基于DR數(shù)字射線成像技術(shù)的鋁合金焊縫缺陷檢測

胡文剛，陸云鵬，郭世雄，曾立鑫，白冰

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 前言

航天運載器是人類開展深空探測和建設(shè)空間站等任務(wù)的交通工具，其性能和可靠性是完成太空探索的必要保證[1]。鋁合金因其具有重量輕、強度大、塑性好、耐腐蝕性好等特點，是宇航工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金焊接結(jié)構(gòu)在航天制造領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，但鋁合金較活潑、表面易氧化、線膨脹系數(shù)大[2]，熔焊過程易產(chǎn)生氣孔、夾鎢、裂紋等缺陷，攪拌摩擦焊過程易產(chǎn)生隧道孔、高密夾雜、未焊透等缺陷，這些缺陷如果未被有效識別，可能會造成產(chǎn)品報廢，甚至導(dǎo)致航天器飛行失敗。射線檢測是焊縫內(nèi)部缺陷檢測的主要手段[3-7]，主要采用傳統(tǒng)膠片透照方式，但該技術(shù)存在過程復(fù)雜、勞動強度大、效率低、環(huán)境污染、底片保存困難等問題[8-10]，正逐漸被數(shù)字射線技術(shù)所替代。數(shù)字射線檢測因其具有實時成像、數(shù)字存儲、遠(yuǎn)程評片等優(yōu)點，是射線檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢[11]。但目前國內(nèi)工程應(yīng)用的經(jīng)驗不多，尚處于研究階段，主要受限于國內(nèi)尚無成熟的數(shù)字射線檢測標(biāo)準(zhǔn)，尤其對于數(shù)字射線檢測和傳統(tǒng)膠片檢測結(jié)果的等價性評價尚未被充分認(rèn)可。

該文研究了數(shù)字射線檢測工藝方法，并通過DR和膠片射線檢測(RT-F)方法比對，驗證DR焊縫檢測的可靠性。

1 數(shù)字射線檢測基礎(chǔ)

數(shù)字射線檢測技術(shù)泛指可獲得數(shù)字化圖像的全部射線檢測技術(shù)，主要分為3種：直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)、間接數(shù)字化射線檢測技術(shù)、后數(shù)字化射線檢測技術(shù)[12]。DR屬于直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)，采用分立輻射探測器(DR成像板)代替膠片，完成對射線的探測和光電轉(zhuǎn)換，并檢測出被檢材料完好部分與缺陷處的射線強度變化，同時完成圖像數(shù)字化，直接獲得數(shù)字檢測圖像，進(jìn)而判定材料內(nèi)部是否存在缺陷。DR數(shù)字射線檢測和常規(guī)膠片射線檢測獲得圖像過程對比示意圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)字射線檢測過程示意

由于探測器與膠片物理機理存在差異，因此在圖像成像質(zhì)量的影響因素上也體現(xiàn)出不同的指標(biāo)，見表1。數(shù)字射線圖像對比度和膠片透照一樣，反映圖像識別厚度差的能力。通常采用線型像質(zhì)計靈敏度評價，對比度越大，細(xì)小特征越容易被檢測出。不同的是數(shù)字射線檢測時，還需要采用雙線型像質(zhì)計評價圖像空間分辨率，用來表明探測器所能分辨的檢測工件數(shù)字圖像中單位長度上兩個相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的能力。

表1 數(shù)字(膠片)射線檢測圖像質(zhì)量控制參數(shù)

分辨率越高，系統(tǒng)識別的圖像細(xì)節(jié)越清晰。對比度和分辨率成反比關(guān)系，檢測時兩者要均衡考慮。

2 試驗方法

2.1 檢測設(shè)備

數(shù)字射線檢測系統(tǒng)一般由X射線機、數(shù)字探測器陣列、計算機系統(tǒng)、檢測軟件系統(tǒng)、檢測工裝、安全機構(gòu)等組成。其中X射線機的焦點尺寸和數(shù)字探測器的像素尺寸直接影響檢測圖像質(zhì)量。為開展數(shù)字射線檢測試驗，該文采用的射線機焦點尺寸為2 mm，數(shù)字探測器像素尺寸為139 μm，檢測系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 數(shù)字射線檢測系統(tǒng)

2.2 試件制備

運載火箭貯箱產(chǎn)品大量采用鋁合金熔焊和攪拌摩擦焊2種焊接方法，其中熔焊縫常見缺陷為氣孔、夾雜、裂紋，攪拌摩擦焊縫典型缺陷為孔洞、夾雜、未焊透。為此，分別制備2種鋁合金焊接試板，并預(yù)置氣孔、夾雜、裂紋、孔洞、未焊透等主要缺陷，開展缺陷檢測試驗，如圖3所示。

圖3 鋁合金焊接試板

2.3 試驗過程

采用ISO 19232-5/EN-462-5雙線型像質(zhì)計，對試驗選用的數(shù)字射線檢測系統(tǒng)進(jìn)行空間分辨率測試，如圖4所示。測試時將雙線型像質(zhì)計緊貼在數(shù)字探測器表面中心區(qū)域放置，且保證像質(zhì)計的金屬絲應(yīng)與探測器的行或列成 2°～5°夾角，射線源至探測器表面的距離為1 m，透照電壓90 kV，采集檢測數(shù)字圖像，觀察圖像中可識別的線對來測定系統(tǒng)最小分辨率。

圖4 雙線型像質(zhì)計

開展數(shù)字射線檢測靈敏度試驗。針對影響數(shù)字射線檢測靈敏度的管電壓、管電流、曝光時間、放大倍數(shù)、透照厚度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，設(shè)計正交試驗，選取不同的參數(shù)對試板進(jìn)行檢測試驗，分析工藝參數(shù)對檢測圖像靈敏度的影響，得出適合鋁合金焊縫DR數(shù)字射線的檢測工藝參數(shù)，并驗證圖像靈敏度與GJB 1187A像質(zhì)要求規(guī)定的符合性。

開展典型缺陷的數(shù)字射線檢測和常規(guī)膠片透照比對試驗。通過對典型缺陷圖像中缺陷性質(zhì)、缺陷尺寸進(jìn)行分析比對研究，分析數(shù)字射線檢測的缺陷檢出能力，驗證數(shù)字射線檢測結(jié)果的可靠性。

3 試驗結(jié)果

3.1 系統(tǒng)空間分辨率

雙線型像質(zhì)計檢測圖像如圖5所示，通過圖像可以看出，至少能識別8D絲，8D絲對的絲徑為0.16 mm。計算得此時分辨率為3.6 p/mm，即1 mm寬度內(nèi)能分辨清楚的線對數(shù)為3.6個，滿足焊縫檢測要求。

圖5 系統(tǒng)空間分辨率檢測結(jié)果

3.2 圖像靈敏度

管電壓：指在射線透照時所使用的kV值，其代表射線穿透物體的能力。數(shù)字射線具有較大的寬容度，試驗表明，管電壓在65～90 kV時，透照厚度8 mm的鋁合金焊縫不但檢測靈敏度滿足要求，而且圖像對比度、清晰度、寬容度均能達(dá)到要求，如圖6所示。實際檢測時，在保證穿透厚度前提下，應(yīng)盡量選擇較低電壓，當(dāng)檢測不等厚度工件時可適當(dāng)提高電壓。

圖6 管電壓對圖像質(zhì)量的影響

管電流：指在射線透照時所使用的mA值，管電流和曝光時間的乘積為曝光量，其代表射線穿透物體的能量大小。當(dāng)管電流過低時，會出現(xiàn)曝光不足，圖像噪聲嚴(yán)重，檢測工件的細(xì)節(jié)和缺陷淹沒在噪聲中。增大管電流可以提高圖像的信噪比，但管電流過大又會導(dǎo)致曝光過度，通常根據(jù)透照厚度不同選取3～5 mA電流即可，如圖7所示。通常在滿足圖像質(zhì)量、檢測速度要求的前提下，應(yīng)盡量選擇較低的電流。

圖7 管電流對圖像質(zhì)量的影響

曝光時間：既反映了數(shù)字圖像的采集時間，直接決定著檢測效率，又反映了數(shù)字圖像的采集幀數(shù)，多幀圖像的疊加有利于數(shù)字圖像降噪，決定著圖像質(zhì)量。實際檢測時，隨著曝光時間增加，采集幀數(shù)增加，圖像質(zhì)量不斷優(yōu)化，換來的是檢測周期變長，因此，確定曝光時間應(yīng)綜合考慮圖像質(zhì)量與生產(chǎn)周期的影響，在保證圖像質(zhì)量的前提下兼顧檢測速度。如圖8所示，經(jīng)綜合考慮確定20 s為最佳曝光時間。

圖8 曝光時間對圖像質(zhì)量的影響

放大倍數(shù)：對于數(shù)字射線檢測技術(shù)，當(dāng)射線源焦點尺寸小于探測器固有不清晰度時，可以采用放大透照方式以獲得最高的空間分辨率，放大倍數(shù)定義為：

(1)

式中：M為幾何放大倍數(shù)；F為射線源至探測器的距離；f為射線源至物體距離。因此理論上，對于給定的探測器，應(yīng)存在最佳放大倍數(shù)，可使檢測圖像獲得最高的空間分辨率，最佳放大倍數(shù)定義為：

(2)

式中：M0為最佳放大倍數(shù)；UD為探測器固有不清晰度；φ為焦點尺寸?？梢姡瑢τ诮o定的探測器，只有采用焦點尺寸較小的射線源，才能選用較大的放大倍數(shù)透照，若射線源焦點尺寸較大，只能采用放大倍數(shù)近似為1.0的透照布置。因此，數(shù)字射線檢測可結(jié)合微焦點射線源獲得較高的空間分辨率。表2列出了139 μm探測器和2 mm焦點射線源檢測時的放大倍數(shù)與圖像分辨率關(guān)系的測定結(jié)果。

表2 放大倍數(shù)與圖像空間分辨率

從表2中可以看出，該文試驗選用的檢測設(shè)備應(yīng)采用放大倍數(shù)近似1.0的透照方式，可獲得最高的空間分辨率，如圖9所示。

圖9 曝光時間對圖像質(zhì)量的影響

綜上分析，通過觀察檢測圖像中的像質(zhì)指數(shù)及圖像黑度等綜合評斷，采用表3所示參數(shù)時，能夠得到較優(yōu)的靈敏度。

表3 數(shù)字射線檢測參數(shù)

綜上所述，選用推薦參數(shù)(2號)透照8 mm試板，獲得的檢測圖像如圖10所示，檢測圖像靈敏度像質(zhì)指數(shù)15(0.125 mm線徑)，圖像空間分辨率雙絲像質(zhì)計可達(dá)到8D。按照GJB 1187A—2001《射線檢驗》標(biāo)準(zhǔn)，A級檢測技術(shù)要求像質(zhì)指數(shù)13(0.20 mm線徑)，可見檢測靈敏度優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 數(shù)字射線檢測圖像

3.3 缺陷檢測試驗

按表2、表3推薦的透照方式和檢測參數(shù)，分別對鋁合金熔焊試板和攪拌摩擦焊試板進(jìn)行數(shù)字射線檢測(DR)和常規(guī)膠片透照(RT-F)試驗，獲得典型缺陷檢測圖像，如圖11和圖12所示。通過典型缺陷檢測圖像對比可見，DR數(shù)字射線檢測法與常規(guī)膠片透照檢測法在顯示缺陷的尺寸、分布、基本形貌和缺陷性質(zhì)方面是完全一致的。缺陷尺寸對比統(tǒng)計見表4和表5，38處缺陷數(shù)字射線圖像中缺陷測量值與膠片透照底片測量值平均誤差為1.65%，最大誤差在5%以下。綜上所述，DR數(shù)字射線具有較好的厚度寬容度，當(dāng)圖像分辨率達(dá)不到要求時，可通過增加曝光量來提高圖像靈敏度，以補償由于不清晰度達(dá)不到要求而引起的對比度靈敏度降低，只要控制好DR數(shù)字射線的對比度和分辨率，即可獲得和膠片透照一致的檢測結(jié)果，滿足工程化應(yīng)用要求。

圖11 熔焊DR(左)與RT-F(右)缺陷圖像對比

圖12 攪拌摩擦焊DR(左)與RT-F(右)缺陷圖像對比

表4 熔焊焊縫缺陷尺寸(直徑和長度)對比 mm

表5 攪拌摩擦焊焊縫缺陷尺寸(長度)對比表 mm

4 結(jié)論

(1)分析了管電壓、管電流、曝光時間、放大倍數(shù)等影響數(shù)字射線檢測靈敏度的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并通過DR數(shù)字射線檢測工藝試驗，獲得鋁合金焊縫DR數(shù)字射線檢測推薦工藝參數(shù)，其檢測靈敏度滿足GJB 1187A標(biāo)準(zhǔn)A級要求。

(2)對比了鋁合金熔焊和攪拌摩擦焊典型缺陷的數(shù)字射線圖像和射線底片圖像，缺陷的位置分布、形貌特征、種類性質(zhì)是完全一致的，缺陷尺寸測量值最大誤差小于5%?？梢?，DR數(shù)字射線的缺陷檢出能力與膠片透照是一致的，結(jié)果可靠。