鈦合金管路作為一種高端制造工業(yè)領(lǐng)域常用的結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空發(fā)動機(jī)、航天火箭推進(jìn)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-5]。通常鈦合金管路系統(tǒng)是通過幾根特定整形后的管路進(jìn)行焊接，最終形成整個(gè)流體通路的[6]。由于鈦合金焊接性能相對較差，在焊接加工過程中，受焊接環(huán)境條件、焊接設(shè)備、焊接工藝以及操作人員等因素的影響，焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋、未焊透等類型缺陷，影響整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)管道泄漏，造成質(zhì)量事故[7-9]。因此，在完成鈦合金管路的焊接工序后，需要對焊縫進(jìn)行無損檢測分析，以評價(jià)其焊接質(zhì)量。 

目前，對于鈦合金管路的焊縫檢測，各類標(biāo)準(zhǔn)及檢測場景還以射線照相檢測方法為主，隨著數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字射線檢測技術(shù)逐步得到應(yīng)用，其具有成像速度快，數(shù)字化存儲等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)自動化檢測，是未來的主要發(fā)展趨勢。但目前，由于對檢測靈敏度的要求較高，且無成熟的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，針對鈦合金薄壁小直徑管對接焊縫的檢測能力是否滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，還未見相關(guān)研究報(bào)道[10-15]。 

鈦合金小徑管對接焊縫通常采用雙壁雙影進(jìn)行透照，實(shí)際檢測時(shí)，需要根據(jù)檢測要求，選擇合適的探測器類型和參數(shù)設(shè)置，以確保圖像質(zhì)量和檢測精度[16-20]。檢測工藝參數(shù)的確定至關(guān)重要，如曝光參數(shù)和焦距等，其會直接影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章通過試驗(yàn)，分析不同檢測技術(shù)參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，并使用含缺陷試件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到最佳檢測工藝條件，驗(yàn)證了數(shù)字射線檢測技術(shù)的有效性。 

1.   試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1   檢測設(shè)備

目前，開放式數(shù)字檢測系統(tǒng)的應(yīng)用較為普遍。該系統(tǒng)通常由射線源、成像面板、檢測工裝、數(shù)據(jù)處理模塊與顯示模塊等部分組成。其中，射線源的焦點(diǎn)尺寸及成像面板的參數(shù)直接影響檢測成像的質(zhì)量，為驗(yàn)證兩種射線檢測方法的檢測能力，文章采用相同的射線源進(jìn)行對比，射線源焦點(diǎn)尺寸為0.3 mm，成像面板的像素尺寸為100 μm，檢測系統(tǒng)可以給出32幀疊加平均圖像，射線照相的膠片型號為AGFA D5。 

1.2   檢測試件

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35388—2017《無損檢測 X射線數(shù)字成像檢測 檢測方法》中關(guān)于圖像分辨率的識別并未區(qū)分單壁透照或雙壁透照，且在壁厚小于10 mm的情況下，單壁透照與雙壁透照的像質(zhì)計(jì)像質(zhì)值要求一致。由于鈦合金小徑管的直徑和壁厚規(guī)格較多，為了便于試驗(yàn)，文章采用2倍厚度的平板件來替代小徑管雙壁雙影垂直透照區(qū)的最小厚度。采用尺寸（長×寬）為200 mm×200 mm的TC1鈦合金板材進(jìn)行數(shù)字射線檢測工藝試驗(yàn)，材料厚度分別為0.5，1.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 mm，以模擬不同厚度條件下的檢測效果。 

1.3   試驗(yàn)方案

GB/T 35388—2017規(guī)定了數(shù)字射線檢測系統(tǒng)的最佳放大倍數(shù)，其表示為

式中：SRb為探測器基本空間分辨率；d為射線源焦點(diǎn)尺寸。 

通過計(jì)算得到檢測系統(tǒng)最佳放大倍數(shù)為1.4。A級檢測時(shí)最小焦距為射線源至工件表面距離f與物體至探測器距離b之和，射線源至工件表面距離可表示為 

透照時(shí)，需要針對實(shí)際透照布置計(jì)算最小焦距是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，限制實(shí)際透照時(shí)的幾何不清晰度。實(shí)際透照時(shí)使用放大透照布置，焦距為700 mm，放大倍數(shù)為1.4，則射線源至工件表面距離為500 mm，物體至探測器實(shí)際距離為200 mm。將上述條件代入式（2），計(jì)算出的最小焦距為277 mm，實(shí)際焦距為700 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 

將鈦合金板材置于透照視場的中心位置，單絲像質(zhì)計(jì)及雙絲像質(zhì)計(jì)置于源側(cè)鈦合金板材上，雙絲像質(zhì)計(jì)與成像面板呈2°~5°的夾角。檢測靈敏度試驗(yàn)中，針對管電壓、管電流、放大倍數(shù)、焦距設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，采集成像結(jié)果，對圖像中的單絲和雙絲線對進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比。試驗(yàn)步驟如下：① 固定管電流為3 mA，放大倍數(shù)為1.4，焦距為700 mm，驗(yàn)證不同管電壓對成像質(zhì)量的影響；② 根據(jù)材料厚度，固定管電壓，放大倍數(shù)為1.4，焦距為700 mm，驗(yàn)證不同管電流對成像質(zhì)量的影響；③ 確定透照靈敏度最高時(shí)不同厚度鈦合金板的管電壓及管電流，固定焦距為700 mm，驗(yàn)證不同放大倍數(shù)對成像質(zhì)量的影響；④ 確定透照靈敏度最高時(shí)不同厚度鈦合金板的管電壓及管電流，驗(yàn)證不同焦距對成像質(zhì)量的影響。 

2.   試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

利用數(shù)字射線檢測系統(tǒng)，按照上述檢測工藝進(jìn)行檢測靈敏度試驗(yàn)，對每一組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用識別的絲型像質(zhì)計(jì)絲號作為成像對比度靈敏度的評價(jià)指標(biāo)；驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)，通過測定雙絲像質(zhì)計(jì)的絲徑表征圖像分辨率，借助圖像處理軟件的輪廓提取功能，最后一組可識別率不大于20%的絲對即為該透照條件下的最小分辨率。 

2.1   管電壓對靈敏度和分辨率的影響

針對不同厚度的鈦合金板材，放大倍數(shù)設(shè)置為1.4，固定管電流為3 mA，固定焦距為700 mm，改變管電壓，對不同厚度的鈦合金板進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示（表中“—”表示無法檢測到有效數(shù)值，下同）。由表1可知，當(dāng)透照管電壓較低時(shí)，衰減系數(shù)增大，無法穿透工件進(jìn)行檢測；隨著管電壓增加，工件被穿透，檢測圖像對比度靈敏度逐漸增加，當(dāng)管電壓到達(dá)某一數(shù)值時(shí)對比度靈敏度達(dá)到最大值；之后管電壓增加，靈敏度反而減小。因此，可以得到不同厚度鈦板透照時(shí)最高靈敏度對應(yīng)的最佳管電壓。如厚度為0.5 mm的鈦板使用40 kV管電壓透照可識別W19號絲，厚度為8.0 mm的鈦板使用100 kV管電壓透照時(shí)，靈敏度最高，可以識別W13號絲。 

不同厚度鈦板透照時(shí)的最佳管電壓如表2所示。由表2可知，對鈦板透照時(shí)，隨著管電壓的增加，圖像對比度與圖像分辨率沒有同步達(dá)到最大值。圖像對比度先增加后降低（0.5 mm鈦板除外），圖像分辨率則逐漸降低。因此實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)綜合評估管電壓對圖像對比度靈敏度及分辨率的影響。 

2.2   管電流對靈敏度和分辨率的影響

采用表2所示的最佳管電壓，將管電流從1.0 mA逐步增加到系統(tǒng)最大管電流3.0 mA，記錄不同管電流下不同厚度鈦板成像的靈敏度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，對不同厚度鈦板進(jìn)行透照時(shí)，固定透照管電壓、圖像處理幀數(shù)，逐步增加管電流，圖像對比度靈敏度及分辨率均逐步增加。 

2.3   焦距對圖像對比度和分辨率的影響

由射線檢測原理可知，成像幾何條件對圖像對比度有影響，成像幾何條件包括透照焦距、放大倍數(shù)等。采用不同厚度鈦板及其透照最佳管電壓，放大倍數(shù)設(shè)置為1.4，固定管電流為3 mA，改變焦距進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著焦距增加，圖像對比度先增加后減小，圖像分辨率逐漸增大。焦距過大時(shí)圖像對比度下降，不利于數(shù)字圖像的觀察，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選取500~900 mm的焦距，有助于提高圖像對比度。 

2.4   放大倍數(shù)對靈敏度和分辨率的影響

采用表2透照管電壓，固定管電流為3.0 mA，固定焦距為700 mm，改變放大倍數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。由表5可知，隨著放大倍數(shù)的增大，圖像對比度逐漸降低，分辨率呈現(xiàn)先增后減的趨勢。這是由于隨著幾何放大倍數(shù)的增加，被檢測物體在探測器上所成的像也會放大，原本微小的細(xì)節(jié)和缺陷在圖像中變得更加清晰可見，從而提高了分辨率。但過高的幾何放大倍數(shù)不僅會放大被檢測物體，也會放大噪聲，進(jìn)而使圖像質(zhì)量下降，降低了對缺陷的識別能力，從而影響分辨率。 

根據(jù)上述試驗(yàn)，采用表2透照電壓，放大倍數(shù)設(shè)置為1.2倍，管電流為3 mA，焦距為700 mm，對不同厚度鈦板進(jìn)行試驗(yàn)，并與GB/T 35388—2017中規(guī)定的圖像對比度和空間分辨率進(jìn)行對比，結(jié)果如表6所示。由表6可知，優(yōu)化后的圖像對比度均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)鈦板厚度不大于2.0 mm時(shí)，圖像分辨率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)GB/T 35388—2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以采用提高靈敏度補(bǔ)償分辨率的方法。當(dāng)透照厚度為2 mm時(shí)，采用一級補(bǔ)償，即提高單絲像質(zhì)值一級可識別性來補(bǔ)償圖像分辨率值低一級。將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單絲識別提高到W18、雙絲識別降低到D11，根據(jù)表6試驗(yàn)結(jié)果（單絲像質(zhì)計(jì)像質(zhì)值W19，雙絲像質(zhì)計(jì)像質(zhì)值D11），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 

3.   產(chǎn)品檢測驗(yàn)證

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，選用壁厚為1 mm，焊縫余高為0.3 mm，直徑為10 mm的鈦合金小徑管對接焊縫進(jìn)行數(shù)字射線檢測，試件內(nèi)含自然缺陷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35388—2017，采用雙壁雙影垂直透照成像方式，透照2次，在透照前對透照位置和透照角度進(jìn)行標(biāo)記。 

鈦合金小徑管對接焊縫雙壁雙影透照厚度為兩個(gè)壁厚之和（2 mm），GB/T 35388—2017標(biāo)準(zhǔn)A級要求單絲識別到W17，雙絲識別到D12，根據(jù)一級補(bǔ)償規(guī)定，單絲識別到W18，雙絲識別到D11。 

實(shí)際采用的透照電壓為65 kV，透照電流為3 mA，透照焦距為700 mm，幾何放大倍數(shù)為1.2倍。沿軸向布置雙絲像質(zhì)計(jì)及單絲像質(zhì)計(jì)觀察檢測靈敏度和分辨率。檢測結(jié)果表明，使用文章檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對W18單絲的識別和D11雙絲的分辨。鈦合金管路對比度及分辨率成像結(jié)果如圖1所示。 

圖  1  鈦合金管路對比度及分辨率成像結(jié)果

進(jìn)一步對焊縫內(nèi)部自然缺陷進(jìn)行檢測和測量，對5根?10 mm×1 mm焊接試管進(jìn)行檢測，結(jié)果如表7所示，鈦合金管路焊縫檢測成像結(jié)果如圖2所示。由表7可知，可以實(shí)現(xiàn)對最小尺寸為0.15 mm的點(diǎn)狀氣孔和0.2 mm的未焊透條狀缺陷的檢測和清晰表征。 

圖  2  鈦合金管路焊縫檢測成像結(jié)果

4.   結(jié)論

（1）對于給定的檢測系統(tǒng)，檢測圖像對比度和圖像分辨率受射線透照電壓、焦距、幾何放大倍數(shù)等檢測工藝參數(shù)的影響，實(shí)際檢測時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測產(chǎn)品壁厚和規(guī)格，選擇合適的檢測系統(tǒng)及透照方式。 

（2）透照電壓改變時(shí)，檢測圖像對比度和圖像分辨率不會同時(shí)達(dá)到最大值；管電流增加，檢測圖像對比度和圖像分辨率均增加；焦距存在一個(gè)合理區(qū)間，過大或過小都會影響圖像質(zhì)量；由于探測器像素有效探測面積占比不同，檢測圖像對比度和圖像分辨率最佳時(shí)，實(shí)際選取的放大倍數(shù)與理論數(shù)值有偏差。 

（3）對厚度2 mm以下的鈦合金板進(jìn)行檢測時(shí)，需采用補(bǔ)償原則使像質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對壁厚為1 mm的小徑管采用雙壁雙影透照方式進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的像質(zhì)要求，可檢測出0.15 mm的點(diǎn)狀氣孔及0.2 mm的條狀未焊透缺陷，像質(zhì)質(zhì)量及檢測結(jié)果與膠片法相當(dāng)。

文章來源——材料與測試網(wǎng)