圖 1 標準缺陷試件尺寸示意
分享：航空鋁合金薄壁件缺陷數字射線成像檢測的工藝參數分析
航空鋁合金構件由于質量輕且具有良好的塑性和韌性，被廣泛應用于飛機零部件制造和成型中[1]。航空鋁合金構件一般通過機械加工、焊接等工藝制造成各類零部件，在加工和焊接過程中容易產生裂紋、夾渣、氣孔、未熔合和未焊透等缺陷，不同類型的缺陷會降低構件的強度等力學性能參數，從而對其安全性和可靠性造成潛在威脅[2-3]。航空鋁合金構件的焊接質量會直接影響飛機的安全性能，故一般要求航空鋁合金受力件在安裝前進行100%檢測。因此，高效精準地識別和判斷出鋁合金薄壁件中的缺陷，對于提高航空鋁合金零部件質量和可靠性以及保障飛行安全具有重要意義[4-6]。DR技術相比于傳統膠片成像技術，具有對材料缺陷響應快、易存儲且可視化的優點，成為航空鋁合金構件焊接質量控制的關鍵手段[7-9]。數字射線檢測靈敏度和圖像質量受到檢測設備工藝參數的影響，如管電壓、管電流等。尋找最佳的工藝參數組合，從而獲得最佳的圖像質量，是現場檢測中亟待解決的重中之重。
陳劍等[10]提出了可優化DR檢測工藝參數的設置方法，保證了檢測的質量和效率。針對不同厚度的被檢工件，張軍輝等[11]探討了管電壓和管電流等曝光參數與DR圖像灰度、對比度和信噪比的關系，并確定了這些參數對缺陷圖像質量的影響。郭文明等[12]基于多種因素分析了影響射線強度的因素，并結合射線強度與數字圖像之間的轉換方式，得出了二者的線性關系。胡景東等[13]選取鋼板為研究對象，在射線成像理論的基礎上，探索得到了最終圖像灰度和透照厚度之間的相關性模型。余夢倩等[14]以與航空發動機渦輪葉片同材料的等效厚度試塊為研究對象，運用二次回歸正交旋轉試驗方法，建立了檢測圖像信噪比與管電壓、管電流等參數之間的相關性模型，并驗證了各因素以及因素之間的交互作用對于檢測圖像的影響。董方旭等[15]基于仿真模擬，計算了不同管電壓和管電流對復合材料內部缺陷DR成像檢測結果的影響，得到了最優的工藝參數。
針對航空工業領域快速選擇DR檢測工藝參數以獲得高信噪比航空鋁合金薄壁件缺陷DR圖像的需求，分析管電壓、幀平均數和管電流等工藝參數對DR檢測成像結果的影響。以航空鋁合金薄壁件為試驗對象，采用控制變量的方法，進行了大量不同電壓與電流的參數組合試驗，建立圖像的不同評價參數與幀平均數、管電壓、管電流之間的映射關系，尋找最佳管電壓及管電流值。
1. DR工藝參數對圖像質量影響的分析
在數字射線檢測中，圖像質量受管電壓和管電流的影響最為明顯。一般X射線總強度IT與管電流I、管電壓V、靶材料原子序數Z之間的關系為
|
|
(1) |
式中：Ki為比例常數。
由式（1）可知，射線強度與電壓的平方和管電流呈正比關系。而DR圖像信噪比SNR與射線光子數N之間的關系為
|
|
(2) |
由式（2）可知，增加管電壓，探測器接收到的光子數大幅度增加，從而信噪比會大幅度增加。
在含缺陷工件中，缺陷主因對比度可表示為
| (3) |
式中：ΔIT為工件厚度引起的圖像灰度差；μ為X射線光子的能量；ΔT為缺陷處厚度差；n為射線散射比。
由式（3）可知，電壓增加，μ降低，使得DR缺陷圖像對比度降低。由傳統膠片照相理論可知，增加管電壓，信噪比增加，對比度降低，檢測靈敏度降低。而在DR成像檢測中，增加電壓會使得缺陷對比度降低，圖像信噪比增加，但是對比度降低速率低于信噪比增加的速率，因此，管電壓的增加會使得圖像對比度信噪比有所升高，靈敏度也有所增加。同時，管電壓升高，圖像空間分辨率也會增加。目前，電壓對檢測結果的影響研究較多，而管電流對DR檢測結果的影響研究相對較少。
2. 機加標準試件制備和試驗裝置
標準HB/Z 119—2011《鋁及鋁合金熔焊工藝及質量檢驗》中關于氣孔和夾雜的尺寸要求為：當母材厚度為1~8 mm，允許存在不大于0.2 mm的氣孔和夾雜缺陷。文章試驗無法針對具體的某一型號飛機鋁合金構件進行實際檢測，因此制作相應的鋁合金機加工標準試件作為試驗對象，標準缺陷試件尺寸示意如圖1所示。試件的總長度、寬度和厚度分別為160，60，2 mm。試件中的條形缺陷長度為4 mm，寬度為0.1 mm，深度分別為0.08，0.10，0.12，0.14，0.16 mm。孔型缺陷深度為0.2 mm，缺陷直徑分別為0.2，0.8，1.4，2.0，2.6 mm。
試驗采用GE公司生產的雙焦點ISOVOLT320 Titan E X型射線機，其最大管電壓為225 kV，焦點尺寸為0.4 mm/1 mm。平板探測器采用VAREX公司生產的PaxScan2530HE型非晶硅平板器，其閃爍體材料為碘化銫，探測器單元尺寸（邊長）為139 μm×139 μm。
3. 試驗結果及分析
在不同管電壓、管電流等工藝參數試驗下，分別獲取DR缺陷圖像，分析并計算圖像質量灰度、對比度、對比度信噪比和雙絲像質計下沉值等參數，并建立DR缺陷圖像質量參數和管電壓和管電流等工藝參數之間的映射關系。
3.1 幀平均數對圖像質量的影響
試驗在固定管電壓和管電流等其他參數情況下，分別測試了不同幀平均數下的DR缺陷圖像，結果如圖2所示。由圖2可知，隨著幀平均數增加，其缺陷圖像噪聲減少，越來越清晰。在幀平均數為1時，?1.4 mm的孔型缺陷很難分辨，而當幀平均數增加至32幀時，?1.4 mm的孔型缺陷清晰可辨。
圖 2 不同幀平均數時的DR缺陷圖像
為了進一步建立DR圖像質量隨幀平均數的變化規律，選取?2.6 mm的缺陷進行計算，分別計算缺陷處和無缺陷處圖像對比度和對比度噪聲比隨幀平均數的變化規律，其結果如圖3所示[圖中(a.u.)表示無量綱，下同]。
圖 3 幀平均數和DR圖像參數之間的關系曲線
由圖3可知，對比度在1到2幀時增加較快；在2幀以后，對比度處于波動狀態。對比度噪聲比隨著幀平均數的增加而逐漸升高，當幀數為0~16幀時，對比度噪聲比增加較快；當幀數為16~32幀時，對比度噪聲比增長緩慢；當幀數超過32幀以后，對比度噪聲比基本不發生變化。
上述分析可知，幀平均數越大，圖像質量越好，但是其檢測時間越長，效率降低。在工業DR中，需要兼顧圖像質量和檢測效率，保證幀平均數為16~20幀，即可以得到比較好的圖像質量和檢測效果。
3.2 管電流和管電壓對圖像質量的影響
管電壓和管電流是DR檢測中極為重要的調節參數，對檢測結果影響較大。為了探究管電流和管電壓對檢測結果的影響，試驗采用常規焦點成像，DR設備焦點尺寸為0.4 mm，采集幀率為9幀（曝光時間1/9 s），手動采集20幀（幀平均數），放大倍數為1.1倍。采用控制變量法，分別獲得在同一電壓不同電流下的DR圖像，并計算圖像質量參數指標。在不同電壓下，DR圖像灰度值隨電流的變化曲線如圖4所示，可知，灰度值隨著管電流升高逐漸升高，并且在不同電壓下，兩者之間都呈現良好的線性關系。
圖 4 不同電壓下，DR圖像灰度隨管電流的變化曲線
在不同電壓下，DR圖像標準差隨電流的變化曲線如圖5所示，可知，標準差隨著管電流升高逐漸升高，并且在不同電壓下，兩者之間都呈現非常好的線性關系；當灰度值超過5.5萬時，標準差會急劇上升。標準差越小代表圖像質量越好，故僅從標準差角度分析，管電壓越小，圖像質量越好。
圖 5 不同電壓下，DR圖像標準差隨管電流的變化曲線
在不同電壓下，DR圖像對比度隨管電流的變化曲線如圖6所示，從曲線橫向來看，管電流變化時對比度變化不明顯，表明對比度受電流影響較小；從縱向來看，在同一個電流值下，對比度隨電壓值升高而逐漸降低，表明對比度受管電壓的影響較大。故僅從對比度角度考慮，應當在保證穿透的情況下，選擇低電壓。當灰度值超過5.5萬以上，對比度會急劇降低，為了提高對比度，盡可能選擇低電壓，同時圖像灰度值不宜太高。
圖 6 不同電壓下，DR圖像對比度隨管電流的變化曲線
在不同電壓下，DR圖像信噪比隨管電流的變化曲線如圖7所示。從曲線橫向來看，信噪比隨著管電流升高略有升高，但是當電流超過一定閾值之后，信噪比變化不明顯；從縱向來看，在同一個電流值下，對比度隨電壓值升高而逐漸升高，這表明對比度主要受管電壓的影響。電壓和電流組合分別為90 kV/7.0 mA，130 kV/2.9 mA，170 kV/1.6 mA時，灰度超過5.5萬，對比度會急劇降低。故為了提高信噪比，應盡可能選擇高電壓，在滿足條件的情況下可以略微選擇高一些的電流值，但是不宜選擇灰度值超過5.5萬的電壓和電流組合。
圖 7 不同電壓下，DR圖像信噪比隨管電流的變化曲線
由上述分析可知，針對厚度為2 mm的薄板，在不超過規定灰度值范圍的情況下，電壓值選擇90 kV到110 kV較佳；在灰度不超過4.7萬的情況下，應該選擇略高一些的電流值。
3.3 管電流和管電壓對空間分辨率的影響
在DR工藝參數優化和選取過程中，空間分辨率也是重要的圖像質量衡量參數。為進一步研究管電壓和管電流對空間分辨率的影響，試驗采用小焦點成像，焦點尺寸為0.4 mm，工件厚度為2 mm，采集幀率為9幀（曝光時間1/9 s），手動采集20幀（幀平均數），放大倍數為1.1倍。保證其他透照參數不變的情況下，僅改變管電流與管電壓，相應的圖像灰度值也發生變化。在缺陷旁附上雙絲像質計，以獲得相應DR圖像，采用下沉值來評判空間分辨率大小。在管電壓為130 kV，管電流為1.7 mA時的DR缺陷圖像如圖8所示，雙絲像質計灰度變化曲線如圖9所示。
圖 8 管電壓為130 kV，管電流為1.7 mA時的DR缺陷圖像
圖 9 管電壓為130 kV，管電流為1.7 mA時的雙絲像質計灰度變化曲線
為進一步定量化描述空間分辨率隨管電壓和管電流的變化趨勢，分別計算1~8號絲在不同管電壓和管電流下的下沉值，繪制下沉值隨電壓和電流的變化曲線。不同電壓下，第七線對和第八線對下沉值隨電流的變化曲線如圖10所示。由圖10可知，在低中高電壓階段，雙絲像質計的下沉值隨電流變化保持穩定，表明下沉值和電流的相關性較小。從曲線縱向看，下沉值隨管電壓升高逐漸升高，電壓為50 kV~130 kV時，下沉值升高較快；當電壓超過130 kV時，下沉值變化較小。因此，在要求更高的分辨率情況下，可以忽略電流的影響，更多考慮調節電壓參數。
圖 10 在不同管電壓下，雙絲像質計下沉值隨電流的變化曲線
綜合空間分辨、對比度和信噪比來看，針對厚度為2 mm的鋁合金薄壁件檢測，電壓值應當選擇90 kV~110 kV，電流值選擇2 mA左右，圖像灰度值不宜過高。
4. 結論
（1）幀平均數為1~16幀時，圖像質量提升較明顯，當幀平均數超過16時，變化緩慢，考慮檢測質量和檢測效率，建議幀平均數取16~20。
（2）電壓恒定時，圖像灰度和標準差隨電流呈線性變化規律，圖像信噪比隨電壓升高而逐漸降低。
（3）電流對DR圖像對比度的影響較小，電壓越低，對比度越高。故在保證工件穿透的情況下，應選擇較低的電壓。從信噪比來看，電壓越高，信噪比越高。
（4）空間分辨率主要取決于電壓，管電壓越高，雙絲像質計下沉值越大。
（5）鋁合金材料厚度每增加2 mm，電壓提高大約10 kV，宜保證灰度值在3.5萬左右，調整電流值。如果是不同材料，可根據衰減系數適當調節電壓和電流值。
文章來源——材料與測試網
浙公網安備 33042402000106號
