Table 1.不同管電壓對圖像對比度及分辨率的影響
鈦合金管路作為一種高端制造工業領域常用的結構，具有強度高、抗腐蝕性能好等優點，在航空發動機、航天火箭推進系統等領域有著廣泛的應用[1-5]。通常鈦合金管路系統是通過幾根特定整形后的管路進行焊接，最終形成整個流體通路的[6]。由于鈦合金焊接性能相對較差，在焊接加工過程中，受焊接環境條件、焊接設備、焊接工藝以及操作人員等因素的影響，焊縫易出現氣孔、夾雜、裂紋、未焊透等類型缺陷，影響整個系統的結構完整性，嚴重時可能引發管道泄漏，造成質量事故[7-9]。因此，在完成鈦合金管路的焊接工序后，需要對焊縫進行無損檢測分析，以評價其焊接質量。
目前，對于鈦合金管路的焊縫檢測，各類標準及檢測場景還以射線照相檢測方法為主，隨著數字化制造技術的發展，數字射線檢測技術逐步得到應用，其具有成像速度快，數字化存儲等優點，便于實現自動化檢測，是未來的主要發展趨勢。但目前，由于對檢測靈敏度的要求較高，且無成熟的應用標準，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標準要求，還未見相關研究報道[10-15]。
鈦合金小徑管對接焊縫通常采用雙壁雙影進行透照，實際檢測時，需要根據檢測要求，選擇合適的探測器類型和參數設置，以確保圖像質量和檢測精度[16-20]。檢測工藝參數的確定至關重要，如曝光參數和焦距等，其會直接影響檢測結果的準確性。文章通過試驗，分析不同檢測技術參數對圖像質量的影響，并使用含缺陷試件進行試驗驗證，得到最佳檢測工藝條件，驗證了數字射線檢測技術的有效性。
1. 試驗設計
1.1 檢測設備
目前，開放式數字檢測系統的應用較為普遍。該系統通常由射線源、成像面板、檢測工裝、數據處理模塊與顯示模塊等部分組成。其中，射線源的焦點尺寸及成像面板的參數直接影響檢測成像的質量，為驗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行對比，射線源焦點尺寸為0.3 mm，成像面板的像素尺寸為100 μm，檢測系統可以給出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
標準GB/T 35388—2017《無損檢測 X射線數字成像檢測 檢測方法》中關于圖像分辨率的識別并未區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計像質值要求一致。由于鈦合金小徑管的直徑和壁厚規格較多，為了便于試驗，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的最小厚度。采用尺寸（長×寬）為200 mm×200 mm的TC1鈦合金板材進行數字射線檢測工藝試驗，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 試驗方案
GB/T 35388—2017規定了數字射線檢測系統的最佳放大倍數，其表示為
式中：SRb為探測器基本空間分辨率；d為射線源焦點尺寸。
通過計算得到檢測系統最佳放大倍數為1.4。A級檢測時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，需要針對實際透照布置計算最小焦距是否符合標準要求，限制實際透照時的幾何不清晰度。實際透照時使用放大透照布置，焦距為700 mm，放大倍數為1.4，則射線源至工件表面距離為500 mm，物體至探測器實際距離為200 mm。將上述條件代入式（2），計算出的最小焦距為277 mm，實際焦距為700 mm，滿足標準要求。
將鈦合金板材置于透照視場的中心位置，單絲像質計及雙絲像質計置于源側鈦合金板材上，雙絲像質計與成像面板呈2°~5°的夾角。檢測靈敏度試驗中，針對管電壓、管電流、放大倍數、焦距設計了正交試驗，采集成像結果，對圖像中的單絲和雙絲線對進行統計對比。試驗步驟如下：① 固定管電流為3 mA，放大倍數為1.4，焦距為700 mm，驗證不同管電壓對成像質量的影響；② 根據材料厚度，固定管電壓，放大倍數為1.4，焦距為700 mm，驗證不同管電流對成像質量的影響；③ 確定透照靈敏度最高時不同厚度鈦合金板的管電壓及管電流，固定焦距為700 mm，驗證不同放大倍數對成像質量的影響；④ 確定透照靈敏度最高時不同厚度鈦合金板的管電壓及管電流，驗證不同焦距對成像質量的影響。
2. 試驗過程及結果分析
利用數字射線檢測系統，按照上述檢測工藝進行檢測靈敏度試驗，對每一組試驗結果進行統計，采用識別的絲型像質計絲號作為成像對比度靈敏度的評價指標；驗證試驗時，通過測定雙絲像質計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，放大倍數設置為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行測試，結果如表1所示（表中“—”表示無法檢測到有效數值，下同）。由表1可知，當透照管電壓較低時，衰減系數增大，無法穿透工件進行檢測；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，當管電壓到達某一數值時對比度靈敏度達到最大值；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最高靈敏度對應的最佳管電壓。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，靈敏度最高，可以識別W13號絲。
不同厚度鈦板透照時的最佳管電壓如表2所示。由表2可知，對鈦板透照時，隨著管電壓的增加，圖像對比度與圖像分辨率沒有同步達到最大值。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。因此實際檢測時，應綜合評估管電壓對圖像對比度靈敏度及分辨率的影響。
Table 2.不同厚度鈦板透照時的最佳管電壓
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，結果如表3所示。由表3可知，對不同厚度鈦板進行透照時，固定透照管電壓、圖像處理幀數，逐步增加管電流，圖像對比度靈敏度及分辨率均逐步增加。
Table 3.不同管電流對圖像對比度及分辨率的影響
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、放大倍數等。采用不同厚度鈦板及其透照最佳管電壓，放大倍數設置為1.4，固定管電流為3 mA，改變焦距進行試驗，結果如表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。焦距過大時圖像對比度下降，不利于數字圖像的觀察，因此實際應用中應選取500~900 mm的焦距，有助于提高圖像對比度。
Table 4.不同焦距對圖像對比度及分辨率的影響
2.4 放大倍數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，改變放大倍數進行試驗，結果如表5所示。由表5可知，隨著放大倍數的增大，圖像對比度逐漸降低，分辨率呈現先增后減的趨勢。這是由于隨著幾何放大倍數的增加，被檢測物體在探測器上所成的像也會放大，原本微小的細節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不僅會放大被檢測物體，也會放大噪聲，進而使圖像質量下降，降低了對缺陷的識別能力，從而影響分辨率。
Table 5.不同放大倍數對圖像對比度及分辨率的影響
根據上述試驗，采用表2透照電壓，放大倍數設置為1.2倍，管電流為3 mA，焦距為700 mm，對不同厚度鈦板進行試驗，并與GB/T 35388—2017中規定的圖像對比度和空間分辨率進行對比，結果如表6所示。由表6可知，優化后的圖像對比度均優于標準要求，當鈦板厚度不大于2.0 mm時，圖像分辨率均低于標準要求。根據GB/T 35388—2017標準規定，可以采用提高靈敏度補償分辨率的方法。當透照厚度為2 mm時，采用一級補償，即提高單絲像質值一級可識別性來補償圖像分辨率值低一級。將標準規定的單絲識別提高到W18、雙絲識別降低到D11，根據表6試驗結果（單絲像質計像質值W19，雙絲像質計像質值D11），滿足標準要求。
Table 6.GB/T 35388—2017標準A級像質要求與試驗結果對比
3. 產品檢測驗證
根據上述試驗結果，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行數字射線檢測，試件內含自然缺陷。根據標準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行標記。
鈦合金小徑管對接焊縫雙壁雙影透照厚度為兩個壁厚之和（2 mm），GB/T 35388—2017標準A級要求單絲識別到W17，雙絲識別到D12，根據一級補償規定，單絲識別到W18，雙絲識別到D11。
實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，幾何放大倍數為1.2倍。沿軸向布置雙絲像質計及單絲像質計觀察檢測靈敏度和分辨率。檢測結果表明，使用文章檢測系統，可實現對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果如圖1所示。
圖 1鈦合金管路對比度及分辨率成像結果
進一步對焊縫內部自然缺陷進行檢測和測量，對5根?10 mm×1 mm焊接試管進行檢測，結果如表7所示，鈦合金管路焊縫檢測成像結果如圖2所示。由表7可知，可以實現對最小尺寸為0.15 mm的點狀氣孔和0.2 mm的未焊透條狀缺陷的檢測和清晰表征。
Table 7.鈦合金小徑管缺陷數字射線、膠片檢測結果對比
圖 2鈦合金管路焊縫檢測成像結果
4. 結論
（1）對于給定的檢測系統，檢測圖像對比度和圖像分辨率受射線透照電壓、焦距、幾何放大倍數等檢測工藝參數的影響，實際檢測時，應根據檢測產品壁厚和規格，選擇合適的檢測系統及透照方式。
（2）透照電壓改變時，檢測圖像對比度和圖像分辨率不會同時達到最大值；管電流增加，檢測圖像對比度和圖像分辨率均增加；焦距存在一個合理區間，過大或過小都會影響圖像質量；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，實際選取的放大倍數與理論數值有偏差。
（3）對厚度2 mm以下的鈦合金板進行檢測時，需采用補償原則使像質達到標準要求。對壁厚為1 mm的小徑管采用雙壁雙影透照方式進行檢測，檢測結果滿足標準規定的像質要求，可檢測出0.15 mm的點狀氣孔及0.2 mm的條狀未焊透缺陷，像質質量及檢測結果與膠片法相當。
文章來源——材料與測試網