鑄鋼產(chǎn)品無損檢測方法研究

摘要：鑄件的全面無損檢測在鑄造行業(yè)一直來都存在困難，工作環(huán)境差、勞動強度大，作業(yè)不能實現(xiàn)機械化、自動化，長期來都依賴大量人員手工作業(yè)和檢測經(jīng)驗局限。本文主要從鑄鋼產(chǎn)品無損檢測的技術(shù)發(fā)展趨勢、綜合性的無損檢測方法和設(shè)備前瞻，闡述了鑄鋼產(chǎn)品新型無損檢測技術(shù)及設(shè)備，希望達到指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，提高工作效率的目的。

關(guān)鍵詞：大型鑄鋼件 CT無損精確檢測

0 引言

隨著鑄造業(yè)的迅速發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量標準逐級提高，無損檢測要求更加嚴格。大型鑄件不僅檢測其內(nèi)部缺陷，嚴格探傷，而且要精確測量缺陷尺寸。超聲波檢測、磁粉檢測、射線照相檢測等傳統(tǒng)的無損檢測標準已達不到現(xiàn)代大型鑄鋼件內(nèi)部缺陷準確要求。工業(yè)CT技術(shù)應(yīng)運而生，學(xué)術(shù)名稱：工業(yè)計算機斷層掃描成像技術(shù)。是將被測體所檢測斷層孤立成像，以期對構(gòu)件內(nèi)部進行三維立體分析，準確定位內(nèi)部缺陷，精確量測缺陷尺寸，并準確獲知物件的構(gòu)造、尺寸及其內(nèi)部材料的密度變化等物理特性，檢測效果是其它傳統(tǒng)的無損檢測方法所不及的。工業(yè)CT目前只針對工業(yè)產(chǎn)品進行無損檢測，工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸和形狀都各不相同，測量要求要根據(jù)產(chǎn)品的類型而定，切忌“一刀切”。此外，測量技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，加之結(jié)構(gòu)多樣化，所以針對大型鑄鋼件檢測專用性較強。國際無損檢測界把工業(yè)CT 稱為最佳的無損檢測手段。

1 工業(yè)CT 的基本原理及發(fā)展

工業(yè)CT設(shè)備必須有屏蔽設(shè)施，可以起到安全防護的作用。此外，設(shè)備的構(gòu)造還包括計算機系統(tǒng)、探測器系統(tǒng)、機械掃描系統(tǒng)及射線源。圖1清晰展示了工業(yè)CT的工作原理。

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圖1 ICT 結(jié)構(gòu)工作原理簡圖

射線源提供CT掃描成像的能量線束穿透試件，基于射線在試件內(nèi)衰減狀況重建各點衰減系數(shù)表征的CT圖像。射線源發(fā)射的錐形射線束通過前直準器處理為圖2所示的126扇形射束。信號屏蔽通過后準直器實現(xiàn)，旨在對接受數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行改進。屏蔽器具有安全防護功能，大型設(shè)備的屏蔽器需要現(xiàn)場安裝，小型設(shè)備通?？赏ㄟ^自帶的屏蔽設(shè)施進行安全防護。

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圖2 掃描成像

現(xiàn)階段業(yè)界進行實驗檢測與生產(chǎn)控制常用的是第五代CT。該設(shè)備屬于多源多探測器的一個類別。上圖展示的是一種鋼管生產(chǎn)在線檢測與控制壁厚的CT系統(tǒng)。源與探測器呈120度，工件和源到探測器間不作相對轉(zhuǎn)動，只需管子沿軸向快速作分層運動，內(nèi)部缺陷一目了然。

2 工業(yè)CT選擇

2.1 檢測范圍

檢測范圍即為ICT機的檢測對象。比如，可對試件材料的最大重量、最大高度、最大長度、最大厚度以及最大回轉(zhuǎn)直徑進行透射。

2.2 輻射源的使用

高能直線加速器：能量大小（MeV）、出束角度、焦點尺寸。X射線源：能量大小、工作電壓（kV）、工作電流（mA）、出束角度、焦點大小等。γ源：是哪一種γ源，如192Ir、137Cs 和60Co，源強、活性區(qū)尺寸直徑、長度等。

2.3 ICT 的掃描方式

有無數(shù)字投影成像或?qū)崟r成像功能等。

2.4 分辨能力

分辨能力通常指密度分辨率和空間分辨率，這是衡量ICT性能的重要指標。

空間分辨率：是指通過CT圖像可辨別最小結(jié)構(gòu)細節(jié)

的能力。

密度分辨率：是指通過CT圖像可分辨出最小密度差異的能力（通常跟特征區(qū)域大小結(jié)合在一起評定）。

空間分辨率與密度分辨率在同等的輻射劑量下往往相互矛盾。密度分辨率會隨著空間分辨率提高而減小，反之亦然。所以如何平衡之間的關(guān)系是工業(yè)CT如何在實踐測量應(yīng)用中需要專項解決的一項課題。

3 工業(yè)CT 在大型鑄鋼件的應(yīng)用

工業(yè)CT 在無損檢測中有著不可替代的優(yōu)越性。缺陷檢測方面最成功的范例是固體發(fā)動機的檢測和高鐵列車車架檢測（圖3）。目前已經(jīng)有國內(nèi)鐵路鑄件廠家成功應(yīng)用，孔隙、雜質(zhì)、開裂情況，裝配件襯套與殼體之間的結(jié)合效果都可通過工業(yè)CT施測。利用該設(shè)備可繪制構(gòu)件的三維圖像，還可通過其測量復(fù)雜結(jié)構(gòu)件內(nèi)部尺寸，并分析關(guān)鍵裝配件的情況，旨在檢驗構(gòu)件的尺寸及裝配件是否達標。一般小試件內(nèi)十幾微米的缺陷都可以通過工業(yè)CT的微焦點X射線檢測出來，因此該設(shè)備適用于對高彈性模量及缺陷嚴格要求的零件的無損檢測。

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圖3 大型鐵路車輛鑄件檢測示意圖

工業(yè)CT 掃描成象使得試件的組分特性清晰再現(xiàn)，對于缺陷的定位和測量精準無誤。除此之外，可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域。比如美國波音公司近年來一直致力于利用該設(shè)備進行纖維增強復(fù)合材料、膠結(jié)結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)件的缺陷檢測，認為工業(yè)CT 可檢測纖維分布的均勻性、孔隙、疏松、膠結(jié)界面的厚度及變化情況（圖4）、圖層厚度及變化、材料固化時的流動特性、外來夾雜物等。

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圖4 各型物體整體成像分析圖形

但當(dāng)前，工業(yè)CT 的應(yīng)用領(lǐng)域較為局限。造價高是限制其大范圍推廣應(yīng)用的一個主要原因。從成本來看，工業(yè)CT 設(shè)備要比同類無損檢測設(shè)備造價高，檢測成本也高，因此目前只適合檢測一些高價值的零件或零件的關(guān)鍵部位。另一方面，工業(yè)CT設(shè)備專用型性強，其結(jié)構(gòu)與配置必須根據(jù)檢測對象及技術(shù)要求而定。此外，試件尺寸對工業(yè)CT細節(jié)特征分辨能力的影響較大，尺寸小的試件設(shè)備分辨能力高，尺寸大的試件分辨能力低，這類弊端隨著技術(shù)的發(fā)展將會得到克服。

4 結(jié)束語

通過以上論述，工業(yè)CT設(shè)備的先進性不言而喻。無損檢測系統(tǒng)的缺點通過它一一克服。工業(yè)CT可通過圖像顯示施測零件的斷面，檢測靈敏度及空間分辨率較高。該設(shè)備能夠準確測量和定位零件的缺陷，具有較寬的動態(tài)范圍，可見它在無損檢測中的作用舉足輕重。工業(yè)CT目前的應(yīng)用領(lǐng)域雖然局限，但其簡單高效的檢測方法已得到業(yè)界的關(guān)注，因此是不可替代的。通過以上鑄鋼無損檢測技術(shù)的研究，有效地跟蹤檢測前沿技術(shù)，目前該公司已經(jīng)開始于相關(guān)設(shè)備廠家開展了技術(shù)交流試驗，部分實踐成功的技術(shù)和設(shè)備將有效地應(yīng)用到鑄鋼檢測設(shè)備生產(chǎn)中，這對于鑄鋼件的質(zhì)量、作業(yè)效率、環(huán)境改善發(fā)揮了重要的推動作用。

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作者簡介：劉志學(xué)（1982-），男，寧夏銀川人，助理工程師，研究方向：鑄造機械、檢測設(shè)備等。