康 平 高 雅 袁生平

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

焊接接頭典型缺陷的數(shù)字X射線尺寸測量技術(shù)

康 平 高 雅 袁生平

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 為了準(zhǔn)確測量焊接接頭典型缺陷的尺寸，提出了一種基于半波高法(HWH)的焊接接頭缺陷數(shù)字射線尺寸測量技術(shù)。首先，分析了數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，確定了檢測系統(tǒng)的空間分辨率。其次，對焊接接頭的典型缺陷進(jìn)行模擬，通過半波高法測量其尺寸。結(jié)果表明：依據(jù)瑞利判據(jù)，運(yùn)用雙絲像質(zhì)計(jì)測定該檢測系統(tǒng)的空間分辨率為4.5 Lp/mm；運(yùn)用該方法測量焊接接頭缺陷尺寸，與實(shí)際尺寸基本相符，誤差小于6.3%，該方法避免了人為因素的影響，精度可滿足日常產(chǎn)品的檢測需求。

焊接接頭，半波高法，數(shù)字X射線檢測，MTF，空間分辨率，典型缺陷

0 引言

射線檢測技術(shù)中，缺陷的尺寸測量是在檢測圖像上獲得某個(gè)細(xì)節(jié)的缺陷數(shù)據(jù)，對缺陷數(shù)據(jù)的歸納、分析是進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量級別評定的關(guān)鍵，如焊接接頭中出現(xiàn)的氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等缺陷的尺寸測量。傳統(tǒng)的測量方法是通過X射線將焊接接頭成像在膠片上，在觀片燈上直接對膠片上顯示的缺陷進(jìn)行測量，一般會使用帶放大鏡的刻度尺，由于人眼對缺陷邊界判斷上的差異性較大，這導(dǎo)致缺陷的量化檢測存在較大的人為誤差，影響檢測結(jié)果的一致性，特別是未焊透、裂紋等缺陷的寬度、小尺寸氣孔、夾雜等缺陷的準(zhǔn)確測量，受不清晰度的影響，導(dǎo)致檢測圖像邊界模糊，難以準(zhǔn)確測量尺寸[1]。

國內(nèi)學(xué)者做了一些關(guān)于數(shù)字成像尺寸計(jì)算問題的研究，如孔凡琴等[2]研究了基于數(shù)字射線成像的航空渦輪葉片缺陷尺寸的自動(dòng)測定，李強(qiáng)等[3]研究了數(shù)字射線檢測中圖像評定尺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，韓加強(qiáng)等[1]研究了數(shù)字射線圖像缺陷尺寸的自動(dòng)測定。而基于半波高法的數(shù)字射線檢測缺陷尺寸測量技術(shù)的研究，很少見到相關(guān)報(bào)道。本文基于數(shù)字射線檢測技術(shù)，分析了檢測系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，并研究了半波高法在缺陷尺寸測量方面的應(yīng)用。

1 缺陷尺寸測量技術(shù)

1.1 成像系統(tǒng)空間分辨率

對于數(shù)字射線檢測，那些質(zhì)量級別評定涉及缺陷影像形貌特點(diǎn)的缺陷，其在檢測圖像上顯示的影像形貌與檢測圖像的空間分辨率密切相關(guān)。

成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)表示影像調(diào)制度與空間頻率的關(guān)系曲線[4]。目前國外的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，比較明確的規(guī)定空間分辨力應(yīng)采用雙絲像質(zhì)計(jì)進(jìn)行測試，空間分辨力確定的依據(jù)是瑞利判據(jù)，如圖1所示，具體的測試是在雙絲像質(zhì)計(jì)圖像上獲取MTF曲線，以調(diào)制度不小于20%為確定絲對可識別的基準(zhǔn)，如圖2所示，消除了早期人眼識別線對卡絲對的不確定因素[5]。根據(jù)瑞利判據(jù)，采用雙絲像質(zhì)計(jì)測定的不清晰度對應(yīng)的空間頻率，可近似認(rèn)為就是對應(yīng)調(diào)制度為0.11處的空間頻率。

圖1 瑞利判據(jù)[5]Fig.1 Rayleigh criterion

圖2 MTF曲線測試示意圖[5]

1.2 半波高法

提出基于半波高法的焊接接頭缺陷數(shù)字射線尺寸測量技術(shù)，通過半波高法確定被測缺陷的邊界，進(jìn)而確定圖像對應(yīng)缺陷的尺寸。半波高法測量缺陷尺寸方法如圖3所示，焊接接頭存在一處未焊透缺陷(黑色直線)，未焊透寬度方向灰度分布曲線如右圖所示，測量未焊透灰度分布峰值h的一半值作為邊界，并測量兩個(gè)邊界的距離W作為未焊透的寬度測量值，其他缺陷(如氣孔直徑、裂紋寬度等)的尺寸測量方法類似。

圖3 半波高法測量缺陷尺寸

Fig.3 Defects dimension measurement with HWH

實(shí)際使用半波高法測量時(shí)，由于檢測圖像測量的值存在一定的誤差，故在數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)以多次測量平均值進(jìn)行計(jì)算。

2 檢測過程及分析

2.1 檢測對象及設(shè)備

焊接接頭典型缺陷為氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等，這些缺陷是影響接頭性能的重要因素，其尺寸的精確測量是接頭進(jìn)行質(zhì)量評級的關(guān)鍵。本文通過雙絲像質(zhì)計(jì)線對間距、單絲像質(zhì)計(jì)、高密度金屬圓珠分別模擬焊接接頭中的狹縫類缺陷(未焊透、裂紋)、條形缺陷、點(diǎn)狀缺陷等。

采用CR檢測系統(tǒng)，CR技術(shù)檢測原理如圖4所示，采用的掃描儀為美國VMI 5100S，IP板為HR高分辨率IP板，射線源使用YXLON公司160 kV定向輻射式X射線機(jī)。掃描光斑為尺寸為50 μm，管電壓65 kV，焦距1 m，曝光量為10 mA·min。

圖4 CR技術(shù)檢測原理圖[5]

2.2 空間分辨率測量

通過雙絲像質(zhì)計(jì)(EN462)確定檢測系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)，計(jì)算系統(tǒng)的極限空間分辨率。對雙絲像質(zhì)計(jì)X射線圖像進(jìn)行垂直掃描(圖5)，提取雙絲像質(zhì)計(jì)垂直掃描線的線灰度曲線，如圖6所示。

MTF曲線繪制方法：調(diào)制度近似等于缺陷特征有效對比度(Δμ)e和其實(shí)際對比度Δμ的比值。在線灰度曲線上，選擇線條最寬的一組，此時(shí)線條和基體的灰度值差可近似表示實(shí)際對比度Δμ，隨著線條變細(xì)，線條和基體之間灰度值差越來越小，這個(gè)差值可表示有效對比度(Δμ)e，其結(jié)果如表1所示，由此可以獲得調(diào)制度(Δμ)e/Δμ，以空間分辨率對數(shù)為橫坐標(biāo)、調(diào)制度(Δμ)e/Δμ為縱坐標(biāo)繪制出MTF曲線，如圖7所示。對該MTF曲線進(jìn)行二項(xiàng)式擬合(虛線所示)，可近似確定圖中調(diào)制度為0.11處的空間頻率為4.5 Lp/mm，即該成像系統(tǒng)的目測極限分辨率為4.5 Lp/mm，因此，檢測系統(tǒng)能夠識別的最小細(xì)節(jié)尺寸應(yīng)至少為0.11 mm。

表1 MTF測量記錄

圖7 MTF曲線

2.3 狹縫類缺陷寬度測量

根據(jù)半波高法的原理，對雙絲像質(zhì)計(jì)的線對間距值進(jìn)行測量。該檢測系統(tǒng)的空間分辨率為4.5 Lp/mm，肉眼能夠清晰分辨的線對為D9，用半波高法測量D1～D9線對間距值，分別對比檢測尺寸與其標(biāo)稱尺寸，結(jié)果見表2。與D1對應(yīng)的數(shù)字X射線圖及半波高法測量線對間距圖見圖8。

表2 檢測尺寸與標(biāo)稱尺寸對比(狹縫類)

圖8 半波高法測量狹縫類缺陷示意圖

Fig.8 Slot-type defects measurement with HWH

2.4 條形缺陷寬度測量

采用相同的透照布置和參數(shù)，通過半波高法，分別測量單絲像質(zhì)計(jì)W6～W16的絲徑值，測量過程與雙絲像質(zhì)計(jì)線對間距值相似，對比檢測尺寸與其實(shí)際尺寸，數(shù)據(jù)見表3。

表3 檢測尺寸與標(biāo)稱尺寸對比(條形缺陷)

2.5 點(diǎn)狀缺陷的尺寸測量

2.5.1 氣孔

圖9為鋁合金焊接接頭試板的X射線檢測圖像，其內(nèi)部存在多個(gè)氣孔，測量其中2個(gè)氣孔直徑，右圖為氣孔2直徑的測量過程。圖10為氣孔1、氣孔2體視顯微鏡形貌圖，通過顯微鏡和半波高法分別測量氣孔直徑，對比檢測尺寸和實(shí)際尺寸，結(jié)果見表4。

表4 半波高法測量氣孔尺寸

2.5.2 高密度夾雜

采用硬質(zhì)合金圓珠模擬高密度夾雜，將三個(gè)直徑已知的硬質(zhì)合金珠鑲嵌在低密度蜂窩板上，其射線檢測圖像見圖11，以某一圓珠為例，體視顯微鏡形貌圖見圖12。通過顯微鏡和半波高法分別測量圓珠直徑，對比檢測尺寸和實(shí)際尺寸，結(jié)果見表5。

表5 半波高法測量圓珠尺寸

2.6 對比結(jié)果分析

2.6.1 誤差分析

(1)測量時(shí)CR圖像灰度值的讀取誤差

受人為因素的影響，CR圖像的灰度值在測量時(shí)，讀取過程會產(chǎn)生誤差，影響測量的結(jié)果，因此，對形成的MTF曲線進(jìn)行二次擬合，減小人為因素影響。

(2)半波高法測量誤差

受掃描光斑尺寸的限制，測量值只可為0.05 mm的整數(shù)倍，以多次測量平均值進(jìn)行計(jì)算。

2.6.2 結(jié)果分析

通過對以上測試結(jié)果對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)在該透照條件下，成像系統(tǒng)的目測極限分辨率為4.5 Lp/mm，能夠識別的最小細(xì)節(jié)尺寸至少為0.11 mm;

(2)由表2～表5中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)被檢細(xì)節(jié)尺寸不小于系統(tǒng)可分辨的最小細(xì)節(jié)尺寸時(shí)，缺陷尺寸的測量尺寸與實(shí)際尺寸基本相符，且誤差較小，可以滿足日常產(chǎn)品缺陷尺寸測量的基本要求;

(3)在實(shí)際檢測應(yīng)用中，當(dāng)焊接接頭中存在未焊透、裂紋、絲狀?yuàn)A雜物、氣孔、高密度夾雜等缺陷時(shí)，可通過半波高法測量缺陷細(xì)節(jié)的尺寸，以此作為焊接接頭質(zhì)量級別評定的相關(guān)缺陷數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 結(jié)論

首先，通過雙絲像質(zhì)計(jì)可以確定數(shù)字X射線檢測系統(tǒng)的MTF曲線，進(jìn)而依據(jù)瑞利判據(jù)確定檢測系統(tǒng)空間分辨率。其次，對焊接接頭內(nèi)部存在的未焊透、裂紋、絲狀?yuàn)A雜物、氣孔、高密度夾雜等缺陷，提出了基于半波高法確定缺陷邊界并測量缺陷尺寸的方法，并以模擬缺陷實(shí)例對該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。將該方法的測量值和實(shí)際值相對比，其結(jié)果基本相符，誤差較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明半波高法具有可行性，而且，該方法避免了人為因素的影響。最后，運(yùn)用半波高法對焊接接頭內(nèi)部的各種缺陷尺寸進(jìn)行測量，對定量研究焊接接頭的缺陷對其性能的影響具有重要指導(dǎo)意義。在鑄件以及航天防熱系統(tǒng)用復(fù)合材料等產(chǎn)品的射線檢測中，半波高法對其缺陷尺寸的檢測同樣適用，有望通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，將半波高法拓展到更多的產(chǎn)品檢測中，發(fā)揮更大的作用。

[1] 韓加強(qiáng).數(shù)字射線圖像缺陷尺寸的自動(dòng)測定 [J].科技信息，2009(23)：856-857.

[2] 孔凡琴，路宏年.基于數(shù)字射線成像的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片缺陷尺寸自動(dòng)測定[J].兵工學(xué)報(bào)，2005，26(3)：335-337.

[3] 李強(qiáng)，孫朝明.數(shù)字射線檢測中圖像評定尺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].無損檢測，2011，33(4)：33-35.

[4] 鄭世才，等.數(shù)字射線檢測技術(shù)(第二版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[5] 王曉勇.數(shù)字射線檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展[J].宇航材料工藝，2015，45(增刊II)：22-27.

Digital X-Ray Size Measurement Technology for Typical Defects of Welding Joint

KANG Ping GAO Ya YUAN Shengping

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technology，Beijing 100076)

This paper presents a new digital X-ray testing technology for welding joint defects based on half wave height method (HWH) in order to ensure the measurement accuracy of the size of the defects. First, the MTF of the digital X-ray testing system is analyzed and the spatial resolution of the system is confirmed. Furthermore, the typical defects of welding joints are simulated, and the size of these defects is measured using HWH. The results are as follows: (1)based on Rayleigh criterion, the spatial resolution of the X-ray testing system is 4.5 Lp/mm determined by the double wire image quality indicator; (2)the measured sizes of the welding joint defects agree with the actual sizes, and the measuring errors are within 6.3%, thus, the influence of human factor can be avoided using the HWH method, and the accuracy can satisfy the testing requirements of conventional products.

Welding joint，HWH ，Digital X-ray testing，MTF，Spatial resolution， Typical defects

2017-06-16

康平，1989年出生，工程師，主要從事CT及射線等無損檢測工作。E-mail：253497862@qq.com

TG1

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.019