列探測器的中心位置，雙線型像質計緊貼對比試件，使其寬度方向上與陣列探測器成2～5°的夾角，調節透照參數，10mm和25mm的線對調制度計算結果如圖4所示，最小可識別線對為D7。

圖4 線對調制度計算結果

3.2 圖像靈敏度

試驗時，將線型像質計直接放于制動卡鉗透照區域表面，形成圖像后，對像質計進行識別。根據制動卡鉗的厚度范圍，為保證合適的圖像靈敏度，依照常規膠片的靈敏度要求，透照厚度在10～15mm時，線型像質計的可識別的絲徑不大于0．25mm；透照厚度在15～25mm時，線型像質計的可識別的絲徑不大于0．32mm。

3.3 試驗分析

制動卡鉗的形狀復雜，厚度差大。一次透照不能覆蓋所有的檢測區域，故采用多次、分區域透照。選擇合適的參數，以確保成像效果。如表1所示，液壓區透照3次，關鍵區透照3次，非關鍵區透照2次，共計8次。

經過DR系統的數字接收和處理，得到圖5～12所示的結果。

圖5～7為液壓區的透照結果，根據圖5所顯示的線型像質計圖像，可以識別出0．25mm的絲徑，圖6～7所顯示的線型像質計圖像，可以識別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調節銳度和對比度，未發現缺欠。

表1 透照工藝

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13

圖14

圖8 ～10為關鍵區的透照結果，根據所顯示的線型像質計圖像，可以識別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調節銳度和對比度，未發現缺欠。

圖11～12為非關鍵區的透照結果，根據所顯示的線型像質計圖像，可以識別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調節銳度和對比度，圖11未發現缺欠。圖12的橋部透照區域發現縮松，分析其產生的原因：球墨鑄鐵散熱慢，糊狀凝固方式（收縮容積是恒定的）使鑄件易產生更強的外壁膨脹趨勢，故而形成內部縮松。優化區域灰度，對圖像進行局部分析，如圖13所示，縮松最大長度為7mm，與其正交的最大寬度為5mm，面積為35mm2。根據評定標準，超過15mm2，該縮松為超標缺陷，予以判廢。圖像采集過程中，為增加鑄件圖像的信噪比，在采集圖像過程中，通過10～15幅的圖像疊加來降低電子噪聲，優化圖像質量。探測器的殘影會干擾后續的透照試驗，為避免這一影響，在第二次透照時，須舍棄首幅圖像。

關于散亂射線的輻射，如圖14所示。透照前，可在制動卡鉗的對應區域周圍，添加高密度填充材料，如鉛板、鉛丸以及鉛泥等。有些DR系統配備有軟件的過濾和修正功能，為了達到更好的效果，也會添加輪廓識別與補償功能。

DR技術檢測制動卡鉗所需的時間可以控制在40分鐘以內，效率提高1倍以上。DR檢測的透照電壓和電流與常規膠片差別不大，但是在曝光時間（采集時間）上，得益于DR探測器中閃爍體和非晶硅陣列的高敏感性和高速轉換特性，采集時間可在幾十秒內全部完成，并形成圖像。同時，省去了常規膠片檢測繁瑣的洗片流程，極大地提高了檢測效率。

4 結語

（1）X射線數字成像技術是檢測球墨鑄鐵件-汽車制動卡鉗內部縮松的一種可行方法。

（2）針對球墨鑄鐵制動卡鉗，通過X射線數字成像得到的圖像，靈敏度滿足常規膠片所規定的要求。

（3）X射線數字成像的后期圖像增強技術，可以明顯提高內部縮松可識別程度。

（4）X射線數字成像技術檢測效率高，耗材使用少，操作難度小，非常適用于大批量的鑄鐵類汽車制動卡鉗檢測。

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