雙壁結(jié)構(gòu)鑄件內(nèi)部缺陷X射線檢測定位方法研究

王本志

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司特檢中心，北京 100094；2. 中國航發(fā)北京航空材料研究院鑄鈦中心，北京 100095；3. 北京市先進鈦合金精密成型工程技術(shù)研究中心，北京 100095）

受鑄件結(jié)構(gòu)、鑄造水平等因素的限制，鑄件內(nèi)部存在缺陷的情況是難以避免的，這些缺陷如果無法準確檢測出來，會在后續(xù)應(yīng)用中存在很大隱患，造成鑄件的可靠性、疲勞壽命大大降低。隨著鑄件結(jié)構(gòu)越來越復雜，這個問題越來越突出。如何設(shè)計 X射線檢測透照工藝，如何依據(jù)底片快速、精確地對鑄件內(nèi)部缺陷進行定位和清除，顯得尤為重要。

在 X射線檢測過程中，受鑄件結(jié)構(gòu)限制或為減少曝光次數(shù)以提高效率等原因，使得雙壁（或多壁）透照技術(shù)的應(yīng)用較為普遍。此時，底片上的影像是各層結(jié)構(gòu)投影疊加的結(jié)果，若存在缺陷，底片不能準確、有效地反應(yīng)缺陷的分布位置。因難以確定缺陷在鑄件多層結(jié)構(gòu)的位置，在缺陷修復時，易出現(xiàn)定位不準的情況，造成返工，同時對鑄件無缺陷位置造成不必要的損傷[1—3]，對無缺陷部位進行打磨、焊接，造成合金力學性能下降，同時增加鑄件表面粗糙度。

國內(nèi)外不少學者對缺陷定位進行了大量研究，并已取得顯著成果，建立了各種確定缺陷在厚度方向分布位置的方法，如超聲檢測法及體視法、視差法、黑度計法等[4—5,9—12]。工業(yè) CT斷層掃描技術(shù)是一種采用X射線斷層成像原理進行高分辨三維成像的方法，具有成像分辨率高，能夠直觀顯示材料及內(nèi)部缺陷三維形態(tài)的特點，同時也可給出了缺陷埋藏深度信息，非常適合小鑄件的高分辨率三維成像檢測[6—8]，但工業(yè)CT系統(tǒng)設(shè)備投資大，檢測耗時長，同時對于累積透照厚度大的大中型復雜結(jié)構(gòu)鑄件，需配備較大功率的射線機或加速器設(shè)備，在產(chǎn)業(yè)化制造過程中應(yīng)用局限性大。

本項目旨在研究一種 X射線檢測內(nèi)部缺陷的有效定位方法，通過該方法，在 X射線檢測過程中，采用雙壁透照快速、準確、低成本地對缺陷進行定位，可以減少鑄件打磨、修補過程中，因缺陷定位不準造成的不必要返工返修和鑄件損傷，降低焊接產(chǎn)生缺陷及影響基體力學性能的風險，同時有助于實現(xiàn)缺陷精準定位，提高返修合格率，縮短生產(chǎn)周期。

1 原理

1.1 射線檢測的基本原理

當射線束透照物體時，如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結(jié)構(gòu)存在差異，它將改變物體對射線的衰減，使得不同部位透射射線強度不同，在底片上形成黑度差，就可以判斷物體內(nèi)部的缺陷或物質(zhì)分布。實際射線檢測中，對于寬束射線，考慮寬束連續(xù)譜射線的衰減規(guī)律，針對實際鑄件中的缺陷，缺陷部位的黑度差用下式表達：

式中：ΔD為缺陷位置缺陷與基體本身的黑度差；μ基體的線衰減系數(shù)；μ'缺陷的線衰減系數(shù)；G為底片的梯度；ΔT缺陷的厚度差；n與射線機相關(guān)的常數(shù)。

缺陷能否在底片上形成足夠的黑度差，跟以上眾多因素有關(guān)[13]，也是射線檢測內(nèi)部缺陷的基本原理。

1.2 射線成像特點

射線檢測底片上的圖像是鑄件沿厚度方向所有信息投影疊加后的結(jié)果，鑄件內(nèi)部缺陷在厚度方向上的位置信息和缺陷在厚度方向的尺寸，在底片上沒有得到有效、清晰地反映。如圖1所示為鑄件互成180°透照兩次的示意圖。示意圖中某雙壁結(jié)構(gòu)鑄件的 M側(cè)有缺陷N，兩次透照后得到的底片上，缺陷形成的影像分別為n和n′。設(shè)鑄件厚度為T，缺陷 D距鑄件某邊界結(jié)構(gòu)的距離為d。

圖1 某雙壁結(jié)構(gòu)鑄件透照及投影Fig.1 A diagram detection and projection of a double-wall casting

在圖 1a中，測得影像n距邊界結(jié)構(gòu)(垂直方向)的距離為d1，則d=d1+d′，其中d′可以近似的表達為d′=T·tanθ。即d=d1+T·tanθ，其中，當對于某一確定缺陷，在本透照布置下，θ為常量。

在圖1b中，測得影像n′距邊界結(jié)構(gòu)的距離為d2。此時，鑄件旋轉(zhuǎn)180°，缺陷N位于的M側(cè)緊貼底片，d=d2。

即在雙壁結(jié)構(gòu)中，按圖1方式進行透照時，當缺陷位于 M 面時，則有d2＞d1，反之亦成立，即若在底片上測得d2＞d1，則缺陷在鑄件的 M 面，此時測量缺陷至口部邊界(水平方向)的距離h，此時缺陷的位置可以用(d2,h)表示，這種通過測量d2和h進行缺陷定位的方法稱為兩點定位法。在鑄件M面，距邊界結(jié)構(gòu)距離為d2，距口部邊界距離為h的點具有唯一性，這樣實現(xiàn)了缺陷的準確定位，為缺陷的打磨、補焊等后續(xù)修復奠定了基礎(chǔ)。

2 試驗驗證

為驗證上述結(jié)論，進行模擬實驗，A面缺陷用鉛字A模擬，B面缺陷用鉛字B模擬，透照示意圖及底片影像見圖2，其中圖2a中，缺陷A緊貼膠片，圖2b中鑄件翻轉(zhuǎn)180°，缺陷B緊貼膠片。

對缺陷 A，圖 2a中距垂直方向邊界距離aA=20 mm，圖2b中距垂直邊界距離aB=13 mm，aA＞aB，缺陷A在雙壁鑄件的A側(cè)。

對缺陷 B，圖 2a中距垂直方向邊界距離bA=30 mm，圖2b中距垂直邊界距離bB=35 mm，bA＜bB，缺陷B在雙壁鑄件的B側(cè)。

判定結(jié)果與模擬缺陷A和B的位置一致，驗證了本方法的正確性。

圖2 模擬實驗透照布置及透照結(jié)果Fig.2 Simulation detected method and inspection result

3 雙壁結(jié)構(gòu)鑄件射線檢測兩點定位法具體實施步驟

判斷雙壁結(jié)構(gòu)鑄件缺陷在厚度方向的位置和尺寸，對缺陷的修補工藝制定和判定缺陷的危害性等方面是很有必要的，即可有效地減少修補工作量，又能很好地保證修補質(zhì)量[5]。結(jié)合本研究中射線檢測中缺陷定位的兩點定位方法，結(jié)合某型號產(chǎn)品（具有典型雙壁結(jié)構(gòu)）的 X射線檢測結(jié)果，說明兩點定位法實施步驟，示意圖見圖3。

圖3 雙壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的兩點定位Fig.3 Two-point locating method of double-wall structure

兩點定位法詳細步驟：

1) 對鑄件的雙壁部位互成 180°進行兩次透照，獲得圖中①所示的兩張底片1#和2#，發(fā)現(xiàn)缺陷在兩張底片上均有顯示。

2) 使用畫規(guī)在1#底片上測量缺陷到圖像邊界(垂直方向)的距離d1。

3) 在底片2#中測量缺陷到圖像特征邊界(垂直方向)的距離d2，比較d1和d2的大小（缺陷在距離大的一側(cè)，即若d1>d2，則缺陷在雙壁結(jié)構(gòu)中鑄件緊貼底片1#的一側(cè)，后續(xù)測量時使用1#底片，反之則缺陷在雙壁結(jié)構(gòu)中鑄件緊貼2#底片的一側(cè)，后續(xù)測量時應(yīng)使用2#底片。下文中為便于描述，假設(shè)通過前述步驟，已確定缺陷在雙壁結(jié)構(gòu)中鑄件緊貼 1#底片的一側(cè)）。使用圖像特征邊界的目的在于減小射線檢測中“邊蝕效應(yīng)”帶來的誤差。

4) 在1#底片上測量缺陷到鑄件圖像外邊界(垂直方向)邊沿的距離l1。測量l1時使用鑄件圖像外邊界，目的在于該尺寸可以從底片轉(zhuǎn)移到鑄件上。

5) 保持畫規(guī)處于鎖緊狀態(tài)，以畫規(guī)l1的長度在雙壁結(jié)構(gòu)中鑄件緊貼1#底片的一側(cè)劃線。

6) 在1#底片上測量缺陷到鑄件口部邊界(水平方向)的距離l2。

7) 保持畫規(guī)處于鎖緊狀態(tài)，以畫規(guī)l2的長度從口部邊界劃線。

8) 通過上述步驟得到兩條線的交點，就是通過兩點定位法得到的缺陷準確位置，對該位置實施打磨、補焊等后續(xù)工作即可。

4 結(jié)論

文中通過兩次不同方向透照，采用簡便測量的方法，建立了雙壁結(jié)構(gòu)鑄件內(nèi)部缺陷 X射線檢測方法定位方法——兩點定位法。該方法應(yīng)用到雙壁結(jié)構(gòu)鑄件內(nèi)部缺陷定位、打磨及修復中，缺陷定位準確、效率高、可操作性強，缺陷定位準確率達到98%以上。

參考文獻：

[1] 張軍輝. 鈦合金焊接結(jié)構(gòu)缺陷檢測與定位方法[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2008.ZHANG Jun-hui. Defects Detection and Localization of Titanium Alloys Weldment[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2008.

[2] 楊飛. X射線數(shù)字成像中的缺陷定位檢測技術(shù)研究[D].太原: 華北工學院, 2003.YANG Fei. Study on Locating Defects by Digital Radiography[D]. Taiyuan: North University of China, 2003.

[3] 賈慶龍, 蘇志軍, 成曙, 等. 固體火箭發(fā)動機射線照相缺陷定位法[J]. 無損檢測, 2014, 36(2): 14—16.JIA Qing-long, SU Zhi-jun, CHENG Shu, et al. Locating Defects Method in SRM[J]. Nondestructive Testing, 2014,36(2): 14—16.

[4] BRICAULTI, MONGA O. From Volume Medical Image to Quadratic Surface Patches[J]. Computer Vision and Image Understanding, 1995, 67(1): 23—38.

[5] 李衍, 屠耀元, 鄭世才. 射線照相檢驗中的缺陷定量[J].無損檢測, 1992, 14(9): 262—266.LI Yan, TU Yao-yuan, ZHENG Shi-cai. Quantitative Research on Defects in X-ray Radiography[J]. Nondestructive Testing, 1992, 14(9): 262—266.

[6] 盧長勛. 射線檢驗缺陷深度定位新方法[C]. 2002年晉冀魯豫鄂蒙川滬云貴甘十一省市區(qū)機械工程學會學術(shù)年會, 2002: 198—199.LU Chang-xun. New Method of Locating Defects in X-ray Radiography[C]. Academic Annual Meeting of the Mechanical Engineering Society, 2002: 198—199.

[7] 喻程, 吳圣川, 胡雅楠, 等. 鋁合金熔焊微氣孔的三維同步輻射X射線成像[J]. 金屬學報, 2015, 51(2): 159—168.YU Cheng, WU Sheng-chuan, HU Ya-nan, et al. Threedimensionalimaging of Gas Pores in Fusion Welded Al Alloys by Synchrotron Radiation X-ray Microtomography[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2015, 51(2): 159—168.

[8] 敖波, 王乃波, 何深遠, 等. 小管路焊縫內(nèi)部缺陷的三維X射線成像[J]. 焊接學報, 2016, 37(5): 11—14.AO Bo, WANG Nai-bo, HE Shen-yuan, et al. Three Dimensional Imaging of Internal Defects in Small Diameter Pipe Welding Seam by X ray Microtomography[J].Transactions of the China Welding Institution, 2016,37(5): 11—14.

[9] 遲大釗, 李孫玨, 孫昌立, 等. 基于雙目視覺的缺陷深度測量方法[J]. 焊接學報, 2016, 37(11): 7—10.CHI Da-zhao, LI Sun-ju, SUN Chang-li, et al. Binocular Visual Based Defect Buried Depth Testing Method[J].Transactions of the China Welding Institution, 2016,37(11): 7—10.

[10] 陽雷. 聯(lián)箱蓋與管板焊縫 X射線檢測缺陷定位技術(shù)研究[J]. 中國核動力研究設(shè)計院科學技術(shù)年報, 2014:366—367.YANG Lei. Research on Locating Defects Method in Couplet Cover and Plate-pipe Welds[J]. Annual Report of Science and Technology of NPIC, 2014: 366—367.

[11] 梁德群, 沈杉, 楊海軍. 基于點光源X射線焊縫缺陷深度尺寸的測量[J]. 焊接學報, 2000, 21(3): 5—8.LIANG De-qun, SHEN Shan, YANG Hai-jun. Three Dimensional Imaging of Internal Defects in Small Diameter Pipe Welding Seam by X ray Microtomography[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2000, 21(3):5—8.

[12] 任明照, 高巖. 基于視差法的焊接缺陷深度定位技術(shù)[J]. 焊接技術(shù), 2003, 32(6): 49—50.REN Ming-zhao, GAO Yan. Depth Location Technology of Welding Defects Based on Parallax Method[J]. Welding Technology, 2003, 32(6): 49—50.

[13] 鄭世才. 射線檢測[M]. 北京: 中國機械工業(yè)出版社,2008.ZHENG Shi-cai. X-ray Radiography[M]. Beijing: China Machine Press, 2008.