復(fù)雜形狀鑄鋼件的數(shù)字射線成像檢測(cè)工藝

朱貴鋒，張 揚(yáng)2，李 帥，王 琰，焦鐘斌，孟全勝

(1.中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所煙臺(tái)分所有限責(zé)任公司，煙臺(tái) 264003;2.鐵科縱橫(天津)科技發(fā)展有限公司，天津 301800)

采用超聲波檢測(cè)鑄鋼件時(shí):對(duì)于輪廓復(fù)雜和指向性不好的斷開(kāi)性缺陷,其反射波形復(fù)雜，晶界反射、組織結(jié)構(gòu)、多孔性及分散析出物等同樣妨礙超聲波的識(shí)別，需要檢測(cè)人員具有豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)；對(duì)于形狀復(fù)雜的鑄鋼件，拐角以及超聲波探頭無(wú)法檢測(cè)的位置也存在漏檢現(xiàn)象。在沒(méi)有特定要求的情況下，鑄造廠家一般采用射線檢測(cè)法檢測(cè)鑄造質(zhì)量，其中常規(guī)射線膠片照相法是最常用的檢測(cè)方法，但仍存在檢測(cè)效率低、檢測(cè)成本較高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、底片難以長(zhǎng)期保存等缺點(diǎn)。常規(guī)X射線膠片照相法的厚度寬容度小，對(duì)于工件上的不同透照厚度需要選擇不同的曝光參數(shù)，即使采用雙膠片法，對(duì)于不同厚度的過(guò)渡區(qū)也容易發(fā)生漏檢。數(shù)字射線成像法的動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍大、寬容度好，可較好地解決上述問(wèn)題。

基于平板探測(cè)器的數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)是數(shù)字射線成像的發(fā)展趨勢(shì)之一[1-4]。隨著平板探測(cè)器檢測(cè)能力的提高，數(shù)字射線圖像靈敏度、分辨力等指標(biāo)逐步接近膠片照相法的，該方法不僅可以降低工作強(qiáng)度、提高檢測(cè)效率，而且數(shù)字圖像可以長(zhǎng)期保存且調(diào)用方便，但目前缺乏鑄鋼件數(shù)字射線成像檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。張俊哲等[5]采用數(shù)字射線成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變截面鑄鋼件的檢測(cè)。彭明峰等[6]將數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鈦合金筒形鑄件檢測(cè)中，并取得較好效果。王立豐等[7]運(yùn)用自動(dòng)化數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)和傳統(tǒng)膠片檢測(cè)方法對(duì)比，確定了航空精鑄聯(lián)體導(dǎo)向葉片的數(shù)字射線檢測(cè)工藝，實(shí)現(xiàn)了多聯(lián)體導(dǎo)向葉片自動(dòng)化全方位的檢測(cè)。筆者通過(guò)數(shù)字射線成像檢測(cè)和常規(guī)射線膠片檢測(cè)的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)字射線成像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜形狀鑄鋼件的檢測(cè)能力和可靠性，從而確定了其數(shù)字射線成像檢測(cè)工藝。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)儀器

數(shù)字射線成像檢測(cè)系統(tǒng)包括X射線源、平板陣列探測(cè)器、數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)等。其基本工作流程為：平板探測(cè)器將接收到的X射線光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸該電信號(hào)至數(shù)字圖像采集與處理系統(tǒng)形成數(shù)字圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)改進(jìn)圖像質(zhì)量。試驗(yàn)采用YXLON/200D型射線機(jī)，其最大管電壓為200 kV,管電流為0.5 mA6.0 mA,且連續(xù)可調(diào)，焦點(diǎn)直徑為1.0 mm；探測(cè)器為VAREX/XRpad2 4336型非晶硅平板探測(cè)器，有效成像面積為320 mm×410 mm(長(zhǎng)×寬)，像素大小(長(zhǎng)×寬)為100 mm×100 mm,極限分辨率為5 lp·mm-1。常規(guī)射線膠片法檢測(cè)采用丹東XXG3505X型射線機(jī)，其最大管電壓為350 kV,管電流為5 mA,焦點(diǎn)尺寸(長(zhǎng)×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(zhǎng)度為340 mm,最大寬度為250 mm，壁厚為11～28 mm。

1.3 檢測(cè)工藝確定

由于試樣壁厚變化較大，常規(guī)射線膠片檢測(cè)厚度的寬容度較小，所以需要在不同壁厚部位分別進(jìn)行透照，按照GB/T 5677-2018 《鑄件 射線照相檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)制定檢測(cè)工藝，透照布置示意如圖2所示，工藝參數(shù)如表1所示。為了確定檢測(cè)工藝的可行性，數(shù)字射線成像檢測(cè)的靈敏度要求同樣按照GB/T 5677-2018標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)制定，圖像分辨率及歸一化信噪比等指標(biāo)的要求按照GB/T 35388-2017 《無(wú)損檢測(cè) X射線數(shù)字成像檢測(cè) 檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)確定。X射線數(shù)字成像法透照時(shí)采取射線源在上方，平板探測(cè)器在下方的方式，探測(cè)器與射線源之間為樣品平臺(tái)，平臺(tái)距探測(cè)器20 mm。為防止散射線對(duì)圖像對(duì)比度的影響，在射線機(jī)窗口前安裝2 mm厚的T2紫銅濾板，透照時(shí)用鉛質(zhì)材料將試樣非檢測(cè)部位及平板探測(cè)器檢測(cè)不到的區(qū)域進(jìn)行屏蔽。將試樣分為4個(gè)檢測(cè)區(qū)域，透照布置方法如圖3所示，每個(gè)區(qū)域的檢測(cè)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(shí)，試樣需傾斜一定角度，防止遮擋。數(shù)字射線成像檢測(cè)工藝參數(shù)如表2所示。

圖1 試樣外觀

圖2 X射線膠片檢測(cè)透照布置示意

表1 常規(guī)射線膠片檢測(cè)工藝參數(shù)

表2 數(shù)字射線成像檢測(cè)工藝參數(shù)

圖3 X射線數(shù)字成像檢測(cè)透照布置方式

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)靈敏度對(duì)比分析

將射線膠片法與數(shù)字射線成像法的檢測(cè)靈敏度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，數(shù)字射線成像檢測(cè)靈敏度基本與射線膠片法檢測(cè)靈敏度相同，均能滿足GB/T 5677-2018標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)規(guī)定的靈敏度要求。數(shù)字射線成像檢測(cè)的圖像參數(shù)如表4所示，圖像分辨率及信噪比等指標(biāo)均能滿足GB/T 35388-2017標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)要求。

表3 膠片法與數(shù)字射線成像法檢測(cè)靈敏度對(duì)比

表4 數(shù)字射線成像檢測(cè)圖像參數(shù)

2.2 檢測(cè)效率對(duì)比分析

采用常規(guī)射線膠片法檢測(cè)時(shí)，曝光時(shí)間需要30.5 min,并且射線機(jī)休息冷卻時(shí)間需要與曝光時(shí)間相同，再加上裁片、裝片、布片、洗片等時(shí)間，檢測(cè)一件該試樣至少需要90 min。采用數(shù)字射線成像法檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)一件該試樣大約只需要15 min，檢測(cè)效率明顯高于膠片法的。數(shù)字射線成像法檢測(cè)效率高于膠片法的主要原因有以下幾點(diǎn):① 常規(guī)膠片法的厚度寬容度小于數(shù)字射線成像法的，以該試驗(yàn)采用的儀器為例，當(dāng)管電壓為180 kV時(shí)，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(duì)不同壁厚部位需要分別透照，共分為13個(gè)透照區(qū)域，共需進(jìn)行9次曝光，而數(shù)字射線成像法的厚度寬容度可達(dá)20 mm以上(曝光時(shí)間為1 s,信噪比大于70)，所以只需將試樣分為4個(gè)透照區(qū)域，進(jìn)行4次曝光即可；② 采用膠片法時(shí)，雖然某些部位滿足厚度寬容度的要求，但是受試樣幾何結(jié)構(gòu)及膠片尺寸等的限制，從保證底片質(zhì)量及節(jié)約成本角度考慮，也需要分別進(jìn)行透照；③ 數(shù)字射線成像法單次曝光時(shí)間短，試驗(yàn)中數(shù)字射線成像單次曝光時(shí)間為32 s，而采用膠片法的單次曝光時(shí)間至少需要3 min(管電流為5 mA),否則無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)曝光量的要求(A級(jí)技術(shù)，焦距為700 mm,推薦曝光量不小于15 mA·min)。同時(shí)，數(shù)字射線成像法無(wú)需膠片和化學(xué)藥液、無(wú)化學(xué)廢物等，檢測(cè)成本大大降低。

2.3 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)時(shí)，平板探測(cè)器有效成像面積大于檢測(cè)部位面積,且試樣幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度差較大，均可導(dǎo)致“邊蝕效應(yīng)”，影響圖像質(zhì)量，甚至造成缺陷漏檢。圖4為透照?qǐng)D3中位置2時(shí)，試樣非檢測(cè)部位及平板探測(cè)器檢測(cè)不到的區(qū)域采取和未采取屏蔽措施的圖像對(duì)比。圖4(a)為未采取屏蔽措施時(shí)得到的圖像，可見(jiàn)邊蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，圖像對(duì)比度低，缺陷隱約可見(jiàn)，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(shí)得到的圖像，圖像對(duì)比度高，缺陷清晰可見(jiàn)。

圖4 數(shù)字射線成像時(shí)采取和未采取屏蔽措施的圖像對(duì)比

圖5 數(shù)字射線成像和膠片檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

將膠片法的底片與射線數(shù)字圖像進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，圖5(a)，5(b)分別為膠片法和數(shù)字射線成像法透照?qǐng)D3中位置2的檢測(cè)結(jié)果，圖5(c)，5(d)分別為膠片法和數(shù)字射線成像法透照?qǐng)D3中位置4的檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，膠片法和數(shù)字射線法均能有效發(fā)現(xiàn)縮孔、氣孔等缺陷,檢測(cè)結(jié)果基本一致,且數(shù)字射線成像法檢測(cè)到的氣孔數(shù)量[見(jiàn)圖5(d)]明顯多于膠片法的[見(jiàn)圖5(c)]。綜上可知，數(shù)字射線成像法檢測(cè)該復(fù)雜形狀鑄鋼件能基本滿足檢測(cè)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

(1) 某復(fù)雜形狀鑄鋼件的數(shù)字射線成像檢測(cè)靈敏度滿足GB/T 5677-2018標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)要求，圖像分辨率及信噪比等均能滿足GB/T 35388-2017標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)技術(shù)等級(jí)要求。

(2) 采用的數(shù)字射線成像系統(tǒng)的檢測(cè)能力及可靠性可達(dá)到膠片法AGFA C7型膠片水平，該系統(tǒng)可用于復(fù)雜形狀鑄鋼件的檢測(cè)。

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