分享：航空鋁合金薄壁件缺陷數(shù)字射線成像檢測的工藝參數(shù)分析

航空鋁合金構(gòu)件由于質(zhì)量輕且具有良好的塑性和韌性，被廣泛應(yīng)用于飛機零部件制造和成型中[1]。航空鋁合金構(gòu)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(chǎn)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(gòu)件的強度等力學(xué)性能參數(shù)，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(gòu)件的焊接質(zhì)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(zhǔn)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(zhì)量和可靠性以及保障飛行安全具有重要意義[4-6]。DR技術(shù)相比于傳統(tǒng)膠片成像技術(shù)，具有對材料缺陷響應(yīng)快、易存儲且可視化的優(yōu)點，成為航空鋁合金構(gòu)件焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵手段[7-9]。數(shù)字射線檢測靈敏度和圖像質(zhì)量受到檢測設(shè)備工藝參數(shù)的影響，如管電壓、管電流等。尋找最佳的工藝參數(shù)組合，從而獲得最佳的圖像質(zhì)量，是現(xiàn)場檢測中亟待解決的重中之重。 

陳劍等[10]提出了可優(yōu)化DR檢測工藝參數(shù)的設(shè)置方法，保證了檢測的質(zhì)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(shù)與DR圖像灰度、對比度和信噪比的關(guān)系，并確定了這些參數(shù)對缺陷圖像質(zhì)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(jié)合射線強度與數(shù)字圖像之間的轉(zhuǎn)換方式，得出了二者的線性關(guān)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(chǔ)上，探索得到了最終圖像灰度和透照厚度之間的相關(guān)性模型。余夢倩等[14]以與航空發(fā)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(zhuǎn)試驗方法，建立了檢測圖像信噪比與管電壓、管電流等參數(shù)之間的相關(guān)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(fù)合材料內(nèi)部缺陷DR成像檢測結(jié)果的影響，得到了最優(yōu)的工藝參數(shù)。 

針對航空工業(yè)領(lǐng)域快速選擇DR檢測工藝參數(shù)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(shù)和管電流等工藝參數(shù)對DR檢測成像結(jié)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(shù)組合試驗，建立圖像的不同評價參數(shù)與幀平均數(shù)、管電壓、管電流之間的映射關(guān)系，尋找最佳管電壓及管電流值。 

1.   DR工藝參數(shù)對圖像質(zhì)量影響的分析

在數(shù)字射線檢測中，圖像質(zhì)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(shù)Z之間的關(guān)系為 

式中：Ki為比例常數(shù)。 

由式（1）可知，射線強度與電壓的平方和管電流呈正比關(guān)系。而DR圖像信噪比SNR與射線光子數(shù)N之間的關(guān)系為 

由式（2）可知，增加管電壓，探測器接收到的光子數(shù)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?qū)Ρ榷瓤杀硎緸?nbsp;

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(tǒng)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(jié)果的影響研究較多，而管電流對DR檢測結(jié)果的影響研究相對較少。 

2.   機加標(biāo)準(zhǔn)試件制備和試驗裝置

標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 119—2011《鋁及鋁合金熔焊工藝及質(zhì)量檢驗》中關(guān)于氣孔和夾雜的尺寸要求為：當(dāng)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(gòu)件進行實際檢測，因此制作相應(yīng)的鋁合金機加工標(biāo)準(zhǔn)試件作為試驗對象，標(biāo)準(zhǔn)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。 

圖  1  標(biāo)準(zhǔn)缺陷試件尺寸示意

試驗采用GE公司生產(chǎn)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(chǎn)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(jié)果及分析

在不同管電壓、管電流等工藝參數(shù)試驗下，分別獲取DR缺陷圖像，分析并計算圖像質(zhì)量灰度、對比度、對比度信噪比和雙絲像質(zhì)計下沉值等參數(shù)，并建立DR缺陷圖像質(zhì)量參數(shù)和管電壓和管電流等工藝參數(shù)之間的映射關(guān)系。 

3.1   幀平均數(shù)對圖像質(zhì)量的影響

試驗在固定管電壓和管電流等其他參數(shù)情況下，分別測試了不同幀平均數(shù)下的DR缺陷圖像，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著幀平均數(shù)增加，其缺陷圖像噪聲減少，越來越清晰。在幀平均數(shù)為1時，?1.4 mm的孔型缺陷很難分辨，而當(dāng)幀平均數(shù)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(shù)時的DR缺陷圖像

為了進一步建立DR圖像質(zhì)量隨幀平均數(shù)的變化規(guī)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(shù)的變化規(guī)律，其結(jié)果如圖3所示[圖中(a.u.)表示無量綱，下同]。 

圖  3  幀平均數(shù)和DR圖像參數(shù)之間的關(guān)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(tài)。對比度噪聲比隨著幀平均數(shù)的增加而逐漸升高，當(dāng)幀數(shù)為0~16幀時，對比度噪聲比增加較快；當(dāng)幀數(shù)為16~32幀時，對比度噪聲比增長緩慢；當(dāng)幀數(shù)超過32幀以后，對比度噪聲比基本不發(fā)生變化。 

上述分析可知，幀平均數(shù)越大，圖像質(zhì)量越好，但是其檢測時間越長，效率降低。在工業(yè)DR中，需要兼顧圖像質(zhì)量和檢測效率，保證幀平均數(shù)為16~20幀，即可以得到比較好的圖像質(zhì)量和檢測效果。 

3.2   管電流和管電壓對圖像質(zhì)量的影響

管電壓和管電流是DR檢測中極為重要的調(diào)節(jié)參數(shù)，對檢測結(jié)果影響較大。為了探究管電流和管電壓對檢測結(jié)果的影響，試驗采用常規(guī)焦點成像，DR設(shè)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(shù)），放大倍數(shù)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(zhì)量參數(shù)指標(biāo)。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(xiàn)良好的線性關(guān)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(biāo)準(zhǔn)差隨電流的變化曲線如圖5所示，可知，標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)非常好的線性關(guān)系；當(dāng)灰度值超過5.5萬時，標(biāo)準(zhǔn)差會急劇上升。標(biāo)準(zhǔn)差越小代表圖像質(zhì)量越好，故僅從標(biāo)準(zhǔn)差角度分析，管電壓越小，圖像質(zhì)量越好。 

圖  5  不同電壓下，DR圖像標(biāo)準(zhǔn)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??；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(yīng)當(dāng)在保證穿透的情況下，選擇低電壓。當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(guī)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(yīng)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(shù)優(yōu)化和選取過程中，空間分辨率也是重要的圖像質(zhì)量衡量參數(shù)。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(shù)），放大倍數(shù)為1.1倍。保證其他透照參數(shù)不變的情況下，僅改變管電流與管電壓，相應(yīng)的圖像灰度值也發(fā)生變化。在缺陷旁附上雙絲像質(zhì)計，以獲得相應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(zhì)計的下沉值隨電流變化保持穩(wěn)定，表明下沉值和電流的相關(guān)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(dāng)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(diào)節(jié)電壓參數(shù)。 

圖  10  在不同管電壓下，雙絲像質(zhì)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(yīng)當(dāng)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(jié)論

（1）幀平均數(shù)為1~16幀時，圖像質(zhì)量提升較明顯，當(dāng)幀平均數(shù)超過16時，變化緩慢，考慮檢測質(zhì)量和檢測效率，建議幀平均數(shù)取16~20。 

（2）電壓恒定時，圖像灰度和標(biāo)準(zhǔn)差隨電流呈線性變化規(guī)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(yīng)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(zhì)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(diào)整電流值。如果是不同材料，可根據(jù)衰減系數(shù)適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和電流值。

文章來源——材料與測試網(wǎng)