一种复杂不等厚工件射线检测的补偿方法.pdf

2023年 第9期 热加工139检 测T e s t i n g一种复杂不等厚工件射线检测的补偿方法张标，颜信全，侯佳保，刘忠良中船黄埔文冲船舶有限公司 广东广州 510700摘要：对形状复杂的工件进行射线检测时，由于工件轮廓会对缺陷评判造成干扰，且厚度不均造成不同位置散射线差异较大，因此导致复杂不等厚工件射线检测效果较差。介绍了一种复杂不等厚工件射线检测的补偿方法。试验结果显示：通过不同衰减系数的介质合理配比可以得到与被检工件衰减系数相近的介质，用该介质补偿工件可以有效地减少复杂形状对射线检测的影响，补偿法射线检测灵敏度受补偿介质和操作过程的影响。关键词：射线检测；复杂工件；补偿法1 序言射线检测是工业上常用的无损检测手段之一。利用射线穿透工件时在不同部位的衰减差异，检测工件加工制作过程产生的各种缺陷。厚度均匀、形状规则的工件，射线底片呈现黑度均匀的影像，当工件内部有缺陷时，缺陷对应位置会显示黑度异常，形成与缺陷形态相似的图像1。对于形状复杂，厚度不均匀的工件，工件本身的轮廓也会在底片上形成影像，这些影像会对检测结果的判读造成干扰。同时，由于不同厚度造成的散射差异，也会降低射线检测的灵敏度。本文介绍一种复杂不等厚工件射线检测的补偿方法，通过补偿使被检对象相对平整，减少工件形状对检测效果的影响。图1所示为不等厚工件射线检测效果。2 补偿法射线检测为了获得较好的梯度，工业常用的射线胶片宽容度通常比较窄。对于不等厚工件，在工件厚度急剧变化区域，黑度也急剧变化，工件轮廓会对缺陷影像造成干扰。如果采用补偿块，与工件合成一个相对平整的被检对象，就可以解决这个问题，提升检测效果2。添加补偿块后，射线底片在一定区域内黑度相对均匀，靠近坡口附近的缺陷轮廓也清晰地显示出来，如图2所示。但由于试验工件在中部打底焊厚度比两端薄，中部和两端的黑度差异依旧很图1不等厚工件射线检测效果图2使用补偿块后的射线检测效果2023年 第9期 热加工140检 测T e s t i n g图5透照布置（铅粉、面粉）大。显然，如果要加工一个完全契合复杂不等厚工件形状的补偿块难度太大、成本太高，并不现实。因此要采用补偿法检测不等厚工件，通常要求补偿块满足以下条件。1）补偿材料与工件射线衰减系数相近。2）补偿材料接触工件的面要尽可能契合工件，未接触工件的面要形状规则，便于识别，不容易与缺陷混淆。3）补偿材料自身不能有空隙或缺陷。4）用于补偿任意复杂形状工件的材料，其形状应可以随意变化，如液体、粉末等。工业常见的大部分液体射线衰减系数都远低于钢铁等金属材料，难以满足使用要求。液态金属汞，虽然衰减系数高，但有剧毒，无法使用。因此，考虑采用粉末作为补偿材料。3 粉末配置与试验测试以钢铁工件为例，为测试粉末与工件之间的衰减系数差异，采用一定厚度的粉末与阶梯试块在相同条件下进行射线检测，比较两者之间的黑度差，可以看出射线衰减效果是否相同。阶梯试块提供了一系列厚度，能方便地找到黑度与粉末相近的工件厚度，如图3所示。使用粉末对钢铁工件进行补偿，最先考虑的是铁粉，但是铁粉中间有间隙，衰减效果不如实心钢铁，因此，加入衰减系数更大的铜粉一起做测试，见表1。表1铁粉和铜粉的衰减测试测试对象铁粉、铜粉阶梯试块/mm220设备型号250EGM2测试电压/kV210曝光量/Ammin10焦距/mm700胶片型号AA400显影时间/min5测试结果：在透照电压为210kV时，铁粉衰减系数小于实心钢铁（见图4）。图3透照布置（铁粉、铜粉）图4透照结果（铁粉、铜粉）测试结果铜粉厚度/mm15铜粉黑度3.89铁粉厚度/mm15铁粉黑度4.0试块厚度/mm8101214161820黑度3.913.382.72.161.79 1.51 1.29材料对射线的衰减系数为1 KZ33 （1）式中K系数；材质密度（kg/m3）；Z原子序数；射线的波长（nm）。从式（1）不难得出，铁粉呈蓬松状态，密度比钢铁小，因此衰减系数比钢铁小。同时，试验显示，210kV射线条件下，15mm的铜粉黑度接近于8mm的钢铁，铜粉衰减系数也小于实心钢铁，但大于铁粉。从式（1）分析可知，要获得更大的衰减系数，应考虑原子序数（Z值）和密度（值）更大的材质，如铅粉等，同时，加入低衰减系数的面粉一起测试（见图5）。铅粉和面粉的测试情况见表2。测试结果显示：在电压220kV时，6mm的铅粉，等效厚度超过20mm钢板，铅粉的衰减系数远大于钢板；23mm面粉没有在底片上留下任何影像，因此面粉的衰减系数非常小，如图6所示。显然，单一金属粉末衰减系数恰好等于钢铁的可能性不大，要获得衰减系数接近钢铁的粉末，可以考虑将高衰减系数和低衰减系数的粉末按一定比2023年 第9期 热加工141检 测T e s t i n g例混合进行测试。表1和表2说明铜粉、铁粉、面粉的衰减系数小于钢铁，铅粉衰减系数大于钢铁。为获得衰减系数与钢铁相近的粉末介质，将铅粉和面粉以18混合进行测试。考虑到干磁粉颗粒度和稳定性较好，加入干磁粉一起测试（见图7）。干磁粉和铅面粉的测试情况见表3。测试结果：在220kV的透照电压下，干磁粉的衰减系数远小于钢板的衰减系数，23mm干磁粉的等效厚度小于12mm钢板，23mm的铅面混合（18）粉末，等效厚度约18mm，衰减系数已经接近钢铁，在要求不高的情况下，可以开展补偿法射线检测（见图8）。表3说明采用两种不同衰减系数的材料粉末混合，可以获得衰减系数介于两者之间的粉末。图6透照结果（铅粉、面粉）图7透照布置（干磁粉、18铅面粉）图8透照结果（干磁粉、18铅面粉）表2铅粉和面粉的衰减测试测试对象铅粉、面粉阶梯试块/mm220设备型号250EGM2测试电压/kV220曝光量/Ammin10焦距/mm700胶片型号AA400显影时间/min5表3干磁粉、18铅面粉的衰减测试测试对象干磁粉、铅面粉阶梯试块/mm220设备型号250EGM2测试电压/kV220曝光量/Ammin12.5焦距/mm700胶片型号AA400显影时间/min5测试结果干磁粉厚度/mm23干磁粉黑度4.0铅面粉厚度/mm23铅面粉黑度2.36试块厚度/mm14161820黑度3.722.902.322.09当然也可以参考射线衰减公式3进行微调，即 II0 eT （2）在忽略面粉衰减的情况下，可以估算，即 ee铅钢123181+8 （3）铅7钢 （4）在220kV条件下，铅粉和面粉配比约为16更接近钢铁。但试验发现，面粉容易变质，因此改用干磁粉作为低衰减介质。经过测试，在250kV条件下，铅粉和干磁粉按18混合（见图9），衰减系数接近钢铁，见表4。测试结果显示：混合粉末厚度为23mm，在250kV透照电压下，黑度为2.08，在黑度曲线上寻找对应的板厚为23.11mm，粉末厚度接近等效厚度，测试结果铅粉厚度/mm6铅粉黑度0.61面粉厚度/mm23面粉黑度4.0试块厚度/mm101214161820黑度3.843.32.612.071.701.422023年 第9期 热加工142检 测T e s t i n g如图10所示。理论上，使用此混合粉末对不等厚工件进行补偿，该射线机在250kV的透照电压下，可以得到黑度比较均匀的影像。值得注意的是，衰减系数与射线波长有关，讨论等效厚度应在特定电压条件下进行，当透照参数或射线设备发生改变时，等效关系可能发生改变。图1中不等厚工件母材厚度30mm，这里将电压加大到250kV进行测试，以便在该电压下对工件进行检测。按照测试结果配制混合粉末，填充不等厚焊缝凹槽（见图11），在设定的电压250kV下透照（见图12）。图11基于补偿法检测不等厚工件图12粉末补偿法射线检测结果表4铅粉和干磁粉混合粉末衰减测试测试对象铅粉+干磁粉18阶梯试块/mm1230设备型号XXG300A测试电压/kV250曝光量/Ammin11.5焦距/mm700胶片型号AA400显影时间/min5图9透照结果（铅粉与干磁粉18混合粉末）图10等效板厚曲线测试结果粉末厚度/mm23干磁粉黑度2.08试块厚度/mm18202224262830黑度3.522.932.331.881.53 1.28 1.23检测实施效果显示，采用粉末填充不等厚工件能使射线底片黑度相对均匀，减少了工件复杂形状对检测的影响。像质计显示，30mm的工件，采用粉末填充后进行透照，丝型像质计（IQI）能看到第11根丝，部分区域能看到第12根丝，满足CB/T 35582011船舶钢焊缝射线检测工艺和质量分级关于像质计的要求。检测结果显示，能清晰看见工件坡口未熔合。采用粉末对工件进行补偿，除了考虑衰减系数外，还要考虑粉末的致密性和均匀性。为测试填充粉末能达到的致密性和均匀性效果，对粉末进一步加工，单独进行透照测试。将铅粉和干磁粉的混合粉末放在干燥的塑料瓶内充分摇匀，采用面粉筛去除粗大颗粒，获得均匀、细密的粉末，填充在塑料槽内进行射线透照测试，粉末厚度18mm，下方垫5mm钢板，如图13所示。测试结果显示：经过摇匀和筛选后的粉末，2023年 第9期 热加工143检 测T e s t i n g射线检测底片黑度均匀，未发现明显的填充间隙影像。仔细辨认，能看到粉末区域相比钢板区域图像更粗糙一些。粉末加上垫板厚度一共是23mm的透照厚度，丝型像质计辨认到第12根丝，能满足一般射线检测标准的要求。显然，粉末越均匀，颗粒越细，填充致密性也越好，射线检测效果就越好，但同时，成本也更高。4 基于粉末补偿法射线检测基本流程采用混合粉末的办法，通过合理的配比，可以获得衰减系数与钢板衰减系数相近的混合粉末，制作流程如下。1）根据工件厚度，先选择透照电压。2）用高衰减系数和低衰减系数的粉末充分混合，筛选出细小颗粒的粉末。3）用混合粉末与阶梯试块一起进行透照测试，测出等效厚度，估算衰减系数比值。4）根据估算结果，调整混合比例，重新测试，直到获得与工件衰减系数相近的混合粉末。用粉末补偿复杂不等厚工件来开展射线检测，需注意如下几个问题。1）衰减系数与射线波长有关，特定的混合比例配方只针对特定的机器和电压有效，当改变透照参数时，需要重新测试混合比例。2）粉末的均匀性和填充致密性对检测效果影响很大，粉末纯度越高、颗粒越细、混合越充分、衰减系数越接近工件，检测效果就越好。3）要鉴别粉末填充时产生的疏松和空洞形成的伪缺陷，可以清理掉粉末重新填充，再次检测，由于两次产生的伪缺陷不可能完全一样，因此通过比较就可以区分这类伪缺陷。4）采用补偿法进行射线检测，由于是按照最大板厚进行补偿，因此会导致较薄处的透照厚度增加，灵敏度下降。例如，试验中的工件，按母材的厚度30mm检测，像质计是可以达到标准要求的，但是如果按照打底焊本身的厚度10mm算检测灵敏度，则IQI应看到第12根丝，试验中只能看到第11根丝，不满足标准要求。5）基于粉末填充的补偿法检测不等厚工件，目前并没有相关标准和规范的支持，仅作为基于胶片射线检测特殊应用的一个解决方案。有条件的企业，也可以采用DR/CT等新技术检测复杂不等厚工件。5 结束语本文介绍了一种复杂不等厚工件射线检测的补偿方法，主要得出以下结论。1）采用衰减系数比工件大和比工件小的两种粉末，借助阶梯试块进行测试和估算，按一定比例混合可以得到衰减系数接近工件的混合粉末，可用于补偿复杂不等厚工件，使检测对象变得均匀，提升检测效果。2）材料衰减系数与透照设备和使用电压有关，在一定透照参数下配置的混合粉末，只能在该参数下使用。3）基于粉末补偿法的射线检测增大了较薄处的厚度，会造成该区域检测灵敏度下降。4）基于粉末补偿法的射线检测，受粉末质量和操作水平的影响较大。粉末的均匀性、填充致密性，以及粉末衰减系数是否接近工件衰减系数等因素，对检测效果影响较大。参考文献：1 邵小平，郑世才，沈传钊.射线检测技术M.北京：人民交通出版社，2010.2 陈永，刘仲毅.实用无损检测手册M.北京：机械工业出版社，2015.3 强天鹏.射线检测M.北京：中国劳动社会保障出版社，2007.20230410图13粉末致密性和均匀性测试