双壁结构铸件内部缺陷X射线检测定位方法研究

王本志

（1. 北京百慕航材高科技股份有限公司特检中心，北京 100094；2. 中国航发北京航空材料研究院铸钛中心，北京 100095；3. 北京市先进钛合金精密成型工程技术研究中心，北京 100095）

受铸件结构、铸造水平等因素的限制，铸件内部存在缺陷的情况是难以避免的，这些缺陷如果无法准确检测出来，会在后续应用中存在很大隐患，造成铸件的可靠性、疲劳寿命大大降低。随着铸件结构越来越复杂，这个问题越来越突出。如何设计 X射线检测透照工艺，如何依据底片快速、精确地对铸件内部缺陷进行定位和清除，显得尤为重要。

在 X射线检测过程中，受铸件结构限制或为减少曝光次数以提高效率等原因，使得双壁（或多壁）透照技术的应用较为普遍。此时，底片上的影像是各层结构投影叠加的结果，若存在缺陷，底片不能准确、有效地反应缺陷的分布位置。因难以确定缺陷在铸件多层结构的位置，在缺陷修复时，易出现定位不准的情况，造成返工，同时对铸件无缺陷位置造成不必要的损伤[1—3]，对无缺陷部位进行打磨、焊接，造成合金力学性能下降，同时增加铸件表面粗糙度。

国内外不少学者对缺陷定位进行了大量研究，并已取得显著成果，建立了各种确定缺陷在厚度方向分布位置的方法，如超声检测法及体视法、视差法、黑度计法等[4—5,9—12]。工业 CT断层扫描技术是一种采用X射线断层成像原理进行高分辨三维成像的方法，具有成像分辨率高，能够直观显示材料及内部缺陷三维形态的特点，同时也可给出了缺陷埋藏深度信息，非常适合小铸件的高分辨率三维成像检测[6—8]，但工业CT系统设备投资大，检测耗时长，同时对于累积透照厚度大的大中型复杂结构铸件，需配备较大功率的射线机或加速器设备，在产业化制造过程中应用局限性大。

本项目旨在研究一种 X射线检测内部缺陷的有效定位方法，通过该方法，在 X射线检测过程中，采用双壁透照快速、准确、低成本地对缺陷进行定位，可以减少铸件打磨、修补过程中，因缺陷定位不准造成的不必要返工返修和铸件损伤，降低焊接产生缺陷及影响基体力学性能的风险，同时有助于实现缺陷精准定位，提高返修合格率，缩短生产周期。

1 原理

1.1 射线检测的基本原理

当射线束透照物体时，如果物体局部区域存在缺陷或结构存在差异，它将改变物体对射线的衰减，使得不同部位透射射线强度不同，在底片上形成黑度差，就可以判断物体内部的缺陷或物质分布。实际射线检测中，对于宽束射线，考虑宽束连续谱射线的衰减规律，针对实际铸件中的缺陷，缺陷部位的黑度差用下式表达：

式中：ΔD为缺陷位置缺陷与基体本身的黑度差；µ基体的线衰减系数；µ'缺陷的线衰减系数；G为底片的梯度；ΔT缺陷的厚度差；n与射线机相关的常数。

缺陷能否在底片上形成足够的黑度差，跟以上众多因素有关[13]，也是射线检测内部缺陷的基本原理。

1.2 射线成像特点

射线检测底片上的图像是铸件沿厚度方向所有信息投影叠加后的结果，铸件内部缺陷在厚度方向上的位置信息和缺陷在厚度方向的尺寸，在底片上没有得到有效、清晰地反映。如图1所示为铸件互成180°透照两次的示意图。示意图中某双壁结构铸件的 M侧有缺陷N，两次透照后得到的底片上，缺陷形成的影像分别为n和n′。设铸件厚度为T，缺陷 D距铸件某边界结构的距离为d。

图1 某双壁结构铸件透照及投影Fig.1 A diagram detection and projection of a double-wall casting

在图 1a中，测得影像n距边界结构(垂直方向)的距离为d1，则d=d1+d′，其中d′可以近似的表达为d′=T·tanθ。即d=d1+T·tanθ，其中，当对于某一确定缺陷，在本透照布置下，θ为常量。

在图1b中，测得影像n′距边界结构的距离为d2。此时，铸件旋转180°，缺陷N位于的M侧紧贴底片，d=d2。

即在双壁结构中，按图1方式进行透照时，当缺陷位于 M 面时，则有d2＞d1，反之亦成立，即若在底片上测得d2＞d1，则缺陷在铸件的 M 面，此时测量缺陷至口部边界(水平方向)的距离h，此时缺陷的位置可以用(d2,h)表示，这种通过测量d2和h进行缺陷定位的方法称为两点定位法。在铸件M面，距边界结构距离为d2，距口部边界距离为h的点具有唯一性，这样实现了缺陷的准确定位，为缺陷的打磨、补焊等后续修复奠定了基础。

2 试验验证

为验证上述结论，进行模拟实验，A面缺陷用铅字A模拟，B面缺陷用铅字B模拟，透照示意图及底片影像见图2，其中图2a中，缺陷A紧贴胶片，图2b中铸件翻转180°，缺陷B紧贴胶片。

对缺陷 A，图 2a中距垂直方向边界距离aA=20 mm，图2b中距垂直边界距离aB=13 mm，aA＞aB，缺陷A在双壁铸件的A侧。

对缺陷 B，图 2a中距垂直方向边界距离bA=30 mm，图2b中距垂直边界距离bB=35 mm，bA＜bB，缺陷B在双壁铸件的B侧。

判定结果与模拟缺陷A和B的位置一致，验证了本方法的正确性。

图2 模拟实验透照布置及透照结果Fig.2 Simulation detected method and inspection result

3 双壁结构铸件射线检测两点定位法具体实施步骤

判断双壁结构铸件缺陷在厚度方向的位置和尺寸，对缺陷的修补工艺制定和判定缺陷的危害性等方面是很有必要的，即可有效地减少修补工作量，又能很好地保证修补质量[5]。结合本研究中射线检测中缺陷定位的两点定位方法，结合某型号产品（具有典型双壁结构）的 X射线检测结果，说明两点定位法实施步骤，示意图见图3。

图3 双壁结构内部缺陷的两点定位Fig.3 Two-point locating method of double-wall structure

两点定位法详细步骤：

1) 对铸件的双壁部位互成 180°进行两次透照，获得图中①所示的两张底片1#和2#，发现缺陷在两张底片上均有显示。

2) 使用画规在1#底片上测量缺陷到图像边界(垂直方向)的距离d1。

3) 在底片2#中测量缺陷到图像特征边界(垂直方向)的距离d2，比较d1和d2的大小（缺陷在距离大的一侧，即若d1>d2，则缺陷在双壁结构中铸件紧贴底片1#的一侧，后续测量时使用1#底片，反之则缺陷在双壁结构中铸件紧贴2#底片的一侧，后续测量时应使用2#底片。下文中为便于描述，假设通过前述步骤，已确定缺陷在双壁结构中铸件紧贴 1#底片的一侧）。使用图像特征边界的目的在于减小射线检测中“边蚀效应”带来的误差。

4) 在1#底片上测量缺陷到铸件图像外边界(垂直方向)边沿的距离l1。测量l1时使用铸件图像外边界，目的在于该尺寸可以从底片转移到铸件上。

5) 保持画规处于锁紧状态，以画规l1的长度在双壁结构中铸件紧贴1#底片的一侧划线。

6) 在1#底片上测量缺陷到铸件口部边界(水平方向)的距离l2。

7) 保持画规处于锁紧状态，以画规l2的长度从口部边界划线。

8) 通过上述步骤得到两条线的交点，就是通过两点定位法得到的缺陷准确位置，对该位置实施打磨、补焊等后续工作即可。

4 结论

文中通过两次不同方向透照，采用简便测量的方法，建立了双壁结构铸件内部缺陷 X射线检测方法定位方法——两点定位法。该方法应用到双壁结构铸件内部缺陷定位、打磨及修复中，缺陷定位准确、效率高、可操作性强，缺陷定位准确率达到98%以上。

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