X射线数字成像技术在铸铁类汽车制动卡钳检测中的应用

2017-11-04杜向阳

中国设备工程 2017年20期

关键词：卡钳线型X射线

杜向阳

（上海材料研究所，上海 200437）

X射线数字成像技术在铸铁类汽车制动卡钳检测中的应用

杜向阳

（上海材料研究所，上海 200437）

采用X射线数字成像技术，对铸铁类汽车制动卡钳进行检测，通过试验论证了该技术在检测铸铁类汽车制动卡钳中切实可行，同时表明了X射线数字成像技术相对于常规胶片检测的功能优势和效率优势。

制动卡钳；球墨铸铁；X射线数字成像

汽车制动卡钳主要用于汽车的减速和刹车，大多由耐磨性好，强度高的球墨铸铁制成。制动卡钳属于汽车零部件中的重要安全件，必须进行X射线质量检测，据统计，一半以上的汽车硬件故障来源于制动系统。

目前，针对制动卡钳的质量检测，传统的方法是采用X射线胶片检测技术。该技术检测效率较低，每件制动卡钳的检测时间约为90分钟。同时，对于已经成像的底片，后续的优化分析方案较少，不利于进一步的图像分析。此外，胶片及药水在检测过程中会带来不可避免的化学污染。

近年来，X射线数字成像(Digital Radiography,DR)技术发展迅速。相比于X射线胶片技术，DR检测技术检测效率较高，同时，DR检测技术的影像可以通过计算机显示，不需要建造暗室和购买洗片耗材，节省检测成本。影像分析过程中可以在不破坏原始数据的前提下，使用锐化、对比度调节等优化功能。DR检测技术在形状简单的板材、管材中都有应用。文中，笔者以形状较为复杂的——制动卡钳作为试验对象，研究X射线数字成像技术在铸铁类汽车制动卡钳检测中的应用。

1 DR检测原理及检测系统

1.1 工作原理

在X射线数字成像技术中，射线穿过被检工件以后，由数字探测器接收。工业较为通用的数字探测器一般由保护层、光学反射板、闪烁体、非晶硅阵列以及电荷传输模块组成。X射线与闪烁体相互作用，产生可见光；可见光照射非晶硅阵列，光电转化产生电荷，由此完成了射线从光子到数字的转变，计算机读出电荷，形成数字图像，如图1所示。检测人员可以根据实际需求对得到的结果进行后期优化。在医疗领域中，还有一种非晶硒结构的数字探测器，由于没有可见光产生这一环节，属于真正的直接成像，不过，这种探测器价格昂贵，在工业中应用极少。

图1 X射线数字成像技术原理

1.2 系统组成

X射线数字成像检测系统由X射线机、数字探测器、计算机处理软件及相关传输装置组成。如图2所示。此外，有些系统也会集成一些自动或半自动装置。试验中，使用的X射线机额定功率1500W、额定电压300kV、焦点尺寸2．0mm，面阵列数字探测器有效成像尺寸400×400mm、像素尺寸200μm，A/D转换位数14位、动态范围10000：1、无线传输，计算机采集和处理软件为Rhythm RT和Rhythm Review。

图2 X射线数字成像检测系统

2 试验对象

制动卡钳的浇铸尺寸为150mm×130mm×90mm，透照厚度在10～25mm之间。材质为球墨铸铁QT550，在钢模铸造过程中易产生的典型缺陷为缩松、缩孔以及气孔等。如图3所示，根据抗拉强度、伸长率、载荷、应力集中等设计要求，制动卡钳的不同区域所能允许的铸造缺欠尺寸有一定的差异。制动卡钳共分为3个区域，分别为液压区、关键区和非关键区。评定时，以500mm2为评定区域，液压区不允许存在缺欠，关键区不允许存在超过5mm2的缺欠，非关键区不允许存在超过15mm2的缺欠。由于检测设备的灵敏度都具有限性，故液压区要求不允许存在缺欠，在实际中可理解为评定图像时没有目视可发现的缺欠。

图3 铸铁类制动卡钳

3 试验工艺及分析

在进行射线检测之前，先进行目视检测，以便去除试样表面的可视缺陷，如毛刺等。制动卡钳的检测工艺参数应使最终的X射线数字图像有效可用。评价图像质量最主要的参数有两个：图像分辨率和图像灵敏度，图像分辨率表征了检测系统所能分辨的被检工件图像中单位长度上两个相邻细节间最小距离的能力，图像灵敏度则表征了检测系统所能发现的被检工件图像中最小的细节能力。这两个参数通过可识别的双线型像质计丝号和线型像质计丝号来体现。所涉及的主要工艺要素包括：管电压、曝光量、放大倍数、灰度值、归一化信噪比、软件处理方式等。综合射线机和探测器的仪器参数，本次试验的放大倍数为1，即透照时，制动卡钳应紧贴探测器。在测试与试验前，应对数字射线系统进行校正，以优化图像质量。

3.1 图像分辨率

鉴于制动卡钳的形状复杂，不易放置双线型像质计，因此根据制动卡钳的厚度范围，选取10mm和25mm的对比试件来进行图像分辨率测试，双线型像质计的可识别的丝号应不低于D7，对应的丝径为0．2mm。将对比试件平放在阵列探测器的中心位置，双线型像质计紧贴对比试件，使其宽度方向上与阵列探测器成2～5°的夹角，调节透照参数，10mm和25mm的线对调制度计算结果如图4所示，最小可识别线对为D7。

图4 线对调制度计算结果

3.2 图像灵敏度

试验时，将线型像质计直接放于制动卡钳透照区域表面，形成图像后，对像质计进行识别。根据制动卡钳的厚度范围，为保证合适的图像灵敏度，依照常规胶片的灵敏度要求，透照厚度在10～15mm时，线型像质计的可识别的丝径不大于0．25mm；透照厚度在15～25mm时，线型像质计的可识别的丝径不大于0．32mm。

3.3 试验分析

制动卡钳的形状复杂，厚度差大。一次透照不能覆盖所有的检测区域，故采用多次、分区域透照。选择合适的参数，以确保成像效果。如表1所示，液压区透照3次，关键区透照3次，非关键区透照2次，共计8次。

经过DR系统的数字接收和处理，得到图5～12所示的结果。

图5～7为液压区的透照结果，根据图5所显示的线型像质计图像，可以识别出0．25mm的丝径，图6～7所显示的线型像质计图像，可以识别出0．32mm的丝径，符合图像灵敏度的要求。调节锐度和对比度，未发现缺欠。

表1 透照工艺

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图8 ～10为关键区的透照结果，根据所显示的线型像质计图像，可以识别出0．32mm的丝径，符合图像灵敏度的要求。调节锐度和对比度，未发现缺欠。

图11～12为非关键区的透照结果，根据所显示的线型像质计图像，可以识别出0．32mm的丝径，符合图像灵敏度的要求。调节锐度和对比度，图11未发现缺欠。图12的桥部透照区域发现缩松，分析其产生的原因：球墨铸铁散热慢，糊状凝固方式（收缩容积是恒定的）使铸件易产生更强的外壁膨胀趋势，故而形成内部缩松。优化区域灰度，对图像进行局部分析，如图13所示，缩松最大长度为7mm，与其正交的最大宽度为5mm，面积为35mm2。根据评定标准，超过15mm2，该缩松为超标缺陷，予以判废。图像采集过程中，为增加铸件图像的信噪比，在采集图像过程中，通过10～15幅的图像叠加来降低电子噪声，优化图像质量。探测器的残影会干扰后续的透照试验，为避免这一影响，在第二次透照时，须舍弃首幅图像。

关于散乱射线的辐射，如图14所示。透照前，可在制动卡钳的对应区域周围，添加高密度填充材料，如铅板、铅丸以及铅泥等。有些DR系统配备有软件的过滤和修正功能，为了达到更好的效果，也会添加轮廓识别与补偿功能。

DR技术检测制动卡钳所需的时间可以控制在40分钟以内，效率提高1倍以上。DR检测的透照电压和电流与常规胶片差别不大，但是在曝光时间（采集时间）上，得益于DR探测器中闪烁体和非晶硅阵列的高敏感性和高速转换特性，采集时间可在几十秒内全部完成，并形成图像。同时，省去了常规胶片检测繁琐的洗片流程，极大地提高了检测效率。