X射線數(shù)字成像技術(shù)在鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗檢測(cè)中的應(yīng)用

杜向陽(yáng)

（上海材料研究所，上海 200437）

X射線數(shù)字成像技術(shù)在鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗檢測(cè)中的應(yīng)用

杜向陽(yáng)

（上海材料研究所，上海 200437）

采用X射線數(shù)字成像技術(shù)，對(duì)鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)論證了該技術(shù)在檢測(cè)鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗中切實(shí)可行，同時(shí)表明了X射線數(shù)字成像技術(shù)相對(duì)于常規(guī)膠片檢測(cè)的功能優(yōu)勢(shì)和效率優(yōu)勢(shì)。

制動(dòng)卡鉗；球墨鑄鐵；X射線數(shù)字成像

汽車(chē)制動(dòng)卡鉗主要用于汽車(chē)的減速和剎車(chē)，大多由耐磨性好，強(qiáng)度高的球墨鑄鐵制成。制動(dòng)卡鉗屬于汽車(chē)零部件中的重要安全件，必須進(jìn)行X射線質(zhì)量檢測(cè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一半以上的汽車(chē)硬件故障來(lái)源于制動(dòng)系統(tǒng)。

目前，針對(duì)制動(dòng)卡鉗的質(zhì)量檢測(cè)，傳統(tǒng)的方法是采用X射線膠片檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)檢測(cè)效率較低，每件制動(dòng)卡鉗的檢測(cè)時(shí)間約為90分鐘。同時(shí)，對(duì)于已經(jīng)成像的底片，后續(xù)的優(yōu)化分析方案較少，不利于進(jìn)一步的圖像分析。此外，膠片及藥水在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)帶來(lái)不可避免的化學(xué)污染。

近年來(lái)，X射線數(shù)字成像(Digital Radiography,DR)技術(shù)發(fā)展迅速。相比于X射線膠片技術(shù)，DR檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)效率較高，同時(shí)，DR檢測(cè)技術(shù)的影像可以通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示，不需要建造暗室和購(gòu)買(mǎi)洗片耗材，節(jié)省檢測(cè)成本。影像分析過(guò)程中可以在不破壞原始數(shù)據(jù)的前提下，使用銳化、對(duì)比度調(diào)節(jié)等優(yōu)化功能。DR檢測(cè)技術(shù)在形狀簡(jiǎn)單的板材、管材中都有應(yīng)用。文中，筆者以形狀較為復(fù)雜的——制動(dòng)卡鉗作為試驗(yàn)對(duì)象，研究X射線數(shù)字成像技術(shù)在鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 DR檢測(cè)原理及檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 工作原理

在X射線數(shù)字成像技術(shù)中，射線穿過(guò)被檢工件以后，由數(shù)字探測(cè)器接收。工業(yè)較為通用的數(shù)字探測(cè)器一般由保護(hù)層、光學(xué)反射板、閃爍體、非晶硅陣列以及電荷傳輸模塊組成。X射線與閃爍體相互作用，產(chǎn)生可見(jiàn)光；可見(jiàn)光照射非晶硅陣列，光電轉(zhuǎn)化產(chǎn)生電荷，由此完成了射線從光子到數(shù)字的轉(zhuǎn)變，計(jì)算機(jī)讀出電荷，形成數(shù)字圖像，如圖1所示。檢測(cè)人員可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行后期優(yōu)化。在醫(yī)療領(lǐng)域中，還有一種非晶硒結(jié)構(gòu)的數(shù)字探測(cè)器，由于沒(méi)有可見(jiàn)光產(chǎn)生這一環(huán)節(jié)，屬于真正的直接成像，不過(guò)，這種探測(cè)器價(jià)格昂貴，在工業(yè)中應(yīng)用極少。

圖1 X射線數(shù)字成像技術(shù)原理

1.2 系統(tǒng)組成

X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)由X射線機(jī)、數(shù)字探測(cè)器、計(jì)算機(jī)處理軟件及相關(guān)傳輸裝置組成。如圖2所示。此外，有些系統(tǒng)也會(huì)集成一些自動(dòng)或半自動(dòng)裝置。試驗(yàn)中，使用的X射線機(jī)額定功率1500W、額定電壓300kV、焦點(diǎn)尺寸2．0mm，面陣列數(shù)字探測(cè)器有效成像尺寸400×400mm、像素尺寸200μm，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)14位、動(dòng)態(tài)范圍10000：1、無(wú)線傳輸，計(jì)算機(jī)采集和處理軟件為Rhythm RT和Rhythm Review。

圖2 X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)對(duì)象

制動(dòng)卡鉗的澆鑄尺寸為150mm×130mm×90mm，透照厚度在10～25mm之間。材質(zhì)為球墨鑄鐵QT550，在鋼模鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生的典型缺陷為縮松、縮孔以及氣孔等。如圖3所示，根據(jù)抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、載荷、應(yīng)力集中等設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)卡鉗的不同區(qū)域所能允許的鑄造缺欠尺寸有一定的差異。制動(dòng)卡鉗共分為3個(gè)區(qū)域，分別為液壓區(qū)、關(guān)鍵區(qū)和非關(guān)鍵區(qū)。評(píng)定時(shí)，以500mm2為評(píng)定區(qū)域，液壓區(qū)不允許存在缺欠，關(guān)鍵區(qū)不允許存在超過(guò)5mm2的缺欠，非關(guān)鍵區(qū)不允許存在超過(guò)15mm2的缺欠。由于檢測(cè)設(shè)備的靈敏度都具有限性，故液壓區(qū)要求不允許存在缺欠，在實(shí)際中可理解為評(píng)定圖像時(shí)沒(méi)有目視可發(fā)現(xiàn)的缺欠。

圖3 鑄鐵類(lèi)制動(dòng)卡鉗

3 試驗(yàn)工藝及分析

在進(jìn)行射線檢測(cè)之前，先進(jìn)行目視檢測(cè)，以便去除試樣表面的可視缺陷，如毛刺等。制動(dòng)卡鉗的檢測(cè)工藝參數(shù)應(yīng)使最終的X射線數(shù)字圖像有效可用。評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量最主要的參數(shù)有兩個(gè)：圖像分辨率和圖像靈敏度，圖像分辨率表征了檢測(cè)系統(tǒng)所能分辨的被檢工件圖像中單位長(zhǎng)度上兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的能力，圖像靈敏度則表征了檢測(cè)系統(tǒng)所能發(fā)現(xiàn)的被檢工件圖像中最小的細(xì)節(jié)能力。這兩個(gè)參數(shù)通過(guò)可識(shí)別的雙線型像質(zhì)計(jì)絲號(hào)和線型像質(zhì)計(jì)絲號(hào)來(lái)體現(xiàn)。所涉及的主要工藝要素包括：管電壓、曝光量、放大倍數(shù)、灰度值、歸一化信噪比、軟件處理方式等。綜合射線機(jī)和探測(cè)器的儀器參數(shù)，本次試驗(yàn)的放大倍數(shù)為1，即透照時(shí)，制動(dòng)卡鉗應(yīng)緊貼探測(cè)器。在測(cè)試與試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)數(shù)字射線系統(tǒng)進(jìn)行校正，以?xún)?yōu)化圖像質(zhì)量。

3.1 圖像分辨率

鑒于制動(dòng)卡鉗的形狀復(fù)雜，不易放置雙線型像質(zhì)計(jì)，因此根據(jù)制動(dòng)卡鉗的厚度范圍，選取10mm和25mm的對(duì)比試件來(lái)進(jìn)行圖像分辨率測(cè)試，雙線型像質(zhì)計(jì)的可識(shí)別的絲號(hào)應(yīng)不低于D7，對(duì)應(yīng)的絲徑為0．2mm。將對(duì)比試件平放在陣列探測(cè)器的中心位置，雙線型像質(zhì)計(jì)緊貼對(duì)比試件，使其寬度方向上與陣列探測(cè)器成2～5°的夾角，調(diào)節(jié)透照參數(shù)，10mm和25mm的線對(duì)調(diào)制度計(jì)算結(jié)果如圖4所示，最小可識(shí)別線對(duì)為D7。

圖4 線對(duì)調(diào)制度計(jì)算結(jié)果

3.2 圖像靈敏度

試驗(yàn)時(shí)，將線型像質(zhì)計(jì)直接放于制動(dòng)卡鉗透照區(qū)域表面，形成圖像后，對(duì)像質(zhì)計(jì)進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)制動(dòng)卡鉗的厚度范圍，為保證合適的圖像靈敏度，依照常規(guī)膠片的靈敏度要求，透照厚度在10～15mm時(shí)，線型像質(zhì)計(jì)的可識(shí)別的絲徑不大于0．25mm；透照厚度在15～25mm時(shí)，線型像質(zhì)計(jì)的可識(shí)別的絲徑不大于0．32mm。

3.3 試驗(yàn)分析

制動(dòng)卡鉗的形狀復(fù)雜，厚度差大。一次透照不能覆蓋所有的檢測(cè)區(qū)域，故采用多次、分區(qū)域透照。選擇合適的參數(shù)，以確保成像效果。如表1所示，液壓區(qū)透照3次，關(guān)鍵區(qū)透照3次，非關(guān)鍵區(qū)透照2次，共計(jì)8次。

經(jīng)過(guò)DR系統(tǒng)的數(shù)字接收和處理，得到圖5～12所示的結(jié)果。

圖5～7為液壓區(qū)的透照結(jié)果，根據(jù)圖5所顯示的線型像質(zhì)計(jì)圖像，可以識(shí)別出0．25mm的絲徑，圖6～7所顯示的線型像質(zhì)計(jì)圖像，可以識(shí)別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調(diào)節(jié)銳度和對(duì)比度，未發(fā)現(xiàn)缺欠。

表1 透照工藝

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

圖10

圖11

圖12

圖13

圖14

圖8 ～10為關(guān)鍵區(qū)的透照結(jié)果，根據(jù)所顯示的線型像質(zhì)計(jì)圖像，可以識(shí)別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調(diào)節(jié)銳度和對(duì)比度，未發(fā)現(xiàn)缺欠。

圖11～12為非關(guān)鍵區(qū)的透照結(jié)果，根據(jù)所顯示的線型像質(zhì)計(jì)圖像，可以識(shí)別出0．32mm的絲徑，符合圖像靈敏度的要求。調(diào)節(jié)銳度和對(duì)比度，圖11未發(fā)現(xiàn)缺欠。圖12的橋部透照區(qū)域發(fā)現(xiàn)縮松，分析其產(chǎn)生的原因：球墨鑄鐵散熱慢，糊狀凝固方式（收縮容積是恒定的）使鑄件易產(chǎn)生更強(qiáng)的外壁膨脹趨勢(shì)，故而形成內(nèi)部縮松。優(yōu)化區(qū)域灰度，對(duì)圖像進(jìn)行局部分析，如圖13所示，縮松最大長(zhǎng)度為7mm，與其正交的最大寬度為5mm，面積為35mm2。根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò)15mm2，該縮松為超標(biāo)缺陷，予以判廢。圖像采集過(guò)程中，為增加鑄件圖像的信噪比，在采集圖像過(guò)程中，通過(guò)10～15幅的圖像疊加來(lái)降低電子噪聲，優(yōu)化圖像質(zhì)量。探測(cè)器的殘影會(huì)干擾后續(xù)的透照試驗(yàn)，為避免這一影響，在第二次透照時(shí)，須舍棄首幅圖像。

關(guān)于散亂射線的輻射，如圖14所示。透照前，可在制動(dòng)卡鉗的對(duì)應(yīng)區(qū)域周?chē)?，添加高密度填充材料，如鉛板、鉛丸以及鉛泥等。有些DR系統(tǒng)配備有軟件的過(guò)濾和修正功能，為了達(dá)到更好的效果，也會(huì)添加輪廓識(shí)別與補(bǔ)償功能。

DR技術(shù)檢測(cè)制動(dòng)卡鉗所需的時(shí)間可以控制在40分鐘以?xún)?nèi)，效率提高1倍以上。DR檢測(cè)的透照電壓和電流與常規(guī)膠片差別不大，但是在曝光時(shí)間（采集時(shí)間）上，得益于DR探測(cè)器中閃爍體和非晶硅陣列的高敏感性和高速轉(zhuǎn)換特性，采集時(shí)間可在幾十秒內(nèi)全部完成，并形成圖像。同時(shí)，省去了常規(guī)膠片檢測(cè)繁瑣的洗片流程，極大地提高了檢測(cè)效率。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）X射線數(shù)字成像技術(shù)是檢測(cè)球墨鑄鐵件-汽車(chē)制動(dòng)卡鉗內(nèi)部縮松的一種可行方法。

（2）針對(duì)球墨鑄鐵制動(dòng)卡鉗，通過(guò)X射線數(shù)字成像得到的圖像，靈敏度滿足常規(guī)膠片所規(guī)定的要求。

（3）X射線數(shù)字成像的后期圖像增強(qiáng)技術(shù)，可以明顯提高內(nèi)部縮松可識(shí)別程度。

（4）X射線數(shù)字成像技術(shù)檢測(cè)效率高，耗材使用少，操作難度小，非常適用于大批量的鑄鐵類(lèi)汽車(chē)制動(dòng)卡鉗檢測(cè)。

[1]牛小東，楊太為，謝曉斌等．盤(pán)式制動(dòng)器的建模和機(jī)械應(yīng)力分析 [J]． 機(jī)械研究與應(yīng)用，2016，29（4）：44-46．

[2]周建芳，許遵言．鑄件射線探傷的一些特點(diǎn)[J]．鍋爐技術(shù)，2002，33（7）：28-32．

[3] 鄔冠華，熊鴻建．中國(guó)射線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2016，37（8）：1683-1695．

[4]趙志強(qiáng)．X射線數(shù)字成像檢測(cè)缺陷快速識(shí)別技術(shù)研究[D]．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2014．

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1671-0711（2017）10（下）-0198-03