一種碳纖維復合材料X射線穿透曲線的繪制方法

董方旭，王從科，趙付寶，凡麗梅

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所， 濟南 250031)

?

一種碳纖維復合材料X射線穿透曲線的繪制方法

董方旭，王從科，趙付寶，凡麗梅

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所， 濟南 250031)

摘要：提出了一種碳纖維復合材料X射線穿透曲線的繪制方法。首先確定了最佳機械系統(tǒng)參數(shù)，然后找到碳纖維復合材料的最佳X射線穿透率，以此為基準確定不同厚度碳纖維復合材料對應的檢測電壓，從而完成了復合材料X射線穿透曲線的繪制,并得到了擬合公式。利用該方法獲得的X射線穿透曲線,對碳纖維復合材料數(shù)字射線成像最佳檢測參數(shù)的選擇具有重要的指導作用。

關鍵詞：碳纖維復合材料;機械系統(tǒng)參數(shù);X射線穿透率;X射線穿透曲線;繪制方法

隨著X射線檢測技術的發(fā)展，對檢測圖像的質量有了越來越高的要求[1]，影響檢測圖像質量的因素有很多，主要有像素、對比度、不清晰度、分辨率、放大倍數(shù)和檢測電壓[2]，其中放大倍數(shù)與檢測電壓為可變因素，對圖像質量影響較大[3]。通常，在進行X射線無損檢測過程中，技術人員最關心的問題就是可以檢出各類缺陷的最小尺寸[4-5]，因此要對檢測工藝參數(shù)進行選擇來獲得高質量的檢測圖像。對于給定的X射線檢測系統(tǒng)，存在一個與放大倍數(shù)直接相關的最佳機械系統(tǒng)參數(shù)，在確定了最佳機械系統(tǒng)參數(shù)的情況下電壓的選取尤為重要。

檢測電壓不僅要能保證X射線能夠穿透被檢測工件，同時還要滿足穿透被檢測工件后有足夠多的光子被探測器采集到;如果光子數(shù)太少會由于散射光子的存在而降低信噪比，光子數(shù)過多則會使背景與被檢測工件間的差異減小，從而影響檢測結果的評判。即電壓過低會降低信噪比，電壓過高會降低對比度。

曝光曲線和穿透曲線均是表示工件(材料、厚度)與工藝參數(shù)(電壓等)之間關系的曲線。曝光曲線是在固定電壓的情況下繪制的曝光量-厚度曲線或固定曝光量的情況下繪制的電壓-厚度曲線[6]；穿透曲線是在固定穿透率的情況下繪制的電壓-厚度曲線。

對于金屬材料，在已知工件的材料與厚度情況下,可以通過曝光曲線來確定合適的檢測電壓，這樣不僅省時而且可以獲得最佳的檢測圖像。而對于復合材料，就沒有不同材料的穿透曲線標準圖，更沒有供借鑒的穿透曲線繪制方法。

筆者在確定最佳機械系統(tǒng)參數(shù)的基礎上,介紹了一種碳纖維復合材料X射線穿透曲線的繪制方法，即基于最佳的X射線穿透率繪制某一復合材料的X射線穿透曲線,并得到擬合公式，以此為依據(jù)確定不同厚度復合材料工件最佳的檢測電壓。

1試驗試樣及設備

1.1試驗試樣

試驗所用試樣為不同厚度的碳纖維復合材料板，厚度范圍為70～150 mm。按標準GJB 1038.2A-2004《纖維增強復合材料無損檢測方法第二部分 X射線照相檢驗》要求,使用碳纖維復合材料制作槽型像質計，制作出的槽型像質計如圖1所示。

圖1　試驗用的槽型像質計外觀

1.2試驗設備

采用德國依科視朗國際射線有限公司(YXLON)生產(chǎn)的雙源雙探測器X射線CT(計算機斷層掃描)檢測系統(tǒng)。

2試驗過程及結果

2.1最佳機械系統(tǒng)參數(shù)的確定

2.1.1不清晰度與放大倍數(shù)

在X射線檢測時，檢測圖像是由具有不同灰度等級的像素組成的，像素具有一定的尺寸，因此檢測圖像的空間分辨率,即清晰度將會受到影響。

總的不清晰度U由系統(tǒng)固有不清晰度Ui和幾何不清晰度Ug兩部分組成,關系如下：

(1)

式中：U為檢測圖像總的不清晰度；Ui為系統(tǒng)固有不清晰度；Ug為幾何不清晰度。

系統(tǒng)固有不清晰度是X射線檢測系統(tǒng)的固有屬性，標準NB/T 47013.11-2015《承壓設備無損檢測第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》中規(guī)定探測器固有不清晰度約等于探測器像素尺寸的2倍，實驗室的X射線檢測系統(tǒng)的探測器像素尺寸為0.127 mm，即該系統(tǒng)固有不清晰度為0.254 mm。

由于X射線源的焦點具有一定的尺寸，從而被檢測工件邊緣或缺陷邊界會產(chǎn)生半影，如圖2所示，該半影的寬度即為幾何不清晰度(其中S為被檢測工件厚度)。

圖2　幾何不清晰度的圖像表示

幾何不清晰度的計算公式為：

(2)

式中：a為射線源焦點尺寸；SDD為射線源到探測器的距離，mm；SOD為射線源到被檢測工件的距離，mm；ODD為被檢測工件到探測器的距離，mm；M為放大倍數(shù)。

從式(2)可以看出，幾何不清晰度隨著射線源焦點尺寸及放大倍數(shù)的增大而增大。在射線源焦點尺寸不變的情況下，放大倍數(shù)即機械系統(tǒng)參數(shù),是決定X射線成像檢測質量的主要工藝參數(shù)。

隨著放大倍數(shù)的增大，缺陷的尺寸也隨之增大，有利于缺陷特征的識別；但放大倍數(shù)增大導致幾何不清晰度增大，從而影響檢測圖像的質量，因此存在一個最佳的放大倍數(shù)。標準GB/T 19293-2003《對接焊縫X射線實時成像檢測法》中給出了最佳放大倍數(shù)的換算公式：

(3)

式中：Mopt為最佳放大倍數(shù)。

由式(3)可以看出,最佳放大倍數(shù)與系統(tǒng)固有不清晰度及射線源焦點尺寸有關。

2.1.2最佳機械系統(tǒng)參數(shù)

實驗室擁有的X射線檢測系統(tǒng)中,450 kV的射線源有2.5 mm及5.5 mm兩種焦點，射線源到轉臺中心的最小距離SODmin=650 mm，最大距離SODmax=1 185 mm，射線源到探測器最大距離SDDmax=1 460 mm；225 kV的射線源有0.25,0.3,0.5,0.8 mm四種焦點，射線源到轉臺中心的最小距離SODmin=800 mm，最大距離SODmax=1 335 mm，射線源到探測器最大距離SDDmax=1 610 mm。結合射線源焦點尺寸、最佳放大倍數(shù)、系統(tǒng)固有不清晰度及探測器像素尺寸等的相關關系，得出幾組焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)的組合,如表1所示。

表1　焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組合

由表1可知,結合實際X射線CT檢測系統(tǒng)，符合條件的焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組合為5～11組。

為了探求最佳的焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組合，選擇厚度為130 mm的碳纖維復合材料板，將5 mm厚的B型槽型像質計放到試樣靠近射線源端，設置管電壓為100 kV，管電流為2 mA，進行X射線DR(數(shù)字X射線)成像檢測。對檢測結果進行分析，通過相對靈敏度的大小決定最佳的焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組合。

相對靈敏度反映了缺陷特征的識別能力。相對靈敏度越小，缺陷細節(jié)特征越容易被檢測到，相應的檢測圖像質量越好。

標準GJB 1038.2A-2004中對相對靈敏度的要求是：不用濾線器的情況下，透照厚度T為70～140 mm之間時，相對靈敏度不大于1.25%。相對靈敏度Sw的計算公式為：

(4)

式中：Sw為相對靈敏度，%；h為掃描圖像中可辨認的槽型像質計的最淺槽深，mm；T為透照厚度，mm。

對各組合下所得的像質計圖像進行分析處理，分別找出各組合下可辨認的槽型像質計最淺槽深,并計算相對靈敏度,計算結果見表2。

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，不同的焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組所對應的相對靈敏度不同，組合9是0.5 mm的焦點尺寸，SOD為1 184 mm，SDD為1 610 mm時相對靈敏度最小，系統(tǒng)靈敏度越高，可以認為組合9為最佳的焦點尺寸、機械系統(tǒng)參數(shù)組合。

表2　各組合下可辨認的槽型像質計最淺槽深及

2.2最佳X射線穿透率的確定

選擇同樣厚度并帶有B型槽型像質計的試驗試樣，按組合9的參數(shù)設置調整射線源焦點尺寸及機械系統(tǒng)參數(shù)。在不同的射線源電壓及電流下,對試樣進行X射線DR成像檢測，計算各電壓下的X射線穿透率及相對靈敏度。

X射線穿透率定義為穿過被檢測工件后的X射線強度與穿過被檢測工件前的X射線強度的比值，用T表示，即：

(5)

不同種類的復合材料具有不同的最佳X射線穿透率，X射線穿透率不是越大越好。X射線穿透率過小會減少有效信息量，X射線穿透率過大會使有效信息占的比重減小。最佳X射線穿透率同樣也可以通過比較不同X射線穿透率下圖像相對靈敏度的大小來進行選取,各參數(shù)計算結果見表3。

做X射線穿透率與電壓的關系圖，見圖3。從圖3可看出，隨著電壓的增加，被檢測試樣的X射線穿透率也增加，且增加速率逐漸減慢，最后X射線穿透率接近一定值。

作相對靈敏度與X射線穿透率的關系圖，見圖4。

從表3及圖4可以看出，由于像質計厚度為5 mm，試樣厚度為130 mm,不同電壓下分辨槽深不同,穿透厚度也不同,在100 kV和110 kV下穿透133.8 mm厚碳纖維復合材料,同60 kV下穿透133 mm厚碳纖維復合材料具有相同的檢測效果，在100 kV和110 kV下既能達到標準GJB 1038.2A-2004中相對靈敏度的要求，又可以達到高的分辨率。對相同試樣在相同的射線源焦點尺寸、相同機械系統(tǒng)參數(shù)下,在102～108 kV間每隔2 kV再做4次X射線DR成像追加試驗,并對檢測結果進行分析，結果顯示同樣可以達到0.89%的相對靈敏度。因此X射線穿透率在5.5%左右時，檢測圖像質量最好，可以認為5.5%是碳纖維復合材料在實驗室X射線CT檢測系統(tǒng)下的最佳X射線穿透率。

表3　試驗用電壓電流及各參數(shù)計算結果

圖3　130 mm厚碳纖維復合材料試樣的X射線穿透率與電壓的關系曲線

圖4　130 mm厚碳纖維復合材料試樣的相對靈敏度與X射線穿透率的關系曲線

2.3X射線穿透曲線的繪制

以達到5.5%的X射線穿透率為基礎，調節(jié)獲得適合于不同厚度(70～150 mm)碳纖維復合材料的電壓、電流，見表4。

表4　不同厚度碳纖維復合材料達到5.5%的

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)繪制X射線穿透曲線,并用ORIGIN軟件進行曲線擬合,見圖5。

圖5　碳纖維復合材料的X射線穿透曲線

所得到的擬合公式為：

(6)

式中：U為電壓，kV；h為穿透厚度，mm。

相關系數(shù)R2為0.998 05,接近于1，曲線擬合得較好，可以用于該X射線檢測系統(tǒng)下不同厚度碳纖維復合材料最佳檢測電壓的選擇。

3結語

在確定最佳機械系統(tǒng)參數(shù)的基礎上,介紹了一種碳纖維復合材料X射線穿透曲線的繪制方法，并通過試驗進行了具體說明。該方法簡單、實用性強，在X射線實際檢測中起到了重要的作用。

這里需要注意的是，同種復合材料在不同的X射線檢測系統(tǒng)下的X射線穿透曲線也有區(qū)別，不能通用，各單位可以根據(jù)需要繪制對于不同材料的X射線穿透曲線，從而有利于X射線檢測。

參考文獻:

[1]NIKISHKOV Y, AIROLDI L, MAKEEV A. Measurement of voids in composites by X-ray computed tomography [J]. Composites Science and Technology, 2013,89:89-97.

[2]荊鋒.X射線實時成像系統(tǒng)的應用[J]. 無損檢測, 2004, 26(6):318-320.

[3]史建軍.X射線實時成像技術在鈦合金焊縫探傷中的工藝試驗研究[J]. 無損檢測, 2007, 29(8):469-471,476.

[4]張朝宗.工業(yè)CT技術參數(shù)對性能指標的影響-兼談如何選擇工業(yè)CT產(chǎn)品[J]. 無損檢測, 2007,29(1):48-52.

[5]BULL D J, HELFEN L, SINCLAIR I, et al. A comparison of multi-scale 3D X-ray tomographic inspection techniques for assessing carbon fibre composite impact damage [J]. Composites Science and Technology, 2013,75:55-61.

[6]強天鵬.射線檢測[M].北京:中國勞動社會保障出版社,2007:115-117.

Drawing Method of X-ray Penetration Curve of the Carbon Fiber Composite Materials

DONG Fang-xu, WANG Cong-ke, ZHAO Fu-bao, FAN Li-mei

(CNGC Institute 53, Jinan 250031, China)

Abstract：The article proposes a drawing method of X-ray penetration curve of the carbon fiber composite material. First, the best mechanical system parameters are determined. Then the best X-ray penetration rate of the carbon fiber composite material is found. And on this datum the X-ray penetration curve of the carbon fiber composite material and the fitting formula are obtained. The penetration curve obtained by this method has an important guidance function for choosing the optimum detection parameters of the fiber reinforced composite by the X-ray digital radiography.

Key words:Carbon fiber composite material; Mechanical system parameter; X-ray penetration rate; X-ray penetration curve; Drawing method

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：董方旭(1990-)，男，碩士研究生，主要從事復合材料的X射線無損檢測研究工作。通信作者：王從科(1966-)，男，碩士，研究員，主要從事無損檢測應用及技術研究工作,E-mail: wck53@sina.com。

DOI:10.11973/wsjc201605008

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0030-04