自動(dòng)生產(chǎn)線環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測(cè)透照布置設(shè)計(jì)

劉思明， 周昌智， 黃凱華， 黃 斐， 張逸飛

(上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

新一代信息通信技術(shù)對(duì)制造業(yè)的改造和催化，帶來(lái)全球制造業(yè)格局大變革和大調(diào)整，成為發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)制造業(yè)重振和發(fā)展中國(guó)家搶占產(chǎn)業(yè)高端的著力點(diǎn)。近年來(lái)，隨著以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等為代表的新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的加速融合，全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起。數(shù)字化和信息化技術(shù)的進(jìn)步使圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)突飛猛進(jìn)。數(shù)字射線以其檢測(cè)效率高和污染低等優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于自動(dòng)生產(chǎn)線。

對(duì)于筒體和管件的環(huán)焊縫檢測(cè)，以其高度的規(guī)則性，利用數(shù)字射線可較好地體現(xiàn)其效率高和重復(fù)性高的優(yōu)勢(shì)。但相較于傳統(tǒng)膠片軟性可彎曲，柔性探測(cè)器技術(shù)尚未成熟，探測(cè)器無(wú)法緊貼工件，容易出現(xiàn)缺陷導(dǎo)致成像失真，影響檢測(cè)結(jié)果。因此在制訂數(shù)字射線檢測(cè)工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮其差異性?，F(xiàn)對(duì)自動(dòng)生產(chǎn)線中的管件和筒體環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測(cè)的透照布置進(jìn)行討論。

1 設(shè)計(jì)原則

在自動(dòng)生產(chǎn)線數(shù)字射線檢測(cè)過(guò)程中，在被檢工件、射線源和數(shù)字射線成像(Digital Radiography，DR)探測(cè)器均確定后，檢測(cè)質(zhì)量主要通過(guò)透照參數(shù)和透照布置控制。透照參數(shù)主要影響檢測(cè)圖像的對(duì)比度和空間分辨率等；透照布置主要影響幾何不清晰度和橫向裂紋檢出率。由于透照參數(shù)應(yīng)根據(jù)焦距、工件材質(zhì)和規(guī)格設(shè)置，而透照布置決定放大倍數(shù)，影響空間分辨率，因此在數(shù)字射線檢測(cè)工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先設(shè)計(jì)透照布置。

透照布置控制的基本原則是有利于缺陷檢驗(yàn)[1]。透照布置設(shè)計(jì)通過(guò)一系列計(jì)算確定射線源至工件和工件至探測(cè)器的距離。自動(dòng)生產(chǎn)線通過(guò)機(jī)械的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)工件各部位檢測(cè)的透照布置。透照布置設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的影響因素主要為檢測(cè)安全要求、檢測(cè)質(zhì)量要求和檢測(cè)效率要求。

環(huán)焊縫的透照方式分為雙壁雙影、雙壁單影和單壁單影，其中：雙壁雙影透照方式(一般用于小徑管檢測(cè))的檢測(cè)要求和工藝設(shè)計(jì)與常規(guī)膠片射線檢測(cè)相同；雙壁單影透照和單壁單影透照可分為探測(cè)器在外透照和探測(cè)器在內(nèi)透照，分別如圖1和圖2所示，其中：S為射線源；D為平板探測(cè)器尺寸；b為端點(diǎn)至探測(cè)器的距離。主要討論單壁單影和雙壁單影透照的工藝設(shè)計(jì)方法與質(zhì)量控制指標(biāo)計(jì)算方法。

圖1 探測(cè)器在外透照

圖2 探測(cè)器在內(nèi)透照

2 檢測(cè)安全要求

由于DR設(shè)備昂貴，因此在透照布置時(shí)必須考慮設(shè)備安全。探測(cè)器和射線源不可能像常規(guī)膠片檢測(cè)那樣緊貼工件布置，探測(cè)器與工件之間必須保留間距以防止擦碰；應(yīng)考慮在機(jī)械運(yùn)行時(shí)是否出現(xiàn)阻擋，若阻擋物小則可將探測(cè)器與工件的間距擴(kuò)大以避開(kāi)阻擋物。

3 檢測(cè)質(zhì)量要求

檢測(cè)質(zhì)量是工藝穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，因此在透照布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足穿透厚度比和幾何不清晰度的要求。在采用探測(cè)器在外透照布置時(shí)，應(yīng)以內(nèi)圓端點(diǎn)作為計(jì)算基準(zhǔn)，如圖3所示，其中：α為圓心角；β為射線擴(kuò)散角；θ為橫裂角；L為有效投影長(zhǎng)度；f為端點(diǎn)至射線源的距離；d為射線源至工件的距離；t為工件厚度；h為探測(cè)器至工件的距離；O為試件圓心；r為內(nèi)圓半徑；R為外圓半徑。在采用探測(cè)器在內(nèi)透照布置時(shí)，應(yīng)以外圓作為計(jì)算基準(zhǔn)，如圖4所示。

圖3 探測(cè)器在外透照布置計(jì)算

圖4 探測(cè)器在內(nèi)透照布置計(jì)算

透照布置影響的檢測(cè)質(zhì)量指標(biāo)主要是穿透厚度比和幾何不清晰度。由圖3和圖4可知：在射線源至工件的距離和探測(cè)器至工件的距離改變時(shí)，被檢區(qū)域的端點(diǎn)位置發(fā)生改變，圓心角、射線擴(kuò)散角和橫裂角發(fā)生改變，穿透厚度比、幾何不清晰度和透照次數(shù)發(fā)生改變。因此，焦距、穿透厚度比、幾何不清晰度和一次透照有效投影長(zhǎng)度為相互關(guān)聯(lián)的變量，在透照布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從工件規(guī)格、環(huán)境限制和檢測(cè)效率的角度考慮，根據(jù)主要限制因素確定適合的焦距和透照次數(shù)。

3.1 穿透厚度比計(jì)算

根據(jù)GB/T 3323—2019規(guī)定，穿透厚度比K的A級(jí)應(yīng)不大于1.2，B級(jí)應(yīng)不大于1.1。

探測(cè)器在外檢測(cè)時(shí)，由穿透厚度比計(jì)算得到橫裂角θ：

(1)

通過(guò)正弦定理計(jì)算射線擴(kuò)散角β：

(2)

探測(cè)器在內(nèi)檢測(cè)時(shí)，通過(guò)正弦定理計(jì)算射線擴(kuò)散角β：

(3)

由射線擴(kuò)散角β和探測(cè)器有效投影長(zhǎng)度L計(jì)算得到所需要的焦距F：

L=2Ftanβ

(4)

在d=r時(shí)，θ=0，K=1。在焦點(diǎn)處于圓心時(shí)，橫裂角最小。因此在采用內(nèi)透法檢測(cè)較大型工件時(shí)，若條件允許則可考慮優(yōu)先中心曝光；對(duì)于管件等小型工件，應(yīng)在滿足其他指標(biāo)的前提下，盡可能減小焦距和橫裂角。

3.2 幾何不清晰度計(jì)算

探測(cè)器并非緊貼工件，相較于常規(guī)膠片射線檢測(cè)，對(duì)于曲率工件使用平板探測(cè)器檢測(cè)，會(huì)帶來(lái)額外的幾何不清晰度。探測(cè)器在內(nèi)環(huán)焊縫檢測(cè)時(shí)，應(yīng)計(jì)算中點(diǎn)處的幾何不清晰度；探測(cè)器在外環(huán)焊縫檢測(cè)時(shí)，應(yīng)計(jì)算端點(diǎn)處的幾何不清晰度。幾何不清晰度Ug可由式(5)計(jì)算得到：

(5)

式中：dt為射線源焦點(diǎn)有效尺寸。

探測(cè)器在采用外環(huán)焊縫檢測(cè)(內(nèi)透法)時(shí)，圓心角α由式(6)計(jì)算得到：

α=β±θ

(6)

端點(diǎn)至射線源的距離為

f=d+r(-1+cosα)

(7)

端點(diǎn)至探測(cè)器的距離為

b=F-f

(8)

由式(5)～式(8)可知：幾何不清晰度主要受焦距和工件至探測(cè)器的最遠(yuǎn)距離決定，工件厚度越大，幾何不清晰度越大。因此，對(duì)于公稱直徑較厚的工件，其主要限制為穿透厚度比和幾何不清晰度。在透照布置設(shè)計(jì)時(shí)，可使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值作為基礎(chǔ)條件，計(jì)算所需要的焦距。

3.3 放大倍數(shù)

對(duì)于數(shù)字射線技術(shù)，可采用放大透照方式提高檢測(cè)圖像獲得的最高空間分辨率[2]。在使用小焦點(diǎn)射線源時(shí)，根據(jù)焦點(diǎn)尺寸和探測(cè)器至工件的距離，采用最佳放大倍數(shù)的焦距可有效提高檢測(cè)圖像的空間分辨率。尤其是在薄板工件(焦距遠(yuǎn)大于穿透厚度)檢測(cè)時(shí)，按照檢測(cè)質(zhì)量要求，需要較高的空間分辨率，而檢測(cè)的空間分辨率受限于探測(cè)器的基本空間分辨率。針對(duì)目前市場(chǎng)上像素尺寸100 μm以下的探測(cè)器及其安規(guī)，在透照布置設(shè)計(jì)時(shí)，可使用放大透照，降低對(duì)探測(cè)器基本空間分辨率的要求。最佳放大倍數(shù)可按式(9)和式(10)計(jì)算：

(9)

(10)

式(9)和式(10)中：M為放大倍數(shù)；M0為最佳放大倍數(shù)；SRb為基本空間分辨率。

4 檢測(cè)效率要求

曝光布置設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足設(shè)備安全和檢測(cè)要求的前提下，最大限度提升檢測(cè)效率。提升檢測(cè)效率可從縮短曝光時(shí)間和減少曝光次數(shù)兩方面考慮。由于曝光時(shí)間與焦距成平方反比關(guān)系，因此焦距應(yīng)盡可能減?。徊捎酶叽┩噶ι渚€源或高管電壓可縮短曝光時(shí)間。在自動(dòng)生產(chǎn)線環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測(cè)過(guò)程中，一次曝光時(shí)間一般不超過(guò)5 s，其余大量時(shí)間用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)與定位。顯然，選擇較大的一次透照長(zhǎng)度，可減少透照次數(shù)，提高效率。

在自動(dòng)生產(chǎn)線環(huán)焊縫數(shù)字射線檢測(cè)過(guò)程中，一次透照長(zhǎng)度需要滿足檢測(cè)質(zhì)量要求中的橫向裂紋檢出角(橫裂角)和幾何不清晰度[2]。在環(huán)焊縫檢測(cè)中，確定圓心角即可確定透照次數(shù)n=π/α與一次透照長(zhǎng)度L=πr/n。事實(shí)上，在大型工件檢測(cè)過(guò)程中，探測(cè)器的有效投影長(zhǎng)度成為限制一次透照長(zhǎng)度的主要條件，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)焦距的選擇應(yīng)首先滿足最大限度利用成像板長(zhǎng)度，減少曝光次數(shù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于焦距、穿透厚度比、幾何不清晰度和一次透照有效投影長(zhǎng)度為相互關(guān)聯(lián)的變量，因此應(yīng)根據(jù)具體的工件規(guī)格、檢測(cè)質(zhì)量要求、環(huán)境限制與檢測(cè)效率確定優(yōu)先考慮的因素，推算其他變量，完成透照布置設(shè)計(jì)。

對(duì)于公稱直徑較厚的工件，主要限制條件為檢測(cè)時(shí)的穿透厚度比和幾何不清晰度，透照布置設(shè)計(jì)應(yīng)首先滿足檢測(cè)質(zhì)量要求。

對(duì)于薄壁工件，檢測(cè)要求較高，在使用小(微)焦點(diǎn)射線源檢測(cè)時(shí)，透照布置設(shè)計(jì)應(yīng)以最佳放大倍數(shù)作為計(jì)算的基本條件，節(jié)約成本。

對(duì)于大型工件，主要限制條件為探測(cè)器的有效投影長(zhǎng)度，透照布置設(shè)計(jì)應(yīng)最大限度利用探測(cè)器，以最長(zhǎng)有效投影長(zhǎng)度作為基本條件進(jìn)行計(jì)算。