雙面T形焊件氣孔缺陷空間定位模型無損傷驗證方法研究

歷長云，趙洪楓,，石端虎，吳三孩,，許磊

(1.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221111)

0 引 言

近年來，激光焊件被廣泛應用于航空航天、國防及軍事等領域。在生產(chǎn)過程中，由于焊接工藝參數(shù)波動或焊縫區(qū)保護不良等，在焊縫中極易產(chǎn)生氣孔等缺陷，若在焊件服役前，未預先把焊件中的缺陷檢測出來，將會影響重要裝備的安全，嚴重時甚至會造成重大的災難性事故，因此，開展激光焊件的無損檢測具有極為重要的理論研究和現(xiàn)實意義[1-9]。X射線檢測具有結果直觀、穩(wěn)定性強、精度高等特點，被廣泛應用在焊縫缺陷檢測和焊件結構完整性評定方面[10-15]。石端虎等[16-18]開展了雙面T形焊件X射線檢測和缺陷空間定位方面的研究，取得了一定的研究成果，但是在缺陷空間定位模型的驗證上采用的是破壞性試驗方法，該方法的線切割過程對缺陷造成了一定的損傷，導致缺陷空間定位模型的驗證精度不理想。

為了提高缺陷空間定位模型的驗證精度，本文提出一種基于X射線檢測圖像模擬的雙面T形焊件氣孔缺陷空間定位模型無損傷驗證方法，該方法采用坐標空間變換、透射能量計算和灰度映射，獲得焊件左、右轉動45°的X射線檢測模擬圖像，通過對比模擬圖像和檢測圖像的行灰度分布曲線，驗證模擬方法的可行性。自動提取模擬圖像中預設缺陷的空間位置數(shù)據(jù)，并對比預設數(shù)據(jù)和自動提取數(shù)據(jù)，以驗證氣孔類缺陷空間定位模型的準確性。本方法可對該類焊件的無損檢測及結構完整性評價提供具有重要參考價值信息。

1 模擬參數(shù)設置

被檢焊件采用激光焊連接，接頭形式為雙面T形。實際焊件X射線檢測結果表明：缺陷深度、偏移量主要分布范圍分別為[0.5 1.5]mm和[-0.8 0.8]mm；半徑主要分布范圍在0.5 mm以內。在進行X射線檢測圖像模擬之前，根據(jù)上述范圍在焊件中添加20組已預設空間位置的氣孔缺陷。大部分預設缺陷的空間位置在上述范圍內，跟實際情況基本相符。雙面T形焊件見圖1。

圖1 雙面T形焊件

焊件三維模型如圖1(a)所示，焊件長度、寬度和高度分別為60，30，20 mm，其中翼板高度1.0 mm，材料TC4鈦合金；腹板寬度5.0 mm，高度18.0 mm，材料ZTC4鑄造鈦合金。缺陷在焊件中的空間位置見圖1(b)，圖中黑色小球表示氣孔，其中1～10號缺陷從左至右依次分布在焊件正面，11～20號缺陷從左至右依次分布在焊件背面，預設缺陷空間位置數(shù)據(jù)見表1。

表1 預設缺陷空間位置數(shù)據(jù)

續(xù)表1

焊件實際X射線檢測的試驗設備采用德國YXLON公司生產(chǎn)的MU2000實時成像系統(tǒng)，管電壓61 kV，管電流7.85 mA。在檢測圖像模擬試驗中，鈦合金衰減系數(shù)0.481[19]，空氣衰減系數(shù)0，圖像中單個像素代表的實際長度為0.01 mm。X射線在焊件中的能量衰減滿足式(1)，X射線透射強度的灰度映射滿足式(2)[20]。

Ix=I0e-μx，

(1)

式中：Ix和I0分別為射線透過厚度x的物質后射線強度和初始強度；e為自然對數(shù)底；x為透射物質厚度；μ為線衰減系數(shù)。

(2)

式中：G為灰度值；Imax為最大透射強度；Imin為最小透射強度；I為介于最大值和最小值之間的某一透射強度。

2 X射線透射路徑提取

為了減少計算內存和便于提取X射線透射路徑，采用逐層提取和順序疊加方法提取雙面T形焊件的X射線透射路徑。建立包含焊件截面的背景圖像，采用坐標空間變換和最鄰近插值實現(xiàn)焊件截面的左右旋轉，而后通過對旋轉后的背景圖像進行列求和運算提取X射線透射路徑。坐標空間變換示意圖見圖2。

圖2 坐標空間變換示意圖

圖2(a)中,F為背景圖像，虛線為目標圖像，其中背景圖像滿足兩個條件：能夠容納旋轉后的目標圖像、中心與目標圖像中心重合。圖像F中心坐標為(I,J)，圖中任意像素點由F(i,j)表示，以圖像F的中心為圓心，像素點F(i,j)對應的圓心距和圓心角分別滿足公式(3)和(4)。

(3)

(4)

i1=I-Rsin(θ′),

(5)

j1=J+Rcos(θ′)。

(6)

以坐標空間變換為基礎，雙面T形焊件左、右轉45°透射路徑長度提取步驟如下：

(1)沿焊縫縱向逐層提取焊件截面圖像并構建背景圖像，見圖3(a)，其大小為35.36 mm×35.36 mm，圖中白色區(qū)域為焊件，對應灰度值為1，焊件內部黑色區(qū)域為缺陷，對應灰度值為0。

(2)逐像素掃描背景圖像，提取灰度值為1的像素點并計算對應的圓心角和圓心距。取θ為45°(右轉為-45°)，計算已提取出的像素點在旋轉之后對應的坐標，并將與該坐標最鄰近像素點的灰度值賦值為1，賦值完畢后使用1對焊件內部進行填充，焊件左、右轉45°圖像分別為圖3(b)和(c)。

圖3 背景圖像和旋轉圖像

(3)對旋轉完成后的圖像進行列求和運算，得到斷層圖像對應的透射路徑長度，見圖4。逐層提取焊件截面對應的透射路徑長度并按順序疊加，得到雙面T形焊件左、右轉45°透射路徑長度。

圖4 透射路徑曲線

3 X射線模擬圖像重建和定位模型驗證

在獲得雙面T形焊件左、右轉45°透射路徑長度的基礎上，根據(jù)衰減定律計算到達探測屏上的模擬信號強度。對強度信號進行灰度映射，得到模擬圖像，見圖5。

圖5 模擬和實際檢測圖像

圖5(a)和(c)為模擬圖像，圖5(b)和(d)為實際檢測圖像。試驗圖像和模擬圖像兩側黑色部分是光柵遮擋區(qū)域，兩條高亮度區(qū)域為焊縫區(qū)，即缺陷所在區(qū)域，且缺陷灰度同背景灰度相接近，不易肉眼識別。模擬圖像可信度通過對比模擬圖像和實際焊件檢測圖像過缺陷路徑的行灰度變化曲線來表征，兩者對比曲線圖見圖6。

圖6 過缺陷路徑線灰度分布曲線

圖6(a)～(b)分別為模擬圖像和實際焊件檢測圖像過缺陷處的行灰度變化曲線，圖中只顯示兩組圖像部分光柵遮擋區(qū)。兩組曲線開始由最小值快速升高至最大值，且上升曲線呈指數(shù)型，之后灰度值快速減小至一個平穩(wěn)值，在接近平穩(wěn)值時兩條曲線的變化率均減小，實際X射線檢測圖像行灰度曲線在平穩(wěn)處出現(xiàn)由噪聲造成的波動。在缺陷處，兩組曲線灰度變化趨勢均為先增加后減小，通過分析可知，模擬圖像和實際X射線檢測圖像灰度變化曲線基本一致。試驗結果表明，通過上述方法模擬X射線檢測圖像是可行的。

石端虎[21]開展了雙面T形焊件中缺陷空間定位方面的研究，并建立了缺陷深度和偏移量定位數(shù)學模型，分別見公式(7)和(8)。其采用破壞性試驗獲得的缺陷深度驗證誤差約為5%。

(7)

(8)

式中：dl為焊件右轉時缺陷到射線穿透焊件最薄處的投影距離；dr為焊件左轉時缺陷到射線穿透焊件最薄處的投影距離；W為腹板寬度；δ為翼板厚度；d為缺陷深度；x為缺陷偏移焊縫中心線的距離，當x>0時缺陷位于焊縫中心線右側，當x=0時缺陷位于焊縫中心線上，當x<0時缺陷位于焊縫中心線左側。

通過圖像分割、缺陷細化等操作，自動提取模擬圖像中預設缺陷的空間位置數(shù)據(jù)，其中缺陷沿焊縫縱向分布位置誤差為0，缺陷空間位置計算值和預設值對比結果見表2。

表2 缺陷空間位置對比結果

由表2可以看出,缺陷偏移量絕對誤差小于0.019 mm，平均相對誤差為1.91%;缺陷半徑絕對誤差小于0.005 mm，平均相對誤差為0.52%。缺陷深度絕對誤差小于0.012 mm，平均相對誤差為0.50%。缺陷深度預設值和提取值對比結果見圖7。

圖7 缺陷深度預設值和提取值對比結果

通過對比預設數(shù)據(jù)和提取數(shù)據(jù)，驗證了建立的氣孔缺陷空間定位模型的準確性。未來下一步的研究將增加預設缺陷樣本數(shù)量，討論與分析缺陷空間定位模型驗證的統(tǒng)計規(guī)律。該方法不僅可模擬雙面T形焊件的X射線檢測圖像，而且可推廣至其它接頭形式，適用范圍廣，算法魯棒性強，工程應用前景廣闊。

4 結 語

(1)采用X射線透射路徑追蹤、坐標空間變換和最鄰近插值,提出了一種雙面T形焊件的X射線檢測圖像模擬方法。

(2)該方法通過逐層提取、左右旋轉圖像、列求和運算和順序疊加,提取雙面T形焊件左、右轉45°X射線透射路徑長度，并基于衰減定律和灰度映射計算實現(xiàn)了雙面T形焊件左、右轉45°檢測圖像的成功模擬。

(3)采用提出的方法對雙面T形焊件的氣孔缺陷空間定位模型進行了無損傷驗證，試驗結果表明該方法是可行的。