小直徑導(dǎo)管點焊接頭現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 (綿陽市 621900)

張連新 王增勇 孫朝明 魚勝利

小直徑導(dǎo)管點焊接頭現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 (綿陽市 621900)

張連新 王增勇 孫朝明 魚勝利

設(shè)計開發(fā)了小直徑導(dǎo)管焊接質(zhì)量現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)。首先測試確定了小直徑導(dǎo)管電阻點焊接頭的便攜式微焦點射線源配合DR成像系統(tǒng)的檢測方案，并且提出了焊接質(zhì)量評價準(zhǔn)則，然后設(shè)計了現(xiàn)場移動式檢測系統(tǒng)的總體方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的選型、檢測姿態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計、射線防護(hù)機(jī)構(gòu)設(shè)計和控制軟件設(shè)計開發(fā)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)綜合集成和系統(tǒng)測試應(yīng)用。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)小直徑導(dǎo)管焊接質(zhì)量現(xiàn)場的高效、準(zhǔn)確的焊接質(zhì)量檢測與評價。

電阻點焊 數(shù)字射線成像 現(xiàn)場檢測 焊接質(zhì)量

0 序 言

小直徑導(dǎo)管的擠壓點焊技術(shù)是一種特殊的電阻焊接形式，通常用于較大容器充壓用小直徑導(dǎo)管的帶壓密封。其焊接對象為直徑不大于5 mm、壁厚不大于2 mm的小直徑薄壁導(dǎo)管，焊接接頭是由導(dǎo)管的管壁形成的電阻焊點。與常規(guī)的電阻點焊相比，管材直徑小、焊接過程中伴隨著導(dǎo)管的巨大變形過程形成焊點，因此管體撕裂、內(nèi)部飛濺導(dǎo)致的孔洞、導(dǎo)管內(nèi)壁未完全融合等缺陷比較突出，且對密封性有致命的影響。針對這種特殊焊點中的焊接缺陷，常規(guī)無損檢測手段如射線檢測、超聲檢測等難以進(jìn)行有效的檢測；同時，基于其特殊的應(yīng)用場合和可能的泄露，一般須進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測和評價。因此，有必要研究適宜于該類焊點現(xiàn)場無損檢測方法，對其焊縫質(zhì)量進(jìn)行評價控制。

由于該技術(shù)主要作為密封之用，并且在點焊之前被密封的氣體已經(jīng)加注在容器中，因此對其焊接之后的密封性能提出了極高的要求。一方面需要通過優(yōu)化的焊接參數(shù)保證其焊接質(zhì)量，進(jìn)而確保密封性能；更重要的是需在焊接完成后對其焊接質(zhì)量和密封性能進(jìn)行在位無損檢測。因此，如何在焊接完成之后立即在位對其進(jìn)行密封性能的無損檢測，就成了該技術(shù)能否得到應(yīng)用的關(guān)鍵問題。目前相關(guān)報道基本上都是關(guān)于電阻焊質(zhì)量在檢測方面的文獻(xiàn)[1-3]，重點關(guān)注的是焊接質(zhì)量，幾乎沒有涉及密封性能。故文中以實現(xiàn)小直徑導(dǎo)管點焊接頭現(xiàn)場密封性能檢測與評價目標(biāo)，基于數(shù)字射線成像(DR)技術(shù)開發(fā)出一套現(xiàn)場移動式電阻點焊接頭焊封質(zhì)量檢測系統(tǒng)。

1 檢測方案與評價準(zhǔn)則

1.1 檢測方案

小直徑導(dǎo)管點焊接頭形貌如圖1所示，沿導(dǎo)管的長度方向上表現(xiàn)為圓弧形狀，由中間到兩邊厚度逐漸增加。目前可能的無損檢測技術(shù)主要有超聲波和X射線兩種方式。如采用超聲波方法進(jìn)行檢測，存在以下難題[4-5]：①由于結(jié)構(gòu)限制，不能采用水浸聚焦檢測方法，只能采用接觸法手動檢測；②檢測部位既小又薄，對設(shè)備尤其是超聲換能器的要求非常嚴(yán)格，只能采用微晶片換能器；③缺陷尺寸很小，且工件貼合緊密，超聲波檢測時，容易產(chǎn)生聲波透射而導(dǎo)致漏檢，必須采用較高的檢測頻率，來保證足夠的檢測靈敏度。顯然，超聲檢測法難以解決上述問題。實際檢測試驗結(jié)果表明，在導(dǎo)管焊接的中心平整部位，超聲波底波反射信號比較穩(wěn)定，隨著換能器向邊緣圓弧面的靠攏，檢測信號越來越不穩(wěn)定，很難實現(xiàn)缺陷檢測。

基于以上情況，為實現(xiàn)在位檢測，重點對便攜式微焦點射線源配合DR成像系統(tǒng)的檢測效果進(jìn)行了測試。采用優(yōu)化的射線檢測參數(shù)，對一批焊縫進(jìn)行了檢測，如圖2所示。結(jié)果表明：垂直于導(dǎo)管擠壓焊接接頭平面的正面透照效果最好，可發(fā)現(xiàn)的缺陷最多，對管體撕裂等的檢出效果明顯，但未熔合缺陷需要將檢測角度旋轉(zhuǎn)90°透照方能發(fā)現(xiàn)。由此可知，為保證內(nèi)部缺陷完全檢出，必須要選取互為90°的兩次透照方式，其中一次的透射方向為垂直于焊接平面。

圖1 小直徑導(dǎo)管點焊接頭形貌

圖2 X射線DR檢測效果

測試結(jié)果表明，基于便攜式微焦點射線源配合DR可以實現(xiàn)擠壓焊封盲管的焊接質(zhì)量和密封性能的檢測。

1.2 評價準(zhǔn)則

為了對小直徑導(dǎo)管點焊接頭焊接質(zhì)量和密封性能進(jìn)行檢測，必須建立起焊接質(zhì)量與密封性能和可檢測指標(biāo)之間的關(guān)系，確定點焊接頭質(zhì)量的評判標(biāo)準(zhǔn)。文中提出了等效熔核長度L用于表征盲管的焊接質(zhì)量和密封性能，其定義為：

式中,L為等效熔核長度；L1為實際熔核長度；δx為導(dǎo)管軸向穿過熔核的任一直線上缺陷長度之和與L1的比值的最大值；δy為沿導(dǎo)管焊封寬度方向穿過熔核的任一直線上缺陷長度之和與寬度W(定義如圖1所示) 的比值的最大值；δz為沿導(dǎo)管焊封高度方向穿過熔核的任一直線上缺陷長度之和與高度H(定義如圖1所示)的比值的最大值。

等效熔核長度L間接反映了焊接質(zhì)量和密封性能。當(dāng)L大于導(dǎo)管壁厚(即0.6 mm)時，即認(rèn)為導(dǎo)管的焊接質(zhì)量滿足要求。經(jīng)過大量的工藝試驗，證明上述評判標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足導(dǎo)管質(zhì)量的評判。后續(xù)還需對其進(jìn)行更深入的考核和修正。

2 現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 總體方案

根據(jù)功能需要和測試結(jié)果，設(shè)計了如圖3所示的小直徑導(dǎo)管點焊接頭現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)，主要包括便攜式微焦點射線源、DR成像系統(tǒng)、控制計算機(jī)、檢測姿態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和射線防護(hù)機(jī)構(gòu)。整個檢測系統(tǒng)集成在一個可自由多向移動且可以固定的移動平臺上，實現(xiàn)檢測平臺在現(xiàn)場的自由移動。

圖3 現(xiàn)場移動式DR檢測系統(tǒng)總體方案

其中的微焦點射線源和DR成像系統(tǒng)是檢測系統(tǒng)的核心元件，直接決定了檢測能力和成像質(zhì)量；檢測姿態(tài)變換機(jī)構(gòu)，用于實現(xiàn)在工件不方便轉(zhuǎn)動的情況下，同步旋轉(zhuǎn)射線源和DR成像系統(tǒng)，實現(xiàn)對盲管互相垂直的兩個方向進(jìn)行檢測的功能；簡易射線防護(hù)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)射線系統(tǒng)在現(xiàn)場進(jìn)行檢測的時候，對操作者進(jìn)行防護(hù)，然后再通過一定的物理距離，確保操作者的安全；控制計算機(jī)控制射線機(jī)和成像系統(tǒng)的工作、數(shù)字圖像的采集、圖像的處理和焊接質(zhì)量的評價。

2.2 射線源與DR系統(tǒng)

經(jīng)過對比，ENVISION，GE，YXLON，VARIAN等廠家的成熟的產(chǎn)品可以滿足檢測要求。對于射線源來說，射線能量和焦點尺寸是核心要素。一般來說，恒壓微焦點射線源的成像質(zhì)量和精度會較高，但是防護(hù)要求較嚴(yán)格；與此相對應(yīng)，脈沖式射線源的防護(hù)就會比較簡單，對在位檢測設(shè)備的總體集成來說比較方便，但是缺點就是脈沖式射線源的成像質(zhì)量略有降低。綜合考慮成像質(zhì)量和防護(hù)兩方面的因素，確定采用脈沖式射線源；對于成像板來說，在成像板大小能滿足要求的前提下，成像的質(zhì)量與像素點的尺寸大小有密切關(guān)系，對比之下，確定采用成像板像素點尺寸最小(達(dá)到了48 μm)的102 mm×102 mm的CMOS成像板。

2.3 檢測姿態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計

前述的測試結(jié)果表明需在盲管焊接處相互垂直的兩個方向分別用X射線穿透照射，從互相垂直的兩個方向進(jìn)行檢測,因此在實現(xiàn)在位檢測過程中需對盲管本身旋轉(zhuǎn)90°或者檢測機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°。由于導(dǎo)管與其它較大部件具有機(jī)械連接關(guān)系，其旋轉(zhuǎn)運動難以實現(xiàn)，為此采用檢測機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)的辦法[4-5]，為了避免在旋轉(zhuǎn)過程中射線源和成像板的相互位置關(guān)系不發(fā)生變化，因此設(shè)計了如圖4所示的“C”型臂結(jié)構(gòu)，射線源和成像板固定在同一個支撐架上，二者的距離可以根據(jù)成像質(zhì)量的需要進(jìn)行調(diào)整。通過支撐架在圓弧形導(dǎo)軌上旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)二者繞導(dǎo)管軸線同旋轉(zhuǎn)且相對位置保持不變。

圖4 檢測姿態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)

根據(jù)射線機(jī)、工件和成像板之間的相對位置，根據(jù)一般射線檢測標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行確定。要實現(xiàn)AB以上級射線檢測質(zhì)量，射線源至工件的表面距離f應(yīng)滿足以下要求：

f≥10d·b2/3

(1)

式中,d為射線源焦點尺寸(mm)；b為工件表面至成像板表面距離(mm)。

射線機(jī)的焦點尺寸為3 mm，系統(tǒng)集成要求射線源與成像器之間的間距盡可能小，由于回轉(zhuǎn)空間的限制，b值不能太小，最后根據(jù)設(shè)備集成需要，選擇了b為不超過10 mm，f值140 mm進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.4 射線防護(hù)設(shè)計

脈沖式射線源需要的防護(hù)比較簡單，只需要對射線源的正前方和正后方進(jìn)行遮擋即可。由于射線源需要在兩個互相垂直的工位對導(dǎo)管進(jìn)行檢測，因此需要對射線源的照射區(qū)域的四個方向進(jìn)行遮擋，因此設(shè)計了如圖3所示的防護(hù)方案。即整個防護(hù)機(jī)構(gòu)中射線源

水平和垂直兩種工作狀態(tài)的正前方和正后方采用“鋼+鉛+鋼”的防護(hù)結(jié)構(gòu)。這其中的核心問題是防護(hù)用夾在兩層鋼板間的鉛板的厚度。計算內(nèi)容如下。

2.4.1 已知條件

射線機(jī)能量 150 kV，脈沖式；最大發(fā)射功率3 000脈沖/小時；射線源-成像板距離 150 mm；操作臺-射線源距離 >1.5 m；射線機(jī)的輻射劑量3 mR/100個脈沖(射線機(jī)背面50 mm處)。

2.4.2 射線機(jī)輻射劑量計算

由射線機(jī)的最大發(fā)射功率 3 000脈沖/小時，輻射劑量3 mR/100個脈沖，可以算出射線機(jī)的輻射劑量率為：3 000×(3/100)= 90 mR/h = 0.9 mSv/h(1 R≈10 mSv)。

2.4.3 工作臺附近的輻射劑量計算

射線源-成像板距離 150 mm，即射線機(jī)的工作半徑為150 mm。

根據(jù)距離防護(hù)理論可知，在150 mm處的輻射劑量為0.1 mSv/h。

2.4.4 個人輻射限值計算

根據(jù)GB 18871—2002《電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，放射性工作人員的年劑量限值最高為50 mSv，連續(xù)5年平均每年不多于20 mSv，每年工作時間按50周/年計算，每周的劑量限值為1 mSv(最高)/0.4 mSv(平均)。

按每周工作5天，每天工作6小時計算，個人輻射限值最大可達(dá)到0.03 mSv/h，平均0.012 mSv/h。均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.5 鉛防護(hù)厚度計算

采用較好的安全邊際，要將射線強(qiáng)度從0.1 mSv/h降低到0.012 mSv/h，用鉛板屏蔽時，需要的減弱倍數(shù)為： 0.1/0.012≈9。

射線強(qiáng)度在鉛中按指數(shù)衰減規(guī)律遞減：2n=9，得出n=3.2。

對150 kV的射線機(jī)，鉛的半價層厚度Th=0.3 mm，所需屏蔽鉛層厚度為：d=n×Th=3.2×0.3≈1 mm。

因此，選擇1 mm厚的鉛板復(fù)合在鋼板中間制作防護(hù)結(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)集成與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)硬件集成

系統(tǒng)的硬件連接如圖5所示，系統(tǒng)控制計算機(jī)通像；PT1000圖像采集與處理引擎通過LVDS與成像板進(jìn)行連接，同時通過I/O接口對脈沖射線源進(jìn)行觸發(fā)。

圖5 檢測系統(tǒng)硬件集成圖

3.2 控制軟件開發(fā)

焊接質(zhì)量評價軟件基于WindowsXP操作系統(tǒng)，以數(shù)字成像板的圖像采集動態(tài)鏈接庫為支撐軟件，基于Visual C++進(jìn)行開發(fā)。軟件能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的采集、顯示、處理、增強(qiáng)、關(guān)鍵尺寸的測量、依據(jù)焊接質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)對盲管進(jìn)行質(zhì)量評判等功能。其中的核心是圖像的增強(qiáng)，關(guān)鍵尺寸的測量與質(zhì)量評價。

3.2.1 圖像增強(qiáng)

該軟件具備的豐富的圖像增強(qiáng)功能[6]包括亮度、對比度調(diào)節(jié)、自動調(diào)節(jié)對比度、直方圖均衡化處理、邊緣增強(qiáng)、模糊增強(qiáng)、浮雕顯示、濾除噪聲、目標(biāo)提取分割、邊緣提取等。同時針對大尺寸的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，將會耗費較多時間，而有時并不需要對整幅圖像進(jìn)行處理，選取ROI(感興趣區(qū)域)進(jìn)行相應(yīng)的處理將會減少計算量，從而提高軟件的運算速度。在進(jìn)行圖像處理時，如果存在ROI區(qū)域，則根據(jù)設(shè)置的范圍，只針對圖像上的此區(qū)域進(jìn)行處理。通過ROI區(qū)域，可實現(xiàn)圖像的裁剪。

3.2.2 關(guān)鍵尺寸測量與焊接質(zhì)量評價

為方便實現(xiàn)測量，在程序中可通過當(dāng)前鼠標(biāo)對待測量區(qū)域畫一條直線。通過所畫的直線，并將相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像上的實際坐標(biāo)，可計算出相應(yīng)位置的灰度輪廓曲線(圖6)。如果選取直線位置發(fā)生相應(yīng)變化，則對應(yīng)的灰度曲線進(jìn)行自動更新。

為實現(xiàn)焊接部位缺陷的定量評價，需要將焊縫處的缺陷有效的提取出來。采用二值化分割方法，通過設(shè)置合適的閾值，將缺陷與背景分開[7-8]。在缺陷存在的部位，矩形頂部將會有一個明顯的下降。根據(jù)這一個特征，可實現(xiàn)焊接缺陷的自動化準(zhǔn)確提取分割。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)焊接缺陷尺寸的自動測量和等效熔核長度的測量，基于評價準(zhǔn)則，給出最終的判斷。

圖6 測量直線及對應(yīng)的灰度輪廓線

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

為驗證檢測結(jié)果，對射線檢測后尤其是射線檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的位置(圖7a)，采用金相解剖的方法進(jìn)行驗證分析。為了保證完整地評價整個擠壓焊封區(qū)域，采取了縱向(平行于管軸線方向，圖7b)和橫向(垂直于管軸線方向，圖7c)兩個斷面方向的取樣剖面，以觀察整個焊接長度內(nèi)的焊接質(zhì)量總體情況。

試驗結(jié)果表明焊縫的成像質(zhì)量清晰，結(jié)合圖像處理技術(shù)更有利于內(nèi)部缺陷的檢出。焊接接頭對于焊縫內(nèi)0.2 mm量級缺陷可以被DR檢測系統(tǒng)很好地辨識并測量尺寸，金相解剖結(jié)果與射線檢測結(jié)果具有良好的對應(yīng)關(guān)系。這說明采用該DR檢測系統(tǒng)能夠有效地檢測這種特殊的點焊接頭內(nèi)的缺陷，并能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接質(zhì)量的準(zhǔn)確評價。但是焊縫的解剖金相在顯微鏡下觀察顯示，小于0.2 mm的缺陷并不能被DR系統(tǒng)檢出。但是，根據(jù)文中的評價準(zhǔn)則，0.2 mm以下的缺陷并不影響焊縫的整體密封性能，因此系統(tǒng)對于該類對象的檢測是可靠的。

圖7 DR系統(tǒng)檢測結(jié)果

基于該系統(tǒng)進(jìn)行了某批次45件試件的檢驗。所有試件的等效熔核長度均大于導(dǎo)管壁厚，滿足要求。為了驗證該評價方法的正確性，對所有試件均進(jìn)行了密封性測試，結(jié)果表明都滿足密封性要求。通過該試驗初步驗證了評價方法的正確性和可行性。

4 結(jié) 論

(1)文中通過理論和試驗手段對比了超聲波和X射線兩種無損檢測方法，提出了采用便攜式脈沖射線源搭配DR成像系統(tǒng)進(jìn)行小直徑導(dǎo)管點焊現(xiàn)場檢測的技術(shù)方案，并確定了等效熔核長度的焊縫質(zhì)量評價準(zhǔn)則。

(2)基于方案和準(zhǔn)則，設(shè)計開發(fā)了小直徑導(dǎo)管點焊現(xiàn)場DR檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了焊接質(zhì)量處理與評價軟件；集成測試表明該方法和系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)小直徑導(dǎo)管點焊焊點的現(xiàn)場檢測需求。

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2016-06-21

TG438.2

張連新，1978年出生，博士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師。主要從事焊接自動化與智能化，精密與超精密加工裝備研發(fā)工作，已發(fā)表論文20余篇。