东风汽车有限公司商用车铸造二厂  李德根  武炳焕 张文杰

兰州三磊电子有限公司  杨世友

 

摘要：对于铸造件X射线缺陷检查，长期以来，一直采用铅房式图像增强器为核心的单件检查方式，由于图像增强器的固有特性，导致此方式的检测效果不理想、检测效率低等缺点。东风汽车有限公司商用车铸造二厂与兰州三磊电子有限公司联合研制的通道式X射线探伤自动线，以X射线数字扫描成像器为核心，采用数字成像技术，具有检测灵敏度高、速度快的特点。本文阐述了X射线探伤自动线的构成、原理、特点、关键指标及生产应用 

 

关键词：X射线探伤 数字成像 流水线 铸件

 

The application of X-ray detection transfer machine on the detection of spherical graphite iron  Foundry No.2 of commercial vehicle company, DFL  Li de gen  Wu bing huan  Zhang wen jie

SAN LEI electronic company, LTD LANZHOU    yang shi you

 

Abstract：As detecting the defects of casting components by using X-ray, the individual detection of by using plumbean house image-amplifying device has been used as the main way for a long time, but because of the internal characteristics of the image-amplifying device, the detection results are inefficiency and not perfect. The channel X-ray detection transfer machine, which developed by Foundry No.2 of commercial vehicle company, DFL and SAN LEI electronic company, LTD LANZHOU uses digital imaging technology and X-ray digital scan imager as its core, so it has a high sensitivity and a quick speed on detection. This article has represented the constitution, principle, characteristics, key index, production and application of the X-ray detection transfer machine.

 

Key words: X-ray detection digital imaging production-line casting components

 

一、X射线探伤的现状及发展趋势 

 

    X射线探伤作为一种常规的无损检测方法在工业领域应用已有近百年的历史。随着社会的发展，普通X射线胶片照相法在检测速度和成本等方面已经无法满足生产和竞争的需要。

 

    现代汽车工业的发展主要通过规模化、专业化生产来降低生产成本，并且对汽车的智能化、安全性、舒适性等技术指标要求也越来越高，因而对零件表面质量和内部缺陷进行100%的无损检测是先进质量控制的发展趋向之一。通过X射线进行铸件的无损检测，在国内外都得到了广泛的应用，为保证产品质量发挥了不可替代的作用。对重要的部件，如发动机摇臂、连杆、曲轴、减速箱及外壳、轮毂等，早期主要采用射线胶片照相或其他检测方法（如对铁磁性零件的磁粉检测、着色、渗透等方法检测）进行缺陷检测，不仅检测效率低，检测成本高，而且有些方法只能发现一些零件近表面的缺陷，已不能满足汽车工业大规模、高质量、低成本生产的要求。基于图像增强器的X-TV电视成像系统于20世纪40年代应运而生，直到80年代末一直是非胶片成像的最主要方法，用于对一些质量要求不高的产品生产进行质量监控。由于受器件本身的结构及原理限制，系统具有图像噪声大、灵敏度低、对比度差、图像变形、使用寿命短、不能对复杂零件进行有效检测、闪烁的图像容易造成操作人员视觉疲劳等缺陷，影响了零件缺陷的检出率，存在着潜在的安全隐患。最新的线扫描式X射线检测方法，不仅具有检测效果好，图像清晰，达到甚至高于胶片法检测的效果，成为理想的铸造件在线无损检测的主要方法，完全能满足铸件检测的质量要求，而且其检测成本很低，检测效率高，而且因为线扫描式数字成像系统其自身具有很宽的动态范围特性的特点，可以在很大的射线剂量范围内一次成像，可以承受高达450kv的X射线的直接照射，从小到1mm至大到60mm的铁质零件的全厚度范围内均可一次成像，无需射线的屏蔽，即可获得满意的成像结果，能够适应规模化、专业化、大批量流水线生产的要求，为大规模、高质量的工业化生产奠定了必要的基础，因此该检测方法在汽车工业生产中具有广泛的应用前景。

 

二、铸件特性及探伤要求

 

    铸铁是指含碳量大于2.14%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。由于球墨铸铁较高的强度和较好的韧性而得到广泛应用，而较高的强度和较好的韧性正是汽车保安件所需求的，因而，目前汽车保安件基本上采用球墨铸铁铸造形成。然而球墨铸铁在成型过程中，由于其一些固有特性：如共晶膨胀、收缩性等，因此会产生其特有的缺陷—缩松、缩孔；另外铸造件的形状往往多种多样，结构千变万化、非常复杂，采用常规的X射线无损检测方法，如胶片照相法、图像增强器实时成像法等均很难一次获得满意的检测结果，通常根据不同厚度区域进行分段、分区域多次检测，检测效率极低，无法实现大规模工业化的生产需要。其原因是：一方面，由于铸件结构的不均匀性造成射线透照后的灰度差别较大，而图象增强器本身的动态范围较小，因此透照较薄区域时的射线能量，不能穿透较厚区域；当提高射线能量穿透较厚区域时，工件较薄的部分图像饱和，不能进行有效分辨；同时，该区域内由于穿透射线的能量仍很高，直接照射到图象增强器上后，可能造成图象增强器损坏。另一方面，图象增强器系统的分辨率和射线承受能力相对较低，尚不能满足大厚度工件检测灵敏度和透照厚度的要求。

 

三、系统方案确定

 

3.1 X射线机的选型

 

    我厂所需检测零件均为铸铁件，其最大厚度球 铁60mm左右，并且要求X射线机具有连续不间断的工作能力；而且线扫描精细的成像象素，要求X射线机应具有较大的管电流，射线的辐射角应覆盖成像器的的全部接收区域，因此选用全进口450KV高频恒压式X射线机。另外选择射线透照的能量时，在保证射线具有一定穿透能力的条件下选用较低的管电压值，管电流选用最大值，以获得较高的影像对比度和较快的检测速度。

 

3.2成像系统选型

 

    当前，国内X射线无损检测方法主要有胶片照相法和图像增强器实时成像法。前者自X射线发现以来一直沿用到现在，广泛应用于各行各业，是一种很成熟的检测方法。图像增强器式实时成像法是20世纪50年代开始使用的一种检测方法。国外在使用胶片照相法和图像增强器实时成像法的基础上，已经开始研究使用基于单晶闪烁体接收器的数字扫描式及面板式实时成像系统。

 

     X射线胶片照相法检测具有影像直观、有档可查，检测结果受操作环境和人员经验、情绪影响较小等优点。但检测周期长、效率低，胶片、药液消耗量大，检测工艺复杂，检测成本高，环境污染严重，且影像宽容度较低。对于厚薄差别较大的工件，就无法用一个检测工艺完成，特别是对于形状复杂的零部件，很难得到有效检测。

 

    图象增强器输入屏直径一般为100~400mm，中心分辨率一般为40~70Lp/cm，具有价格低廉、结果简单、分辨率和对比度较高等特点。但其体积较大；在强磁场环境下使用时图像发生扭曲；不能承受高能量的X射线直接照射，检测厚度差别较大的工件时，需用光栅遮挡；易老化，使用寿命较短，仅为2～3年；图像灵敏度和分辨率越低。

 

 

    由于图象增强器的上述特性，该类系统比较适合于检查厚度相对均匀的中、薄工件，如焊缝缺陷等，当检查形状不规则的铸件和零件装配结构时，需要光栅反复遮挡，如果遮挡欠缺容易造成漏光，侵蚀边缘图像，如果遮挡太过，则会造成工件边缘漏检测，因此操作麻烦，效果不理想。

 

    本系统选用X射线直接数字成像器作为X射线接收装置（如下图），X射线成像器是将一种新型的射线探测单元（荧光闪烁体、硅光电二极管等）排列成一个阵列，并将它们直接与大规模集成电路连在一起，同步完成射线接收、光电转换并输出数字信号，由于闪烁体尺寸可以做的很小（83μm），因而可获得极高的空间分辨率（6Lp/mm），而且转换象素单元彼此相互独立，互不影响，所以生成图像的几何失真很小，从而使系统灵敏度和分辨率大为提高。由于成像器通过放大电路来完成图像增强，不像图像增强器是通过加速电子撞击输出屏来完成图像增强，所以成像器可以承受很高能量的X射线(可达450kV)直接照射，器件的老化时间大大延长，具有很长的使用寿命。同时它具有很宽的动态范围，对于薄厚差很大的工件，可以一次成像，不需要光栅遮挡，因此可应用于零件流水线检测方案中。

 

    综合上述分析比较，结合我厂零件形状往往多种多样，结构千变万化、非常复杂得特点，如果采用胶片照相法、图像增强器实时成像法等均很难一次获得满意的检测结果，根据不同厚度区域进行分段、分区域多次检测，检测效率极低，无法满足我厂的生产需要。采用X射线线扫描式数字成像系统由于其自身具有很宽的动态范围特性的特点，可以在很大的射线剂量范围内一次成像，可以承受高达450kv的X射线的直接照射，对厚度差很大的零件可一次成像，无需射线的屏蔽，即可获得满意的成像结果，能满足我厂零件的在线快速检测需要，因此成为我们的首选。

 

3.3 图像处理软件功能设计

 

    本系统的配套的图象处理软件必须依据X射线扫描式成像器的原理和特性，结合现场使用要求来设计各种成像功能，并通过它将本系统各部分有机联系起来使之成为一套完整的设备。图像处理软件开发过程中主要需要解决以下几个问题：

 

    各象素信息的校正。通过前级硬件对图像数据进行补偿和校正之后，还需在软件中进一步校正，从而完全解决象素感光性等一系列的不一致性。软件校正的原理是先根据工艺条件（如X射线电压、电流等）下的标准试样（一般是平板）。产生出一个查找表，在将来实际检测时，对每一个象素数据，都在查找表中找出相应的补偿校正系数予以校正。

 

    积分时间控制。由于成像器对X射线照射的特性是剂量累积型的，这一特性类似于胶片的曝光特性。所以严格地控制积分时间是很重要的。积分时间的确定、计算，不能依靠计算机中的时钟，因为它的计时精确度不高，我们是采用软件、硬件结合的方法来定时积分时间的。首先在图像处理卡上设置一计时精度很高的内部硬件计时器，当积分时间到达后，触发中断处理过程，由该过程完成图像数据的处理和传输。

 

    动态图象的实现。由于成像器采集到的是每一行的图像信息，连续不断的行就构成了整幅图像。按照人们的视觉习惯，活动的图像应该是向某个方向连续滚动的，这样就产生一个问题：对于每一幅图像其数据量可达8Mb之多，成像器每采集一行，整幅图像就得向上滚动一行，以便留出位置供新采集到的一行图像显示。这样大的数据位移、显示，单靠CPU的工作是完全不能实时的，因而就不能得到实时动态显示的图像的效果，何况，CPU还要完成数据采集等工作，留给动态显示的时间就更少了。如何解决这一问题呢？我们是采用DirectX技术，即让显示卡上的硬件完成这一工作，从而实现了采集图像的实时动态显示。

 

3.4 机械系统选型

 

    扫描式X射线实时成像系统，是以X射线扫描接收器为实时成像技术的核心，能否使用的关键，是扫描接收器的性能，能否使用好，则是检测机械设计的关键，检测机械设计的好坏，关系到整个系统的成败。对于铸造件X射线缺陷检查，长期以来，一直采用铅房式多自由度单件检测方式，但检测效率低，使用于实验室或小批量检测，并且与X射线扫描式接收器配合较难实现相对运动，为了适应大批量铸件的检测，必须另寻途径，通过大量论证和集思广益，车站、机场行李检查系统使我们得到启发，从而产生了流水线式的输送机构。机械系统设计中，需要重点考虑射线防护问题，如果在高达450KV能量的射线直接照射下实现敞开式流水线检测功能，也是本系统的一个难点。

 

四、X射线探伤自动线的构成

 

  

五、X射线探伤流水线的关键指标

 

5.1 空间分辨率 

 

    空间分辨率主要由象素的几何尺寸决定。象素间距越小，其空间分辨率就越高。当光电二极管的尺寸可以做的太小（可以达到28μm），对X射线的能量要求就会增加，如象素面积减小一倍，其生成相同亮度信号所需X射线的能量就要增加4倍。实践证明象素尺寸在83μm时，既能适应当前X射线机的能量水平，又能达到足够的空间分辨率要求，83μm的象素大小，理论的空间分辨率可达6.0lp/mm，实测的空间分辨率也能达到5.0lp/mm，基本等同于胶片照相法。

 

5.2 动态范围

 

    动态范围是指成像器可以识别的由X射线转换成数字图像的灰度等级，对应其A/D转换器的精度，12Bit的转换精度，可达4096级灰度。

 

5.3 扫描速度 

 

    影响扫描速度的主要因素有系统信号处理的速度和X射线光通量的大小。现在计算机及电子线路的处理速度都很高，即使扫描线较长的成像器，也能在很短的时间内处理完毕，而X射线光通量的大小成为直接影响扫描速度的主要原因。也就是说只有当X射线在成像器上的累积剂量达到一定数量时才能有较好质量的图像。按照分辨率的不同要求，可对象素进行合并，以便提高检测速度，象素合并数可为2、3、…、16，最快的扫描速度可达4m/Min，当然随着合并数的增加，检测分辨率越来越低。

 

5.4 射线能量承受力

 

    大多数工业应用的射线能量在450kv以下，因此成像器应满足450kV的射线直接照射，主要通过优化闪烁体，使其能承受高能量的X射线。其次，X射线的屏蔽和准直也是一个很重要的环节，X射线会增加电子线路的噪声，这也是屏蔽的主要原因，因此在再调试时增加了准直器和屏蔽铅栅。

 

六、应用测试

 

6.1成像器的线性测试

 

    成像器一个重要的性能是每一个成像晶体在透照时的厚度—吸收系数关系曲线的线性程度。其关系公式为

式中， 分别是光电效应、散射现象、电子对生成效应和光致蜕变的衰减效应。

 

我们在X射线机160Kv电压，6mA电流条件下，通过测试不同厚度的试块，经过成像器检测到的数据计算得到材料吸收系数μ与钢块厚度之间的关系曲线，如下图所示。

 

成像器测试的材料厚度与吸收系数曲线

 

从上图可以看出在一定的厚度范围内，吸收系数和厚度是线性关系，说明成像器具有良好的线性特性。

 

6.2灵敏度测试法

 

    按照GB3323-87和JB4730-94标准，分别在壁厚20㎜的钢板靠近成象器侧贴上2#钢丝象质计进行透照，X射线机管电压100kV,管电流5mA，扫描图像由计算机处理后能清晰的看到第11号钢丝，即象质计指数达到Z=11。其相对灵敏度为 1.6%， 测试结果超过了标准的要求。

6.3分辨率测试法

 

    将扇形分辨率测试卡贴传送带上进行透照，X射线机管电压100Kv，管电流5mA，由数字成像器扫描后在计算机显示器屏幕上观察图像，能清晰的看到4.0 Lp/mm组的线条。即系统图像分辨率达到4.0 Lp/mm。

 

6.4实物解剖对比

 

a) 压盘

                    

b) 伊朗标致405工字梁

 

6.5测试结论

 

    通过以上测试结果分析可见，X射线数字成像法的检测质量优于图象增强器法，其象质计灵敏度达到了JB4730-94标准的要求，分辨率指标达到了美国ASME SE1255-95标准的要求，缺陷再现测量尺寸与实物解剖测量尺寸相符，几何变形与失真较小，因此该检测流水线完全满足我厂对铸件的检测要求。

 

七、 结束语

 

    汽车零部件X射线探伤自动线系统是一个涉及多学科的系统，包括X射线系统、射线传感器系统、机械系统、数字通讯技术、控制理论、软件系统、现场总线技术、等多方面。文中针对汽车零部件大批量、多品种、低成本、快速检测的要求，描述了X射线探伤自动线的构成原理，以及实现流水线检测的关键指标和生产应用。

 

    本文所述的X射线探伤自动线属于柔性自动线，通用性较强，对规则零件的检测效率很高，每班可完成10000件铸造轴承盖的检测，对形状复杂的零件检测效率相对较低，每班可完成1000余件，缺陷检出率较高，检测成本仅为拍片检测的2％，检测图像的空间分辨率和对比灵敏度达到国家标准的要求。

 

    当然，该探伤线受结构限制，虽然可进行多品种、大批量检测，但由于失去多自由度的选择，因此，对圆锥形零件，尤其是圆锥形较厚的零件，检测往往比较困难，有时需要通过两次来才能完成检测。

 

1.        李家伟 陶维道等  无损检测手册  机械工业出版社，2002.1

2.        赵肖东，陶维道等 X射线成像系统软件功能概要，2000.7

3.        孙忠诚，陶维道等 面板式射线数字成像系统及工业应用，2000.7