顯微CT檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)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(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的檢測(cè)問(wèn)題，開(kāi)展了三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)研究。分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的常規(guī)射線檢測(cè)難點(diǎn)，利用三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)焦點(diǎn)尺寸?。ㄎ⒚准?jí)）、檢測(cè)分辨率高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束對(duì)接焊縫、端面焊縫以及釬焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，得到了良好的檢測(cè)效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的三維檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣孔、微裂紋、未焊透等缺陷的識(shí)別、定位與測(cè)量，為焊縫質(zhì)量評(píng)估提供依據(jù)。

0 引言

焊接結(jié)構(gòu)是航天產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)形式，如火箭、飛船、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等，在地面、大氣層及空間不同環(huán)境中工作，要求高密封性和高可靠性。焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾雜、未焊透、裂紋等缺陷［1］，采用常規(guī)的超聲、射線照相法檢測(cè)［2］，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊縫，傳統(tǒng)的射線檢測(cè)方法無(wú)法識(shí)別，只能依靠工藝和產(chǎn)品在后續(xù)的性能測(cè)試加以保證，無(wú)法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。對(duì)于采用電子束焊接等工藝的精密工件，其設(shè)計(jì)要求高、材料特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要從微觀角度評(píng)判焊縫的焊接質(zhì)量。三維顯微CT 檢測(cè)系統(tǒng)具有焦點(diǎn)尺寸小（微米級(jí)）、檢測(cè)分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫的三維成像，檢測(cè)出焊縫中的微小氣孔和微裂紋，并準(zhǔn)確地測(cè)定其幾何尺寸，給出其在工件中的位置，同時(shí)能夠準(zhǔn)確測(cè)量焊縫熔深，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估［3］。

本文基于225 kV 三維顯微CT 設(shè)備及相應(yīng)的成像技術(shù)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫實(shí)現(xiàn)了三維重構(gòu)、缺陷識(shí)別、缺陷提取、尺寸測(cè)量等分析，解決了以往X 射線無(wú)法檢測(cè)的難題。

國(guó)外的三維顯微CT 技術(shù)發(fā)展較早，德國(guó)、美國(guó)、法國(guó)等都有較成熟的基礎(chǔ)理論和較先進(jìn)的設(shè)備。常規(guī)CT 僅能達(dá)到毫米級(jí)，不能滿足高分辨顯微的使用要求。在20世紀(jì)80年代初期，美國(guó)最早研制出三維顯微CT。隨著同步輻射源的產(chǎn)生，德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家的材料學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家，開(kāi)始通過(guò)高亮度、高強(qiáng)度的X射線源進(jìn)行CT成像，得到了微米級(jí)的分辨率。

1998年，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始關(guān)注顯微CT 的研究，陳昌維等很預(yù)測(cè)了顯微CT 的技術(shù)及其趨勢(shì)。2002年，國(guó)家及部委有關(guān)基金就已資助成像領(lǐng)域的相關(guān)研究。國(guó)內(nèi)的微焦點(diǎn)CT 技術(shù)在20 多年來(lái)獲得很大的改進(jìn)，其主要發(fā)展方向可概述為高對(duì)比度、超高分辨、快速實(shí)時(shí)和多模態(tài)成像幾個(gè)方面。近幾年國(guó)內(nèi)顯微CT技術(shù)的快速發(fā)展，顯微CT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、材料學(xué)等領(lǐng)域。分辨率覆蓋了微米到納米量級(jí)，能無(wú)損再現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在工業(yè)檢測(cè)和材料性能評(píng)價(jià)方面都得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

1 三維顯微CT成像系統(tǒng)

三維顯微CT 根據(jù)物體外部獲取的某種物理量的測(cè)量值，去重建物體內(nèi)某一特定斷面上的某種物理量的無(wú)重迭二維圖像，采用依次相繼獲取的一系列斷面圖去重構(gòu)物體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)［2］。三維顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)采用X 射線成像原理及數(shù)千到上萬(wàn)個(gè)面陣探測(cè)器進(jìn)行高分辨率三維成像設(shè)備，能無(wú)損地獲取樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)信息，從而顯示各部分的三維圖像［4-6］。

2 三維顯微CT技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 檢測(cè)設(shè)備

對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫分析過(guò)程中采用基于225 kV 微焦點(diǎn)X射線機(jī)和面陣列探測(cè)器的微焦點(diǎn)X射線CT檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)X 射線DR 數(shù)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(diǎn)球管，焦點(diǎn)尺寸5 μm，最大電壓為225 kV，該系統(tǒng)缺陷及細(xì)節(jié)特征的檢測(cè)能力可達(dá)到5 μm，并提供各種缺陷的三維分布檢測(cè)圖像。本文通過(guò)myVGL2.1軟件對(duì)焊縫三維顯微CT圖像進(jìn)行處理。

2.2 三維顯微CT掃描

首先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行DR 掃描，確定焊縫位置，根據(jù)焊縫DR 圖像確定三維掃描的焊縫的區(qū)域，對(duì)得到的該焊縫區(qū)域的三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重建，可得到任意截面的CT 圖像。本文的三次試驗(yàn)掃描參數(shù)如下:射線源焦點(diǎn)大小為5 μm，，射線源管電壓為225 kV，管電流為3 mA。

3 結(jié)果及分析

3.1 鈦合金對(duì)接焊縫檢測(cè)

圖1為航天用某產(chǎn)品焊縫結(jié)構(gòu)示意圖，焊縫結(jié)構(gòu)為帶鎖底的對(duì)接焊縫，焊接方式為電子束焊接環(huán)縫，距焊縫表面1 mm 有一處加工凹槽，用以減少應(yīng)力。該焊縫滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級(jí)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(chǎn)品內(nèi)部存在多處高密度結(jié)構(gòu)，使得焊縫無(wú)法在底片上有效成像，因此，通過(guò)常規(guī)X 射線無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)該焊縫的無(wú)損檢測(cè)。

圖2為該焊縫三維顯微CT 檢測(cè)圖像，（b）圖為焊縫三維重構(gòu)圖，其余三幅為焊縫三個(gè)方向?qū)游鰣D像。

圖1 電子束焊縫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of electron beam weld structure

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

圖3 測(cè)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(dá)到凹槽位置，測(cè)量焊縫熔深值為1.9 mm，焊縫內(nèi)部不存在未焊透缺陷，焊縫內(nèi)部存在一處氣孔（圖4），測(cè)量其尺寸為0.30 mm，滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級(jí)焊縫的要求。

結(jié)果表明:通過(guò)三維顯微CT 技術(shù)可不受焊縫結(jié)構(gòu)限制，對(duì)焊縫內(nèi)部的未焊透、微氣孔等缺陷進(jìn)行識(shí)別與測(cè)量，為該批產(chǎn)品焊接質(zhì)量評(píng)判提供有力依據(jù)。

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(cè)

圖5為航天用某鋁合金腔體結(jié)構(gòu)的模擬件，焊接材料2A14，焊接接頭結(jié)構(gòu)為2 mm 對(duì)接鎖底，采用電子束焊接環(huán)縫。該焊接材料容易開(kāi)裂，因此對(duì)該端面焊縫的質(zhì)量評(píng)判至關(guān)重要，該焊縫內(nèi)部不允許存在裂紋、未焊透等缺陷，但由于該腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)X射線檢測(cè)方法不適用于該端面焊縫的檢測(cè)。

圖5 鋁合金腔體結(jié)構(gòu)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(cè)圖像，從左圖可看出，焊縫內(nèi)部存在未焊透缺陷，測(cè)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(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。結(jié)果表明:利用三維顯微CT 技術(shù)，可以不受該焊縫結(jié)構(gòu)限制，對(duì)該模擬件的端面焊縫中存在的未焊透缺陷進(jìn)行識(shí)別與測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)為后續(xù)該產(chǎn)品的腔體結(jié)構(gòu)的端面焊縫質(zhì)量評(píng)判奠定了基礎(chǔ)。

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(cè)

航天精密、微型復(fù)雜零件多采用鈦及鈦合金釬焊方法，釬焊縫容易出現(xiàn)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(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。釬焊縫結(jié)合面屬于面積型焊縫，常規(guī)射線檢測(cè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，采用三維顯微CT 進(jìn)行檢測(cè)，得到的三維圖像（圖7）能直觀準(zhǔn)確地反映缺陷的位置和形狀，進(jìn)而評(píng)價(jià)釬焊縫的質(zhì)量。

從圖7（a）可發(fā)現(xiàn)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(duì)應(yīng)的貫穿性裂紋，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度為3.56 mm，裂紋開(kāi)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釬縫內(nèi)部微裂紋、微氣孔的識(shí)別、定位與測(cè)量。

4 結(jié)論

三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)可不受焊縫形狀結(jié)構(gòu)限制實(shí)現(xiàn)焊縫的三維成像，進(jìn)而對(duì)焊縫內(nèi)部的缺陷進(jìn)行識(shí)別、定位與測(cè)量，進(jìn)一步對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；且焦點(diǎn)尺寸小，分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)微氣孔、微裂紋以及未焊透等缺陷的檢測(cè)，并對(duì)其尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)到亞微米級(jí)。

三維顯微CT 檢測(cè)技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的檢測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，未來(lái)發(fā)展?jié)摿薮?，該方法有望推廣到更多的產(chǎn)品檢測(cè)應(yīng)用中。