復雜形狀鑄鋼件的數字射線成像檢測工藝

朱貴鋒，張 揚2，李 帥，王 琰，焦鐘斌，孟全勝

(1.中國兵器工業第五二研究所煙臺分所有限責任公司，煙臺 264003;2.鐵科縱橫(天津)科技發展有限公司，天津 301800)

采用超聲波檢測鑄鋼件時:對于輪廓復雜和指向性不好的斷開性缺陷,其反射波形復雜，晶界反射、組織結構、多孔性及分散析出物等同樣妨礙超聲波的識別，需要檢測人員具有豐富的檢測經驗；對于形狀復雜的鑄鋼件，拐角以及超聲波探頭無法檢測的位置也存在漏檢現象。在沒有特定要求的情況下，鑄造廠家一般采用射線檢測法檢測鑄造質量，其中常規射線膠片照相法是最常用的檢測方法，但仍存在檢測效率低、檢測成本較高、勞動強度大、底片難以長期保存等缺點。常規X射線膠片照相法的厚度寬容度小，對于工件上的不同透照厚度需要選擇不同的曝光參數，即使采用雙膠片法，對于不同厚度的過渡區也容易發生漏檢。數字射線成像法的動態檢測范圍大、寬容度好，可較好地解決上述問題。

基于平板探測器的數字射線檢測技術是數字射線成像的發展趨勢之一[1-4]。隨著平板探測器檢測能力的提高，數字射線圖像靈敏度、分辨力等指標逐步接近膠片照相法的，該方法不僅可以降低工作強度、提高檢測效率，而且數字圖像可以長期保存且調用方便，但目前缺乏鑄鋼件數字射線成像檢測的標準。張俊哲等[5]采用數字射線成像技術實現了變截面鑄鋼件的檢測。彭明峰等[6]將數字射線檢測技術應用于鈦合金筒形鑄件檢測中，并取得較好效果。王立豐等[7]運用自動化數字射線檢測技術，通過和傳統膠片檢測方法對比，確定了航空精鑄聯體導向葉片的數字射線檢測工藝，實現了多聯體導向葉片自動化全方位的檢測。筆者通過數字射線成像檢測和常規射線膠片檢測的對比試驗，驗證了數字射線成像檢測系統對復雜形狀鑄鋼件的檢測能力和可靠性，從而確定了其數字射線成像檢測工藝。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

數字射線成像檢測系統包括X射線源、平板陣列探測器、數字圖像采集與處理系統等。其基本工作流程為：平板探測器將接收到的X射線光子信號轉換為電信號，傳輸該電信號至數字圖像采集與處理系統形成數字圖像，通過圖像處理技術改進圖像質量。試驗采用YXLON/200D型射線機，其最大管電壓為200 kV,管電流為0.5 mA6.0 mA,且連續可調，焦點直徑為1.0 mm；探測器為VAREX/XRpad2 4336型非晶硅平板探測器，有效成像面積為320 mm×410 mm(長×寬)，像素大小(長×寬)為100 mm×100 mm,極限分辨率為5 lp·mm-1。常規射線膠片法檢測采用丹東XXG3505X型射線機，其最大管電壓為350 kV,管電流為5 mA,焦點尺寸(長×寬)為2 mm×2 mm,采用AGFA C7型膠片。

1.2 試樣分析

選取的試樣外觀如圖1所示。試樣最大高度為380 mm，最大長度為340 mm,最大寬度為250 mm，壁厚為11～28 mm。

1.3 檢測工藝確定

由于試樣壁厚變化較大，常規射線膠片檢測厚度的寬容度較小，所以需要在不同壁厚部位分別進行透照，按照GB/T 5677-2018 《鑄件 射線照相檢測》標準A級技術等級制定檢測工藝，透照布置示意如圖2所示，工藝參數如表1所示。為了確定檢測工藝的可行性，數字射線成像檢測的靈敏度要求同樣按照GB/T 5677-2018標準A級技術等級制定，圖像分辨率及歸一化信噪比等指標的要求按照GB/T 35388-2017 《無損檢測 X射線數字成像檢測 檢測方法》標準A級技術等級確定。X射線數字成像法透照時采取射線源在上方，平板探測器在下方的方式，探測器與射線源之間為樣品平臺，平臺距探測器20 mm。為防止散射線對圖像對比度的影響，在射線機窗口前安裝2 mm厚的T2紫銅濾板，透照時用鉛質材料將試樣非檢測部位及平板探測器檢測不到的區域進行屏蔽。將試樣分為4個檢測區域，透照布置方法如圖3所示，每個區域的檢測部位如圖3虛線所示，其中為了防止圓筒位置有缺陷漏檢，需要相互垂直透照兩次(圖3中位置1和位置4)，透照位置2及位置3時，試樣需傾斜一定角度，防止遮擋。數字射線成像檢測工藝參數如表2所示。

圖1 試樣外觀

圖2 X射線膠片檢測透照布置示意

表1 常規射線膠片檢測工藝參數

表2 數字射線成像檢測工藝參數

圖3 X射線數字成像檢測透照布置方式

2 試驗結果與分析

2.1 檢測靈敏度對比分析

將射線膠片法與數字射線成像法的檢測靈敏度進行對比，結果如表3所示。從表3可以看出，數字射線成像檢測靈敏度基本與射線膠片法檢測靈敏度相同，均能滿足GB/T 5677-2018標準A級技術規定的靈敏度要求。數字射線成像檢測的圖像參數如表4所示，圖像分辨率及信噪比等指標均能滿足GB/T 35388-2017標準A級技術等級要求。

表3 膠片法與數字射線成像法檢測靈敏度對比

表4 數字射線成像檢測圖像參數

2.2 檢測效率對比分析

采用常規射線膠片法檢測時，曝光時間需要30.5 min,并且射線機休息冷卻時間需要與曝光時間相同，再加上裁片、裝片、布片、洗片等時間，檢測一件該試樣至少需要90 min。采用數字射線成像法檢測時，檢測一件該試樣大約只需要15 min，檢測效率明顯高于膠片法的。數字射線成像法檢測效率高于膠片法的主要原因有以下幾點:① 常規膠片法的厚度寬容度小于數字射線成像法的，以該試驗采用的儀器為例，當管電壓為180 kV時，膠片法的厚度寬容度只有6 mm左右(黑度為2.0，4.0)，所以針對不同壁厚部位需要分別透照，共分為13個透照區域，共需進行9次曝光，而數字射線成像法的厚度寬容度可達20 mm以上(曝光時間為1 s,信噪比大于70)，所以只需將試樣分為4個透照區域，進行4次曝光即可；② 采用膠片法時，雖然某些部位滿足厚度寬容度的要求，但是受試樣幾何結構及膠片尺寸等的限制，從保證底片質量及節約成本角度考慮，也需要分別進行透照；③ 數字射線成像法單次曝光時間短，試驗中數字射線成像單次曝光時間為32 s，而采用膠片法的單次曝光時間至少需要3 min(管電流為5 mA),否則無法滿足標準對曝光量的要求(A級技術，焦距為700 mm,推薦曝光量不小于15 mA·min)。同時，數字射線成像法無需膠片和化學藥液、無化學廢物等，檢測成本大大降低。

2.3 檢測結果對比分析

試驗時，平板探測器有效成像面積大于檢測部位面積,且試樣幾何結構復雜、厚度差較大，均可導致“邊蝕效應”，影響圖像質量，甚至造成缺陷漏檢。圖4為透照圖3中位置2時，試樣非檢測部位及平板探測器檢測不到的區域采取和未采取屏蔽措施的圖像對比。圖4(a)為未采取屏蔽措施時得到的圖像，可見邊蝕現象非常嚴重，圖像對比度低，缺陷隱約可見，且與圖4(b)相比漏檢了一處缺陷。圖4(b)為采取有效屏蔽措施時得到的圖像，圖像對比度高，缺陷清晰可見。

圖4 數字射線成像時采取和未采取屏蔽措施的圖像對比

圖5 數字射線成像和膠片檢測結果對比

將膠片法的底片與射線數字圖像進行對比，如圖5所示，圖5(a)，5(b)分別為膠片法和數字射線成像法透照圖3中位置2的檢測結果，圖5(c)，5(d)分別為膠片法和數字射線成像法透照圖3中位置4的檢測結果。試驗結果表明，膠片法和數字射線法均能有效發現縮孔、氣孔等缺陷,檢測結果基本一致,且數字射線成像法檢測到的氣孔數量[見圖5(d)]明顯多于膠片法的[見圖5(c)]。綜上可知，數字射線成像法檢測該復雜形狀鑄鋼件能基本滿足檢測要求。

3 結語

(1) 某復雜形狀鑄鋼件的數字射線成像檢測靈敏度滿足GB/T 5677-2018標準A級技術等級要求，圖像分辨率及信噪比等均能滿足GB/T 35388-2017標準A級技術等級要求。

(2) 采用的數字射線成像系統的檢測能力及可靠性可達到膠片法AGFA C7型膠片水平，該系統可用于復雜形狀鑄鋼件的檢測。

(3) 由于數字射線成像法的厚度寬容度大、曝光時間短，可大大縮短檢測周期，檢測效率是常規膠片法的6倍以上。