我國近年來連續完成了以載人航天、空間站建設、新一代運載火箭、探月探火、衛星導航為代表的一系列重大工程任務。運載火箭作為最重要的航天運輸工具,由箭體結構、增壓輸送系統及飛行控制系統組成,其中箭體結構主要包括氧化劑和燃料劑貯箱等部件,增壓輸送系統主要包括導管和氣瓶等部件[1-2]。

貯箱及導管產品中包括大量筒形焊接成形件,例如筒段、主導管、波紋管等,其利用單張或多張板材輥彎后通過熔焊或攪拌摩擦焊工藝拼焊成形,主要焊縫結構形式為縱縫。受環境條件和焊接工藝等因素的影響,在焊接過程中,焊縫內部不可避免地會出現各種類型的缺陷,如熔焊中易出現氣孔、夾雜、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷,攪拌摩擦焊中易出現孔洞、未焊透、隧道孔、弱結合、夾雜等缺陷,且具有緊貼細微、取向復雜等特點[3]。為確保產品質量滿足嚴苛的工作環境要求,須對所有拼焊后的Ⅰ級、Ⅱ級焊縫進行100%X射線檢測,目前筒體類縱縫仍大量采用人工膠片射線照相技術,存在工序繁瑣、效率低、環保性差、底片儲存查難等系列問題。

隨著高性能輻射探測器進入高速迭代發展的新時期,部分特殊結構（長條形、曲面）輻射探測器在工業無損檢測領域的應用正逐步拓展,為小直徑筒形結構產品的射線數字成像單壁透照提供了有效解決方案。NASA（美國航空航天局）、ESA（歐洲航天局）等組織已經把自動化、數字化、智能化程度更高的射線數字成像（DR）檢測技術廣泛應用于貯箱、異形導管焊縫的高效檢測,研制了一系列定制化的檢測裝備,相關標準體系完備健全,具有成熟的工程應用經驗[4-7]。國內目前DR檢測技術處于高速發展階段,先后頒布了導則類標準GB/T 35389—2017《無損檢測 X射線數字成像檢測 導則》、設備器材類標準GB/T 35394—2017《無損檢測 X射線數字成像檢測 系統特性》、通用檢測方法類標準GB/T 35388—2017《無損檢測 X射線數字成像檢測 檢測方法》及焊縫檢測方法標準GB/T 3323.3—2019《焊縫無損檢測 射線檢測 第2部分：使用數字化探測器的X和伽瑪射線技術》,初步構建了DR檢測標準體系,同時部分企業單位開展了大量相關檢測技術及裝備的研究工作,但在射線數字成像檢測裝備普適性、功能性、自動化程度等方面的研究有待深入,核心部件射線源、探測器的穩定性和可靠性與國際先進水平相比仍存在一定差距[8-12]。

文章以運載火箭箭體結構筒段、動力系統主導管、波紋管等板材輥彎拼焊筒形焊接結構為對象,提出了自動化檢測系統的設計要求,確定了系統相關部件的參數選型,設計研制了一套適用于多品種、多規格筒形焊接件的DR檢測系統,并利用DR檢測系統開展了產品應用驗證試驗,試驗結果表明,系統功能及性能滿足實際使用需求,實現了運載火箭薄壁筒體類焊縫的快速高效自動化檢測。

1. 系統設計

薄壁筒體焊縫射線數字成像檢測系統由射線成像系統、機械結構系統、電氣控制系統、圖像采集及處理系統,以及相關附件組成。

1.1 透照技術設計

根據透照布置最優化原則,單壁透照理論上具有最高的檢測靈敏度,射線束與工件垂直透照有利于絕大部分缺陷的檢出。由于部分工件最小直徑較小,采用射線源在內透照時,源與產品內表面的距離很小,在一定的放大倍數下焦距也較小,導致圖像的幾何不清晰度較大,因此此系統擬采用射線源在外,探測器在內的單壁透照方式,其結構示意如圖1所示。

圖 1透照布置結構示意

1.2 射線成像系統設計

射線成像系統由X射線源、平板探測器組成。探測器負責接收X射線并最終轉換成數字圖像,X射線源、平板探測器的性能水平直接決定了系統的缺陷檢測能力。為了滿足薄壁筒體縱縫的檢測圖像質量要求,依據GB/T 3323.2—2019中A級技術等級的規定開展射線成像系統設計,圖像應達到的技術指標如表1所示。

平板探測器的性能決定了系統可分辨最小細節的能力[8],其技術指標包括像素尺寸、量化位數、幀速等。平板探測器應至少達到以下要求。

（1） 像素尺寸的選擇。圖像空間分辨率最高應可識別雙絲D10號線對（即100 μm）,因此探測器的像素尺寸應不大于100 μm。

（2） 外形尺寸的選擇。系統采用射線源在外、探測器在內的單壁透照方式,工件最小直徑為230 mm,為滿足探測器進入小直徑筒體的要求,探測器外形尺寸應不大于180 mm,同時長度方向尺寸宜盡量較大,以提高一次成像范圍和檢測效率。

X射線源的性能決定了系統可識別最小厚度差的能力,其技術指標包括管電壓、管電流、焦點尺寸等。X射線源應至少達到以下要求。

（1） 焦點尺寸的選擇。當射線源的焦點尺寸較小時,可通過一定的放大倍數獲得更高空間分辨率的圖像,以提高圖像中缺陷的細節顯示能力,因此其焦點尺寸應不大于0.2 mm。

（2） 管電壓的選擇。檢測系統使用的材料與厚度范圍決定了X射線源的能量,因此X射線源的最高管電壓應不低于160 kV。

（3） 管電流的選擇。曝光量是保證檢測圖像信噪比的基本要素,受管電流和積分時間的共同影響,X射線源的最高管電流應不低于2 mA。

1.3 機械結構設計

機械結構系統由七自由度懸臂檢測組件、電動平車、旋轉工作臺組成。檢測縱縫時,機械結構系統應始終與射線源和探測器同步升降,且射線源出束方向與探測器平面垂直。機械結構系統應至少具有焦距調節、工件旋轉、同步升降等功能,包括Rz、C軸、x1、x2、z1、z2、z3、z4,其結構如圖2所示,各運動軸的功能及技術指標如下。

圖 2機械結構運動軸示意

（1）x1、x2軸：懸臂沿橫梁方向橫向運動,可調節射線源與工件、探測器與工件的水平距離,有效行程不低于2 000 mm。

（2）Rz軸：懸臂沿工件垂直方向旋轉,可調節射線源、探測器與焊縫的徑向相對位置。

（3）C軸：工作平臺沿工件垂直方向旋轉,可實現多條縱縫、多個產品的切換,滿足8個導管類工件的自動化檢測。

（4）z1、z2軸：射線源懸臂一、二級升降,可調節射線源垂直方向的高度,總行程大于2 100 mm。

（5）z3、z4軸：探測器懸臂一、二級升降,可調節探測器垂直方向的高度,總行程大于2 100 mm。

（6） 機械運動軸重復定位精度優于±0.1 mm,旋轉軸重復定位精度優于±0.05°。

1.4 電氣控制設計

電氣控制系統負責協調機械結構系統、射線成像系統、圖像采集處理軟件的工作,以實現射線數字成像檢測工藝,并實現人機交互與信息傳輸,電氣控制系統框圖如圖3所示,電氣控制系統可實現如下功能。

圖 3電氣控制系統框圖

（1） 可采集各子系統的狀態信息,包括實時位置、安全狀態、限位等。

（2） 可通過手輪、控制軟件驅動射線源、探測器按照軌跡執行運動指令,并進行編程示教,保存工件的自動化檢測程序。

（3） 可實現與圖像采集及處理軟件的通信,實現運動機構與圖像采集軟件的協同控制,完成工件的自動化檢測流程。

1.5 圖像采集及處理軟件設計

圖像采集及處理軟件需滿足射線成像檢測過程的圖像采集、顯示、存儲、處理、測量、分析等基本功能,其軟件界面如圖4所示。其他功能需求如下。

圖 4圖像采集及處理軟件界面

（1） 工藝示教功能：可采集各運動軸的實時位置,并進行編程示教,最終輸出為G代碼程序。

（2） 圖像校正功能：支持暗場、增益、壞像素圖像校正。

（3） 圖像計量功能：支持歸一化信噪比、空間分辨率、對比度噪聲比等圖像質量技術指標的計量。

（4） 自動命名：支持多級文件夾、圖像的自動命名及水印生成。

2. 檢測工件與系統

2.1 檢測工件

檢測工件為某運載火箭型號筒段、主導管、波紋管,其實物如圖5所示,被檢對象尺寸規格如表2所示。

圖 5檢測工件實物

2.2 檢測系統

檢測設備為上海航天精密機械研究所自主研制的型號為WDR-225的射線數字成像檢測系統,其實物如圖6所示,系統的核心部件技術指標如下。

圖 6薄壁筒體焊縫射線數字成像檢測系統實物

（1） X射線源：管電壓為225 kV,管電流為2 mA,焦點尺寸分別為50,130,200 μm,輻射角度為40°×40°。

（2） 平板探測器：有效成像區域為（長×寬）97 mm×233 mm,A/D轉換位數為16 bit,像素尺寸為76 μm,像素矩陣為1 280×3 072。

（3） 機械運動系統：x軸有效行程為2 100 mm,可實現最大焦距為1 500 mm,z軸有效行程為2 200 mm,最多支持8個工件的安裝放置,滿足直徑為230~3 800 mm工件的自動化檢測要求。

3. 試驗與分析

3.1 成像檢測系統基本性能試驗

成像檢測系統基本性能參數包括空間分辨率和歸一化信噪比,決定于平板探測器系統本身的結構與特性,同時受射線束譜及劑量影響。本節對成像檢測系統的基本空間分辨率、歸一化信噪比進行測試,焦距為1 000 mm,采集幀數為32幀,積分時間為300 ms,曝光參數如表3所示,系統基本性能測試結果結果如圖7所示。

圖 7系統基本性能測試結果分析

通過自研軟件在圖像的中間區域獲取線寬度為21個像素的調制度傳遞函數曲線,依據式（1）計算得到系統的基本空間分辨率為95.5 μm（縱/橫向空間分辨率平均值）。

式中：SRb為系統基本空間分辨率；D1為第一個深度大于20%線對的線徑；D2為第二個深度小于20%線對的線徑；R1為第一個深度大于20%線對的深度；R2為第二個深度小于20%線對的深度。

通過選擇5個50×50像素區域（四角及中心區域）,根據式（2）、（3）分別計算成像檢測系統圖像的信噪比和歸一化信噪比,得到系統的歸一化信噪比為703。

式中：SNR為信噪比；GV為區域平均灰度（下角數字表示各區域）；σ為區域標準偏差；SNRN為歸一化信噪比。

3.2 典型產品應用

3.2.1 自動化檢測程序設計

通過G代碼指令控制各系統的邏輯時序,實現系統各組件功能的調用,以完成整個檢測過程,設計的檢測流程機械運動邏輯如圖8所示。

圖 8檢測流程的機械運動邏輯

伺服控制系統是檢測系統自動化運行的核心部件,根據不同筒體的檢測工藝,設計了自動化檢測控制程序。典型產品的自動運行界面如圖9所示。

圖 9產品的自動運行界面示例

圖像采集及處理軟件通過ADS通信協議實現與伺服控制系統的信號交互,在自動保存模塊設置文件的保存路徑、命名規則,使圖像在自動采集模式下按照設定好的規則有序存儲。自動保存模塊界面如圖10所示。

圖 10自動保存模塊界面

3.2.2 試驗參數

采用該系統對筒段、主導管等產品進行了應用測試,綜合考慮檢測效率及圖像質量后,進行透照參數的設置,具體如下：焦距為1 000 mm,一次透照長度為150 mm,幾何放大倍數為1.25倍。通過優化的檢測工藝對檢測圖像的質量指標進行了分析,典型工件的曝光參數如表4所示。

3.2.3 筒段測試結果

某型號筒段高度為1 400 mm,焊縫數量為4條,采用自研系統對焊縫進行自動化檢測,結果如圖11所示。采集的圖像總數量為40張,綜合檢測效率較膠片法提升6倍。成像結果表明,在一定的放大倍數下,DR圖像噪聲控制明顯優于膠片法的,由于DR圖像可根據灰度分布調節部分感興趣區域至合適的窗寬窗位,獲得更好的缺陷顯示對比度,因此顯示的隧道孔缺陷輪廓及形貌特征更加清晰。

圖 11筒段檢測結果

筒段檢測圖像的對比結果如表5所示,可知系統檢測6 mm筒段產品的檢測圖像對比靈敏度為W16,相對膠片照相法的提升一個線對,圖像的對比靈敏度、空間分辨率和歸一化信噪比均優于A級技術條件。

3.2.4 導管焊縫測試結果

某型號導管高度為1 000 mm,焊縫數量為1條,采用自研系統對其進行自動化檢測,結果如圖12所示。采集的圖像總數量為7張,綜合檢測效率較膠片法效率提升5倍。根據成像結果得到線形缺陷的延伸方向一致,DR結果的信噪比明顯優于膠片的,對裂紋、未熔合等缺陷的細小特征顯示更加清晰,缺陷邊界輪廓對比度更優。同時,DR圖像具有很寬的動態范圍,適用于黑/灰度差異較大的感興趣區域。

圖 12導管檢測結果

導管檢測圖像的對比結果如表6所示,可知系統檢測導管產品的檢測圖像對比靈敏度為W17,相對膠片照相法結果提升一個線對,檢測圖像的對比靈敏度、空間分辨率和歸一化信噪比均優于A級技術條件。

4. 結論

文章以運載火箭薄壁筒體焊縫為應用對象,通過自主研制DR檢測系統,實現筒段、主導管、波紋管等焊縫的數字化、自動化檢測,主要結論如下。

（1） 根據檢測工件、檢測標準等要求開展透照技術、成像檢測系統、機械結構、電氣控制、采集軟件的設計,確定了系統的設計方案及技術指標。

（2） 設計研制了薄壁筒體焊縫DR檢測系統,經性能驗證,該系統滿足應用對象的檢測技術要求,能實現自動化檢測,檢測效率可提升5倍以上。

（3） 對典型產品進行了應用測試,圖像質量均滿足A級技術條件要求,對比靈敏度優于膠片照相法的,缺陷形貌特征與膠片法的基本一致,具備工程化應用條件。

文章來源——材料與測試網