顯微CT檢測技術在復雜結構焊縫無損檢測中的應用

康 平 高 雅 袁生平 馬兆慶

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 針對復雜結構焊縫的檢測問題，開展了三維顯微CT 檢測技術研究。分析了復雜結構焊縫的常規射線檢測難點，利用三維顯微CT 檢測技術焦點尺寸?。ㄎ⒚准墸?、檢測分辨率高等優勢，對復雜結構電子束對接焊縫、端面焊縫以及釬焊縫進行了檢測，得到了良好的檢測效果。實驗結果表明，通過三維顯微CT 檢測技術可實現復雜結構焊縫的三維檢測，進而實現對微氣孔、微裂紋、未焊透等缺陷的識別、定位與測量，為焊縫質量評估提供依據。

0 引言

焊接結構是航天產品的主要結構形式，如火箭、飛船、衛星、航天飛機等，在地面、大氣層及空間不同環境中工作，要求高密封性和高可靠性。焊縫易出現氣孔、夾雜、未焊透、裂紋等缺陷［1］，采用常規的超聲、射線照相法檢測［2］，對于內部結構復雜的焊縫，傳統的射線檢測方法無法識別，只能依靠工藝和產品在后續的性能測試加以保證，無法進行無損檢測。對于采用電子束焊接等工藝的精密工件，其設計要求高、材料特殊、結構復雜，需要從微觀角度評判焊縫的焊接質量。三維顯微CT 檢測系統具有焦點尺寸?。ㄎ⒚准墸z測分辨率高等優點，能夠實現焊縫的三維成像，檢測出焊縫中的微小氣孔和微裂紋，并準確地測定其幾何尺寸，給出其在工件中的位置，同時能夠準確測量焊縫熔深，實現對復雜結構焊縫的無損檢測與評估［3］。

本文基于225 kV 三維顯微CT 設備及相應的成像技術對復雜結構焊縫實現了三維重構、缺陷識別、缺陷提取、尺寸測量等分析，解決了以往X 射線無法檢測的難題。

國外的三維顯微CT 技術發展較早，德國、美國、法國等都有較成熟的基礎理論和較先進的設備。常規CT 僅能達到毫米級，不能滿足高分辨顯微的使用要求。在20世紀80年代初期，美國最早研制出三維顯微CT。隨著同步輻射源的產生，德國、美國等國家的材料學領域科學家，開始通過高亮度、高強度的X射線源進行CT成像，得到了微米級的分辨率。

1998年，國內學者開始關注顯微CT 的研究，陳昌維等很預測了顯微CT 的技術及其趨勢。2002年，國家及部委有關基金就已資助成像領域的相關研究。國內的微焦點CT 技術在20 多年來獲得很大的改進，其主要發展方向可概述為高對比度、超高分辨、快速實時和多模態成像幾個方面。近幾年國內顯微CT技術的快速發展，顯微CT技術已廣泛應用于醫學、藥學、工業、農業、材料學等領域。分辨率覆蓋了微米到納米量級，能無損再現各種結構和材料的內部結構，在工業檢測和材料性能評價方面都得到了越來越多的應用。

1 三維顯微CT成像系統

三維顯微CT 根據物體外部獲取的某種物理量的測量值，去重建物體內某一特定斷面上的某種物理量的無重迭二維圖像，采用依次相繼獲取的一系列斷面圖去重構物體內部三維結構［2］。三維顯微CT檢測系統采用X 射線成像原理及數千到上萬個面陣探測器進行高分辨率三維成像設備，能無損地獲取樣品內部三維結構信息，從而顯示各部分的三維圖像［4-6］。

2 三維顯微CT技術在復雜結構焊縫檢測中的應用

2.1 檢測設備

對復雜結構焊縫分析過程中采用基于225 kV 微焦點X射線機和面陣列探測器的微焦點X射線CT檢測系統，可實現X 射線DR 數字化成像、CT 三維錐束成像、三維可視化等功能。其中X 射線束使用微焦點球管，焦點尺寸5 μm，最大電壓為225 kV，該系統缺陷及細節特征的檢測能力可達到5 μm，并提供各種缺陷的三維分布檢測圖像。本文通過myVGL2.1軟件對焊縫三維顯微CT圖像進行處理。

2.2 三維顯微CT掃描

首先對產品進行DR 掃描，確定焊縫位置，根據焊縫DR 圖像確定三維掃描的焊縫的區域，對得到的該焊縫區域的三維數據信息進行重建，可得到任意截面的CT 圖像。本文的三次試驗掃描參數如下:射線源焦點大小為5 μm，，射線源管電壓為225 kV，管電流為3 mA。

3 結果及分析

3.1 鈦合金對接焊縫檢測

圖1為航天用某產品焊縫結構示意圖，焊縫結構為帶鎖底的對接焊縫，焊接方式為電子束焊接環縫，距焊縫表面1 mm 有一處加工凹槽，用以減少應力。該焊縫滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級焊縫的要求為:不允許存在裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，允許存在的氣孔最大為0.33 mm，焊縫熔深要求至少為1 mm。由于該產品內部存在多處高密度結構，使得焊縫無法在底片上有效成像，因此，通過常規X 射線無法實現對該焊縫的無損檢測。

圖2為該焊縫三維顯微CT 檢測圖像，（b）圖為焊縫三維重構圖，其余三幅為焊縫三個方向層析圖像。

圖1 電子束焊縫結構示意圖Fig.1 Schematic of electron beam weld structure

圖2 三維顯微CT檢測電子束焊縫圖像Fig.2 3D micro CT images of electron beam weld

圖3 測量焊縫熔深顯微CT圖像Fig.3 Micro CT image of the weld penetration measurement

圖3可以看出，該焊縫根部均達到凹槽位置，測量焊縫熔深值為1.9 mm，焊縫內部不存在未焊透缺陷，焊縫內部存在一處氣孔（圖4），測量其尺寸為0.30 mm，滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級焊縫的要求。

結果表明:通過三維顯微CT 技術可不受焊縫結構限制，對焊縫內部的未焊透、微氣孔等缺陷進行識別與測量，為該批產品焊接質量評判提供有力依據。

圖4 氣孔缺陷顯微CT圖像Fig.4 Micro CT image of hole defect

3.2 鋁合金端面焊縫檢測

圖5為航天用某鋁合金腔體結構的模擬件，焊接材料2A14，焊接接頭結構為2 mm 對接鎖底，采用電子束焊接環縫。該焊接材料容易開裂，因此對該端面焊縫的質量評判至關重要，該焊縫內部不允許存在裂紋、未焊透等缺陷，但由于該腔體結構復雜，常規X射線檢測方法不適用于該端面焊縫的檢測。

圖5 鋁合金腔體結構模擬件Fig.5 Simulator specimen of aluminum alloy cavity

圖6為該端面焊縫的三維顯微CT 檢測圖像，從左圖可看出，焊縫內部存在未焊透缺陷，測量該位置焊縫熔深為1.03 mm（右圖），不滿足焊縫熔深要求（2 mm），未發現氣孔、裂紋等缺陷。結果表明:利用三維顯微CT 技術，可以不受該焊縫結構限制，對該模擬件的端面焊縫中存在的未焊透缺陷進行識別與測量，本實驗為后續該產品的腔體結構的端面焊縫質量評判奠定了基礎。

圖6 端面焊縫顯微CT圖像Fig.6 Micro CT images of edge weld

3.3 鈦-鈦合金釬焊縫檢測

航天精密、微型復雜零件多采用鈦及鈦合金釬焊方法，釬焊縫容易出現釬焊未填滿、釬縫成形不良、氣孔、夾渣、表面侵蝕等缺陷，釬縫的質量直接影響到產品的質量。釬焊縫結合面屬于面積型焊縫，常規射線檢測無法實現，采用三維顯微CT 進行檢測，得到的三維圖像（圖7）能直觀準確地反映缺陷的位置和形狀，進而評價釬焊縫的質量。

從圖7（a）可發現端面焊縫存在裂紋、孔洞等缺陷，從圖7（b）可看到多處明顯的氣孔和與（a）圖相對應的貫穿性裂紋，測量裂紋長度為3.56 mm，裂紋開口寬度為0.13 mm，氣孔最小約為0.09 mm，黑度最大的孔洞寬度為0.31 mm。實驗結果表明:通過三維顯微CT 檢測技術，可以實現對釬縫內部微裂紋、微氣孔的識別、定位與測量。

4 結論

三維顯微CT 檢測技術可不受焊縫形狀結構限制實現焊縫的三維成像，進而對焊縫內部的缺陷進行識別、定位與測量，進一步對焊縫質量進行評估；且焦點尺寸小，分辨率高，能夠實現微氣孔、微裂紋以及未焊透等缺陷的檢測，并對其尺寸進行測量，測量精度可達到亞微米級。

三維顯微CT 檢測技術在復雜結構焊縫的檢測方面具有廣闊的應用前景，未來發展潛力巨大，該方法有望推廣到更多的產品檢測應用中。