章清樂，劉松平，2，劉菲菲

（1.中國航空制造技術研究院，北京 100024；2.中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

大型復合材料夾芯結構在航空工業(yè)領域有著廣泛應用，常用于制作各種壁板、翼面、殼體等大型結構件[1]，主要由復合材料蒙皮和蜂窩芯材構成，其最常見的芯材是芳綸紙蜂窩芯和鋁蜂窩芯。蜂窩夾芯結構膠接固化完成后需使用無損檢測方法進行檢測，以確定蜂窩芯的內部質量是否符合產品質量要求。對于復合材料蒙皮的檢測，通常采用超聲方法[2–4]，也有激光剪切散斑[5]、紅外熱波成像、CT 成像[6]方面的研究報道。但是由于超聲波在蜂窩芯格內部衰減很大，無法對芯格缺陷進行成像檢測；激光剪切散斑、紅外熱波成像一般只適合于淺表缺陷的檢測，也不適合蜂窩芯格內部的缺陷檢測；CT檢測對于小型結構件檢測具有優(yōu)勢，但對于大型結構件，很難實現(xiàn)，所以這些方法不適合大型復合材料蜂窩夾芯結構的蜂窩質量檢測。對于蜂窩夾芯結構，通常采用射線方法檢測其存在的芯格斷裂、芯格壓縮、節(jié)點分離（脫開）、芯格夾雜、芯格與邊緣構件脫粘等缺陷[7]。

射線檢測技術作為五大常規(guī)無損檢測方法之一，已經歷了數(shù)十年的發(fā)展，無論是理論還是檢測標準與工藝，已是一項非常成熟、完善的檢測方法[8–9]。隨著電子技術及機械自動化技術的發(fā)展，將射線檢測技術由采用膠片為主的方法引向了采用數(shù)字成像法[10]，也同時推動了檢測過程的自動化和智能化，從而促進了射線檢測技術的推廣應用[11–12]。正是由于在檢測效率及環(huán)境節(jié)能方面的突出優(yōu)勢，許多用戶在配置射線檢測設備時，在滿足檢測要求的情況下，將數(shù)字射線作為首選。

數(shù)字射線與常規(guī)膠片法射線相比具有以下優(yōu)點：（1）數(shù)字探測器面板代替了膠片，節(jié)省了檢測成本，不產生固廢； （2）數(shù)字射線照射可直接進行數(shù)字成像，不消耗顯影液、定影液，節(jié)省了檢測成本，不產生廢液； （3）數(shù)字射線檢測結果直接進行電腦成像及處理，不需要暗室處理的過程，節(jié)省了人工成本，同時提高了檢測效率；（4）數(shù)字射線檢測單幅圖像曝光時間短，可連續(xù)掃描成像，節(jié)省了操作時間，提高了檢測效率； （5）數(shù)字射線的檢測結果可在電腦上進行快速處理分析，尺寸測量、灰度調節(jié)、數(shù)據(jù)的存儲及傳輸?shù)雀臃奖恪?/p>

數(shù)字射線與常規(guī)膠片法射線相比不足有： （1）數(shù)字面板探測器由許多個像素單元組成，目前單個像素尺寸雖然達到幾十微米甚至更小，但與膠片相比在分辨率上還是有一定的差距； （2）對于結構復雜的零件，數(shù)字探測器無法放置在最佳照射部位，甚至無法檢測，沒有膠片靈活； （3）數(shù)字探測器價格昂貴，還需配備相應的機械裝置，一次性投入費用高。

由于蜂窩芯的特殊結構特征，在檢測透照后得到最理想的檢測結果是蜂窩芯格呈規(guī)則六邊形形態(tài)。受射線錐束投影的影響，射線檢測圖像中蜂窩芯格呈六邊形的區(qū)域范圍很小，尤其是較大厚度的零件，檢測圖像中有很大部分區(qū)域出現(xiàn)蜂窩芯格投影重疊[13–14]。一個大型蜂窩構件，要實現(xiàn)蜂窩芯格投影不重疊成像，往往需要上百次的透照成像，常規(guī)的膠片法實施困難，普通的數(shù)字射線檢測設備也不容易實現(xiàn)，而大型復合材料蜂窩夾芯結構的X 射線自動化掃描成像檢測技術是解決該問題的有效手段。X 射線自動化掃描成像檢測技術在歐美國家發(fā)展很快，技術成熟度高，已廣泛應用于航空航天、汽車制造等眾多技術領域，智能化和自動化程度較高，其相關標準體系也比較完善；國內目前數(shù)字射線成像檢測技術處于快速發(fā)展階段，尤其是近幾年頒布了關于數(shù)字射線成像檢測應用的多個標準，如GB/T 35388—2017《無損檢測 X 射線數(shù)字成像檢測 檢測方法》[15]等，使得數(shù)字射線成像檢測的應用更加廣泛，但在X 射線數(shù)字成像自動化和檢測結果智能化評估方面有待進一步提高，在與X 射線數(shù)字成像密切相關的高品質射線機和探測器的自主研發(fā)方面，與國外先進水平相比，尚有一定的差距。

本文介紹了大型復合材料蜂窩夾芯結構的數(shù)字射線自動化設備的設計特點和關鍵單元的參數(shù)選型，提出了一種數(shù)字X 射線自動化掃描成像檢測方法。利用所研制的大型復合材料蜂窩夾芯結構的數(shù)字射線自動化設備和設計制備的大型蜂窩夾芯結構件開展數(shù)字射線自動化檢測試驗研究，確定合理的檢測參數(shù)，并驗證檢測效果。

1 X 射線數(shù)字成像自動化掃描系統(tǒng)設計

1.1 設備組成

大型復合材料蜂窩夾芯結構數(shù)字射線自動化檢測設備主要包括射線機系統(tǒng)、自動化運動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、門機安全控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、檢測工裝等，設備構成如圖1所示。

圖1 大型復合材料蜂窩夾芯結構數(shù)字射線自動化檢測設備基本組成Fig.1 Illustration of direct radiography automatic testing equipment for large-scale composite honeycomb sandwich structures

1.2 射線照射系統(tǒng)選擇

射線照射系統(tǒng)包括鉛房、輻射安全系統(tǒng)、射線機。其中鉛房及輻射安全系統(tǒng)應符合國家及地方相關法律法規(guī)的標準，對于射線機，盡量選擇鈹窗口的軟X 射線機，其指標至少達到以下要求：

（1）具有恒電位工作模式，能夠穩(wěn)定地連續(xù)輸出X射線；

（2）最低管電壓不高于20 kV，調節(jié)步進不大于0.1 kV；

（3）管電流不小于2 mA，調節(jié)步進不大于0.1 mA；

（4）焦點不大于1.0 mm；

（5）具有冷卻系統(tǒng)，具備很好的散熱功能。

1.3 自動化掃描系統(tǒng)

自動化掃描系統(tǒng)主要是實現(xiàn)探測器、射線管及被檢零件相對位置的移動，主要由機械系統(tǒng)及運動控制系統(tǒng)組成，其中機械系統(tǒng)一般設計成龍門形結構形式，見圖2。

圖2 大型復合材料蜂窩夾芯結構數(shù)字射線自動化掃描系統(tǒng)的基本構成Fig.2 Basic composition of direct radiography automatic testing equipment for large-scale composite honeycomb sandwich structures

1.3.1 機械系統(tǒng)

由于蜂窩芯格成像需使其投影呈六邊形，盡量避免投影的重疊，所以要始終保持中心射線束的照射方向與蜂窩芯格軸線一致。機械系統(tǒng)應至少具有8 軸自由度運動控制功能，包括X、C、Z1、Z2、Y1、Y2、A1、A2，每軸的功能如下：

（1）X軸，實現(xiàn)探測器、射線管與零件水平方向的相對位置移動；

（2）C軸，實現(xiàn)探測器、射線管與零件周向方向的相對位置移動；

（3）Z1軸、Z2軸，分別實現(xiàn)探測器、射線管的上下方向的位置移動；

（4）Y1軸、Y2軸分別實現(xiàn)SDD（射線管與探測器的距離）和SOD（射線管與被檢零件的距離）的調節(jié)；

（5）A1軸、A2軸分別實現(xiàn)探測器、射線管的角度調整；

（6）運動控制精度要求除C軸、A1軸、A2軸外，其他軸的重復定位精度一般不低于0.2 mm，C軸、A1軸、A2軸的重復定位精度不低于0.5°；

（7）A1軸、A2軸應具有相對位置跟蹤功能，在Z1軸、Z2軸相對位置變化時，應能自動調整探測器和射線管的角度，使射線與探測器面始終保持垂直狀態(tài)。

1.3.2 運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化掃描的關鍵部分，其設計的優(yōu)劣直接影響檢測的靈活性、高效性及安全性，運動控制系統(tǒng)應能實現(xiàn)如下功能：

（1）各軸相對位置的調整及鎖定功能；

（2）各軸相對位置節(jié)點編輯功能，可實現(xiàn)手動編輯和自動編輯功能，并能根據(jù)已經編好的節(jié)點程序自動運動，對于使用過的運動軌跡，系統(tǒng)應有記憶功能；

（3）位置異常報警功能，在運動過程中若出現(xiàn)誤操作或機械部位與被檢零件碰撞時，能夠自動停機并報警；

（4）能實現(xiàn)與成像軟件通信功能，并能按照掃描系統(tǒng)的指令進行節(jié)點運動。

1.4 數(shù)據(jù)采集及處理單元

1.4.1 探測器

探測器是數(shù)字射線成像的核心部分，其性能直接影響了數(shù)字射線的檢測結果，在選用探測器時，應選用成像速度快、連續(xù)運行穩(wěn)定性好、分辨率高的探測器，空間分辨率一般不低于2.0 LP/mm。

1.4.2 采集及處理軟件

采集及處理軟件除具備常規(guī)的圖像采集、優(yōu)化、灰度調節(jié)、尺寸測量、圖像縮放、圖像增強、邊緣銳化等常規(guī)的功能外，還應具有以下功能：

（1）自動掃描控制功能，能與運動控制系統(tǒng)通信，根據(jù)已經編制的掃描軌跡進行自動掃描成像，并儲存結果；

（2）自動拼接功能，對已經采集的圖像，根據(jù)采集圖像時所處的相對位置、掃描步進，進行檢測圖像拼接，拼接后的圖像應能覆蓋被檢零件的所有被檢區(qū)；

（3）具有實時成像和靜態(tài)成像功能，在進行掃描前，需使用實時成像方法找到蜂窩芯格的軸線方向，并調節(jié)機械系統(tǒng)使射線束照射方向與蜂窩芯格軸線一致，然后設置掃描參數(shù)，進行自動掃描、靜態(tài)成像。

1.5 檢測圖像分辨率

檢測圖像分辨率是數(shù)字射線檢測的重要技術指標，為了獲得較高的圖像分辨率，滿足大型復合材料蜂窩夾芯結構檢測要求，本文重點考慮以下5 個方面。

（1）焦點尺寸的選擇。理論上選用的焦點尺寸越小，工件投影的幾何不清晰度越小，獲得的圖像分辨率越高；但焦點尺寸過小，不利于大型復合材料蜂窩夾芯結構的快速檢測，為此，本文在研究中選擇了0.4 mm 的X 射線焦點。

（2）電壓電流的選擇。在保證能夠穿透被檢測工件的情況下，應選擇較低的管電壓和較大的管電流，以提高系統(tǒng)的圖像分辨率，為此在本文研究中，針對大型復合材料蜂窩夾芯結構的特點，選擇了70 kV 以下的軟X 射線。

（3）放大倍數(shù)的選擇。在其他條件一定時，選擇合理的放大倍數(shù)有助于圖像分辨率的改善，在本文研究過程中，通過式（1）[15]計算得出檢測系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)，并通過調節(jié)探測器、被檢工件、射線管的相對位置（調節(jié)圖2中Y1和Y2軸），使檢測時的圖像放大倍數(shù)接近系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)，可獲得較好的圖像分辨率。

式中，Mopt為最佳放大倍數(shù)；SRb為系統(tǒng)基本分辨率；d為射線機焦點尺寸。

（4）圖像采集模式。使用靜態(tài)成像模式，即在每個運動節(jié)點處，探測器、被檢工件、射線管處于相對靜止的狀態(tài)下進行圖像采集。雖然實時成像可提高檢測效率，但在運動過程中，圖像會產生運動不清晰度，不利于檢測分辨率的提高，在其他條件一定時，選擇相對靜止的圖像采集模式有助于改善圖像分辨率。

（5）在實際檢測開始前和結束后，必須對圖像分辨率進行測試驗證，圖像分辨率達到相關標準或技術要求時方可進行圖像評定。

1.6 檢測工裝

檢測工裝應能將被檢測工件固定在探測器與射線管之間，考慮到蜂窩結構的剛性特征，夾持工具的夾持部位應選用柔性材料，避免用力過大損傷零件。在設計檢測工裝時，應避開機械運動系統(tǒng)的運動范圍，以免造成碰撞。

2 試樣與設備

2.1 試樣

本試驗選擇某飛機型號的復合材料蜂窩夾芯零件作為實際的檢測對象，尺寸為1200 mm×1000 mm×50 mm。其中，蒙皮厚度5 mm，芳綸紙蜂窩厚5～45 mm，芯格尺寸為4 mm。

2.2 設備及工藝參數(shù)選擇

所用的檢測設備為FDR–160 數(shù)字射線自動成像檢測設備，該設備滿足上文設計基本要求，由中航復合材料有限公司劉松平帶領團隊自主研制（圖3）。該設備采用數(shù)字探測器面板，像素尺寸為0.2 mm，經放大透照布置，分辨率可達3.2 LP/mm（圖4），低對比度分辨力可分辨0.1 mm 聚酯類材料；射線機為鈹窗口軟X 射線機，電壓范圍為20～160 kV，電流0.1～11.2 mA，焦點尺寸0.4/1.0 mm 可選；具有11 軸機械系統(tǒng)，可實現(xiàn)復雜結構自動化掃描成像檢測，掃描檢測范圍可達6000 mm×3000 mm×1200 mm。對于復合材料夾芯結構的檢測，穿透厚度主要是保證所采用的射線強度能夠穿透蒙皮即可，試驗中零件的穿透厚度為2 倍的蒙皮厚度，根據(jù)復合材料曝光曲線確定使用的電壓，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 蜂窩夾芯零件數(shù)字射線自動化檢測工藝參數(shù)Table 1 Experimental parameters of direct radiography automatic testing for honeycomb sandwich parts

圖3 FDR–160X 數(shù)字射線自動成像檢測系統(tǒng)（來自中航復材及其團隊）Fig.3 FDR–160 direct radiography automatic imaging detection system (From ACC)

圖4 FDR–160X 數(shù)字射線自動成像檢測系統(tǒng)分辨率測量結果（3.2 LP/mm）Fig.4 Measured resolution of FDR–160 direct radiography automatic imaging detection system (3.2 LP/mm)

3 結果與分析

3.1 檢測結果

某型復合材料蜂窩夾芯結構為數(shù)字射線自動化掃描結果如圖5和6 所示。其中圖5是整個復合材料蜂窩夾芯結構的數(shù)字射線檢測結果 （其中的垂直黑色灰度分布帶為蜂窩拼接區(qū)）。

圖6是對應圖5中區(qū)域A～D4 個不同成像區(qū)的局部放大圖像。

圖5 復合材料蜂窩夾芯結構數(shù)字射線自動掃描結果Fig.5 Results of direct radiography automatic testing for honeycomb sandwich structures

圖6 局部放大結果Fig.6 Local amplification result

3.2 檢測結果分析

從圖5中的檢測結果可以觀察整體零件內部結構狀況，包括零件內部的結構變化，還可以看出零件在中間部位存在蜂窩芯拼接區(qū)。但由于圖像顯示壓縮原因，在圖5中難以看出蜂窩區(qū)的芯格細節(jié)，從而不利于蜂窩芯格缺陷的評判。為此，需要利用圖6中局部放大圖像進行射線檢測結果的評判。

（1）在圖6（a）中，蜂窩芯格結構顯示清晰，芯格分布均勻，芯格投影未見重疊區(qū)域，蜂窩芯格節(jié)點粘接良好，發(fā)現(xiàn)一處發(fā)泡膠與端肋脫粘缺陷，長度約為10.5 mm。

（2）在圖6（b）中，蜂窩芯格結構顯示清晰，蜂窩拼縫粘接良好，拼縫左部蜂窩變芯格壓縮變形明顯，壓縮變形區(qū)域蜂窩芯格壁彎曲變形，蜂窩芯格尺寸變小。圖6（b）中黃色區(qū)域變形輕微，蜂窩芯格最小尺寸約為正常尺寸的1/2；紅色區(qū)域蜂窩芯格壓縮變形嚴重，共計兩排，經測量，蜂窩芯格壓縮變形后的尺寸小于正常尺寸的1/2。

（3）在圖6（c）中，蜂窩芯格結構顯示清晰，芯格分布均勻，紅色區(qū)域內存在1 處蜂窩芯格壓塌、節(jié)點脫開的缺陷，壓塌芯格27 個，節(jié)點脫開2 個，圖像下部出現(xiàn)的蜂窩芯格投影重疊區(qū)域，考慮為壓塌缺陷產生時，局部蜂窩芯格受力引起了芯格壁方向發(fā)生了改變。

（4）在圖6（d）中，蜂窩芯格結構顯示清晰，芯格分布均勻，芯格投影未見重疊區(qū)域，紅色區(qū)域內存在1處拼接不足缺陷，未粘接蜂窩芯格13 個。拼縫兩側蜂窩芯格投影不呈規(guī)則六邊形，應為蜂窩芯格受力變形導致。由于蜂窩芯格變形，導致拼縫間距過大，是產生拼接不足缺陷的主要原因。

從檢測分析結果可以看出，通過數(shù)字射線自動化檢測設備進行大型蜂窩件的檢測，可以檢測出蜂窩芯存在的節(jié)點脫開、拼接不足、發(fā)泡膠脫粘、芯格壓塌等缺陷，不僅自動化程度高，檢測結果清晰、可靠，而且由于在檢測過程中對產品檢測區(qū)域進行了節(jié)點分配，在發(fā)現(xiàn)缺陷時，還可根據(jù)缺陷所在的節(jié)點信息在零件上進行精確的定位。值得指出的是，在進行大型復合材料蜂窩夾芯結構X 射線數(shù)字成像檢測時，確定評定區(qū)范圍需要考慮芯格影像變形區(qū)的問題 （圖6（c））。一般蜂窩芯格的變形超過1/3～1/2 時的影像區(qū)，不宜作為檢測結果的有效評定區(qū)，所以在進行大型復合材料蜂窩夾芯結構X 射線數(shù)字成像檢測時，要充分考慮相鄰掃描檢測區(qū)域的影像有效連接的問題。

4 結論

（1）利用所研制的大型復合材料蜂窩數(shù)字射線自動化檢測設備可以很好地實現(xiàn)大型復合材料蜂窩零件可視化檢測，快速得到整體檢測結果以及結構變化區(qū)分布特征。

（2）利用局部圖像分析可以實現(xiàn)被檢測零件的細節(jié)放大，便于芯格缺陷評判，不僅適用于大型蜂窩夾芯結構，也可兼顧其他夾芯結構和復合材料零部件的檢測，其靈活的結構設計及先進的成像評判方法，減少了人為失誤，顯著提高了檢測效率和檢測準確度，并且已經在實際檢測過程中得到了驗證。隨著工業(yè)生產中自動化、智能化水平的提升，大型蜂窩數(shù)字射線自動化檢測設備必將得到更加廣泛的應用和推廣。

（3）試驗表明，X 射線數(shù)字成像自動化快速掃描檢測技術檢測分辨率可達3.2 LP/mm，具有非常好的實際檢測應用效果。