分享：運(yùn)載火箭筒體縱縫DR檢測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

我國近年來連續(xù)完成了以載人航天、空間站建設(shè)、新一代運(yùn)載火箭、探月探火、衛(wèi)星導(dǎo)航為代表的一系列重大工程任務(wù)。運(yùn)載火箭作為最重要的航天運(yùn)輸工具,由箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送系統(tǒng)及飛行控制系統(tǒng)組成,其中箭體結(jié)構(gòu)主要包括氧化劑和燃料劑貯箱等部件,增壓輸送系統(tǒng)主要包括導(dǎo)管和氣瓶等部件[1-2]。 

貯箱及導(dǎo)管產(chǎn)品中包括大量筒形焊接成形件,例如筒段、主導(dǎo)管、波紋管等,其利用單張或多張板材輥彎后通過熔焊或攪拌摩擦焊工藝拼焊成形,主要焊縫結(jié)構(gòu)形式為縱縫。受環(huán)境條件和焊接工藝等因素的影響,在焊接過程中,焊縫內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種類型的缺陷,如熔焊中易出現(xiàn)氣孔、夾雜、未熔合、未焊透、裂紋等缺陷,攪拌摩擦焊中易出現(xiàn)孔洞、未焊透、隧道孔、弱結(jié)合、夾雜等缺陷,且具有緊貼細(xì)微、取向復(fù)雜等特點(diǎn)[3]。為確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足嚴(yán)苛的工作環(huán)境要求,須對所有拼焊后的Ⅰ級、Ⅱ級焊縫進(jìn)行100%X射線檢測,目前筒體類縱縫仍大量采用人工膠片射線照相技術(shù),存在工序繁瑣、效率低、環(huán)保性差、底片儲(chǔ)存查難等系列問題。 

隨著高性能輻射探測器進(jìn)入高速迭代發(fā)展的新時(shí)期,部分特殊結(jié)構(gòu)（長條形、曲面）輻射探測器在工業(yè)無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用正逐步拓展,為小直徑筒形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的射線數(shù)字成像單壁透照提供了有效解決方案。NASA（美國航空航天局）、ESA（歐洲航天局）等組織已經(jīng)把自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度更高的射線數(shù)字成像（DR）檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于貯箱、異形導(dǎo)管焊縫的高效檢測,研制了一系列定制化的檢測裝備,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系完備健全,具有成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[4-7]。國內(nèi)目前DR檢測技術(shù)處于高速發(fā)展階段,先后頒布了導(dǎo)則類標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35389—2017《無損檢測 X射線數(shù)字成像檢測 導(dǎo)則》、設(shè)備器材類標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35394—2017《無損檢測 X射線數(shù)字成像檢測 系統(tǒng)特性》、通用檢測方法類標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35388—2017《無損檢測 X射線數(shù)字成像檢測 檢測方法》及焊縫檢測方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3323.3—2019《焊縫無損檢測 射線檢測 第2部分：使用數(shù)字化探測器的X和伽瑪射線技術(shù)》,初步構(gòu)建了DR檢測標(biāo)準(zhǔn)體系,同時(shí)部分企業(yè)單位開展了大量相關(guān)檢測技術(shù)及裝備的研究工作,但在射線數(shù)字成像檢測裝備普適性、功能性、自動(dòng)化程度等方面的研究有待深入,核心部件射線源、探測器的穩(wěn)定性和可靠性與國際先進(jìn)水平相比仍存在一定差距[8-12]。 

文章以運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)筒段、動(dòng)力系統(tǒng)主導(dǎo)管、波紋管等板材輥彎拼焊筒形焊接結(jié)構(gòu)為對象,提出了自動(dòng)化檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,確定了系統(tǒng)相關(guān)部件的參數(shù)選型,設(shè)計(jì)研制了一套適用于多品種、多規(guī)格筒形焊接件的DR檢測系統(tǒng),并利用DR檢測系統(tǒng)開展了產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)功能及性能滿足實(shí)際使用需求,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭薄壁筒體類焊縫的快速高效自動(dòng)化檢測。 

1.   系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薄壁筒體焊縫射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)由射線成像系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng),以及相關(guān)附件組成。 

1.1   透照技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)透照布置最優(yōu)化原則,單壁透照理論上具有最高的檢測靈敏度,射線束與工件垂直透照有利于絕大部分缺陷的檢出。由于部分工件最小直徑較小,采用射線源在內(nèi)透照時(shí),源與產(chǎn)品內(nèi)表面的距離很小,在一定的放大倍數(shù)下焦距也較小,導(dǎo)致圖像的幾何不清晰度較大,因此此系統(tǒng)擬采用射線源在外,探測器在內(nèi)的單壁透照方式,其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。 

圖  1  透照布置結(jié)構(gòu)示意

1.2   射線成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

射線成像系統(tǒng)由X射線源、平板探測器組成。探測器負(fù)責(zé)接收X射線并最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像,X射線源、平板探測器的性能水平直接決定了系統(tǒng)的缺陷檢測能力。為了滿足薄壁筒體縱縫的檢測圖像質(zhì)量要求,依據(jù)GB/T 3323.2—2019中A級技術(shù)等級的規(guī)定開展射線成像系統(tǒng)設(shè)計(jì),圖像應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。 

平板探測器的性能決定了系統(tǒng)可分辨最小細(xì)節(jié)的能力[8],其技術(shù)指標(biāo)包括像素尺寸、量化位數(shù)、幀速等。平板探測器應(yīng)至少達(dá)到以下要求。 

（1） 像素尺寸的選擇。圖像空間分辨率最高應(yīng)可識別雙絲D10號線對（即100 μm）,因此探測器的像素尺寸應(yīng)不大于100 μm。 

（2） 外形尺寸的選擇。系統(tǒng)采用射線源在外、探測器在內(nèi)的單壁透照方式,工件最小直徑為230 mm,為滿足探測器進(jìn)入小直徑筒體的要求,探測器外形尺寸應(yīng)不大于180 mm,同時(shí)長度方向尺寸宜盡量較大,以提高一次成像范圍和檢測效率。 

X射線源的性能決定了系統(tǒng)可識別最小厚度差的能力,其技術(shù)指標(biāo)包括管電壓、管電流、焦點(diǎn)尺寸等。X射線源應(yīng)至少達(dá)到以下要求。 

（1） 焦點(diǎn)尺寸的選擇。當(dāng)射線源的焦點(diǎn)尺寸較小時(shí),可通過一定的放大倍數(shù)獲得更高空間分辨率的圖像,以提高圖像中缺陷的細(xì)節(jié)顯示能力,因此其焦點(diǎn)尺寸應(yīng)不大于0.2 mm。 

（2） 管電壓的選擇。檢測系統(tǒng)使用的材料與厚度范圍決定了X射線源的能量,因此X射線源的最高管電壓應(yīng)不低于160 kV。 

（3） 管電流的選擇。曝光量是保證檢測圖像信噪比的基本要素,受管電流和積分時(shí)間的共同影響,X射線源的最高管電流應(yīng)不低于2 mA。 

1.3   機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由七自由度懸臂檢測組件、電動(dòng)平車、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成。檢測縱縫時(shí),機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)始終與射線源和探測器同步升降,且射線源出束方向與探測器平面垂直。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)至少具有焦距調(diào)節(jié)、工件旋轉(zhuǎn)、同步升降等功能,包括Rz、C軸、x1、x2、z1、z2、z3、z4,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,各運(yùn)動(dòng)軸的功能及技術(shù)指標(biāo)如下。 

圖  2  機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軸示意

（1） x1、x2軸：懸臂沿橫梁方向橫向運(yùn)動(dòng),可調(diào)節(jié)射線源與工件、探測器與工件的水平距離,有效行程不低于2 000 mm。 

（2） Rz軸：懸臂沿工件垂直方向旋轉(zhuǎn),可調(diào)節(jié)射線源、探測器與焊縫的徑向相對位置。 

（3） C軸：工作平臺(tái)沿工件垂直方向旋轉(zhuǎn),可實(shí)現(xiàn)多條縱縫、多個(gè)產(chǎn)品的切換,滿足8個(gè)導(dǎo)管類工件的自動(dòng)化檢測。 

（4） z1、z2軸：射線源懸臂一、二級升降,可調(diào)節(jié)射線源垂直方向的高度,總行程大于2 100 mm。 

（5） z3、z4軸：探測器懸臂一、二級升降,可調(diào)節(jié)探測器垂直方向的高度,總行程大于2 100 mm。 

（6） 機(jī)械運(yùn)動(dòng)軸重復(fù)定位精度優(yōu)于±0.1 mm,旋轉(zhuǎn)軸重復(fù)定位精度優(yōu)于±0.05°。 

1.4   電氣控制設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、射線成像系統(tǒng)、圖像采集處理軟件的工作,以實(shí)現(xiàn)射線數(shù)字成像檢測工藝,并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與信息傳輸,電氣控制系統(tǒng)框圖如圖3所示,電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能。 

圖  3  電氣控制系統(tǒng)框圖

（1） 可采集各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息,包括實(shí)時(shí)位置、安全狀態(tài)、限位等。 

（2） 可通過手輪、控制軟件驅(qū)動(dòng)射線源、探測器按照軌跡執(zhí)行運(yùn)動(dòng)指令,并進(jìn)行編程示教,保存工件的自動(dòng)化檢測程序。 

（3） 可實(shí)現(xiàn)與圖像采集及處理軟件的通信,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與圖像采集軟件的協(xié)同控制,完成工件的自動(dòng)化檢測流程。 

1.5   圖像采集及處理軟件設(shè)計(jì)

圖像采集及處理軟件需滿足射線成像檢測過程的圖像采集、顯示、存儲(chǔ)、處理、測量、分析等基本功能,其軟件界面如圖4所示。其他功能需求如下。 

圖  4  圖像采集及處理軟件界面

（1） 工藝示教功能：可采集各運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)時(shí)位置,并進(jìn)行編程示教,最終輸出為G代碼程序。 

（2） 圖像校正功能：支持暗場、增益、壞像素圖像校正。 

（3） 圖像計(jì)量功能：支持歸一化信噪比、空間分辨率、對比度噪聲比等圖像質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的計(jì)量。 

（4） 自動(dòng)命名：支持多級文件夾、圖像的自動(dòng)命名及水印生成。 

2.   檢測工件與系統(tǒng)

2.1   檢測工件

檢測工件為某運(yùn)載火箭型號筒段、主導(dǎo)管、波紋管,其實(shí)物如圖5所示,被檢對象尺寸規(guī)格如表2所示。 

圖  5  檢測工件實(shí)物

2.2   檢測系統(tǒng)

檢測設(shè)備為上海航天精密機(jī)械研究所自主研制的型號為WDR-225的射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng),其實(shí)物如圖6所示,系統(tǒng)的核心部件技術(shù)指標(biāo)如下。 

圖  6  薄壁筒體焊縫射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)實(shí)物

（1） X射線源：管電壓為225 kV,管電流為2 mA,焦點(diǎn)尺寸分別為50,130,200 μm,輻射角度為40°×40°。 

（2） 平板探測器：有效成像區(qū)域?yàn)椋ㄩL×寬）97 mm×233 mm,A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)為16 bit,像素尺寸為76 μm,像素矩陣為1 280×3 072。 

（3） 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：x軸有效行程為2 100 mm,可實(shí)現(xiàn)最大焦距為1 500 mm,z軸有效行程為2 200 mm,最多支持8個(gè)工件的安裝放置,滿足直徑為230~3 800 mm工件的自動(dòng)化檢測要求。 

3.   試驗(yàn)與分析

3.1   成像檢測系統(tǒng)基本性能試驗(yàn)

成像檢測系統(tǒng)基本性能參數(shù)包括空間分辨率和歸一化信噪比,決定于平板探測器系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)與特性,同時(shí)受射線束譜及劑量影響。本節(jié)對成像檢測系統(tǒng)的基本空間分辨率、歸一化信噪比進(jìn)行測試,焦距為1 000 mm,采集幀數(shù)為32幀,積分時(shí)間為300 ms,曝光參數(shù)如表3所示,系統(tǒng)基本性能測試結(jié)果結(jié)果如圖7所示。 

圖  7  系統(tǒng)基本性能測試結(jié)果分析

通過自研軟件在圖像的中間區(qū)域獲取線寬度為21個(gè)像素的調(diào)制度傳遞函數(shù)曲線,依據(jù)式（1）計(jì)算得到系統(tǒng)的基本空間分辨率為95.5 μm（縱/橫向空間分辨率平均值）。 

式中：SRb為系統(tǒng)基本空間分辨率；D1為第一個(gè)深度大于20%線對的線徑；D2為第二個(gè)深度小于20%線對的線徑；R1為第一個(gè)深度大于20%線對的深度；R2為第二個(gè)深度小于20%線對的深度。 

通過選擇5個(gè)50×50像素區(qū)域（四角及中心區(qū)域）,根據(jù)式（2）、（3）分別計(jì)算成像檢測系統(tǒng)圖像的信噪比和歸一化信噪比,得到系統(tǒng)的歸一化信噪比為703。 

式中：SNR為信噪比；GV為區(qū)域平均灰度（下角數(shù)字表示各區(qū)域）；σ為區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差；SNRN為歸一化信噪比。 

3.2   典型產(chǎn)品應(yīng)用

3.2.1   自動(dòng)化檢測程序設(shè)計(jì)

通過G代碼指令控制各系統(tǒng)的邏輯時(shí)序,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各組件功能的調(diào)用,以完成整個(gè)檢測過程,設(shè)計(jì)的檢測流程機(jī)械運(yùn)動(dòng)邏輯如圖8所示。 

圖  8  檢測流程的機(jī)械運(yùn)動(dòng)邏輯

伺服控制系統(tǒng)是檢測系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)行的核心部件,根據(jù)不同筒體的檢測工藝,設(shè)計(jì)了自動(dòng)化檢測控制程序。典型產(chǎn)品的自動(dòng)運(yùn)行界面如圖9所示。 

圖  9  產(chǎn)品的自動(dòng)運(yùn)行界面示例

圖像采集及處理軟件通過ADS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與伺服控制系統(tǒng)的信號交互,在自動(dòng)保存模塊設(shè)置文件的保存路徑、命名規(guī)則,使圖像在自動(dòng)采集模式下按照設(shè)定好的規(guī)則有序存儲(chǔ)。自動(dòng)保存模塊界面如圖10所示。 

圖  10  自動(dòng)保存模塊界面

3.2.2   試驗(yàn)參數(shù)

采用該系統(tǒng)對筒段、主導(dǎo)管等產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)用測試,綜合考慮檢測效率及圖像質(zhì)量后,進(jìn)行透照參數(shù)的設(shè)置,具體如下：焦距為1 000 mm,一次透照長度為150 mm,幾何放大倍數(shù)為1.25倍。通過優(yōu)化的檢測工藝對檢測圖像的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了分析,典型工件的曝光參數(shù)如表4所示。 

3.2.3   筒段測試結(jié)果

某型號筒段高度為1 400 mm,焊縫數(shù)量為4條,采用自研系統(tǒng)對焊縫進(jìn)行自動(dòng)化檢測,結(jié)果如圖11所示。采集的圖像總數(shù)量為40張,綜合檢測效率較膠片法提升6倍。成像結(jié)果表明,在一定的放大倍數(shù)下,DR圖像噪聲控制明顯優(yōu)于膠片法的,由于DR圖像可根據(jù)灰度分布調(diào)節(jié)部分感興趣區(qū)域至合適的窗寬窗位,獲得更好的缺陷顯示對比度,因此顯示的隧道孔缺陷輪廓及形貌特征更加清晰。 

圖  11  筒段檢測結(jié)果

筒段檢測圖像的對比結(jié)果如表5所示,可知系統(tǒng)檢測6 mm筒段產(chǎn)品的檢測圖像對比靈敏度為W16,相對膠片照相法的提升一個(gè)線對,圖像的對比靈敏度、空間分辨率和歸一化信噪比均優(yōu)于A級技術(shù)條件。 

3.2.4   導(dǎo)管焊縫測試結(jié)果

某型號導(dǎo)管高度為1 000 mm,焊縫數(shù)量為1條,采用自研系統(tǒng)對其進(jìn)行自動(dòng)化檢測,結(jié)果如圖12所示。采集的圖像總數(shù)量為7張,綜合檢測效率較膠片法效率提升5倍。根據(jù)成像結(jié)果得到線形缺陷的延伸方向一致,DR結(jié)果的信噪比明顯優(yōu)于膠片的,對裂紋、未熔合等缺陷的細(xì)小特征顯示更加清晰,缺陷邊界輪廓對比度更優(yōu)。同時(shí),DR圖像具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍,適用于黑/灰度差異較大的感興趣區(qū)域。 

圖  12  導(dǎo)管檢測結(jié)果

導(dǎo)管檢測圖像的對比結(jié)果如表6所示,可知系統(tǒng)檢測導(dǎo)管產(chǎn)品的檢測圖像對比靈敏度為W17,相對膠片照相法結(jié)果提升一個(gè)線對,檢測圖像的對比靈敏度、空間分辨率和歸一化信噪比均優(yōu)于A級技術(shù)條件。 

4.   結(jié)論

文章以運(yùn)載火箭薄壁筒體焊縫為應(yīng)用對象,通過自主研制DR檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)筒段、主導(dǎo)管、波紋管等焊縫的數(shù)字化、自動(dòng)化檢測,主要結(jié)論如下。 

（1） 根據(jù)檢測工件、檢測標(biāo)準(zhǔn)等要求開展透照技術(shù)、成像檢測系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制、采集軟件的設(shè)計(jì),確定了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及技術(shù)指標(biāo)。 

（2） 設(shè)計(jì)研制了薄壁筒體焊縫DR檢測系統(tǒng),經(jīng)性能驗(yàn)證,該系統(tǒng)滿足應(yīng)用對象的檢測技術(shù)要求,能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測,檢測效率可提升5倍以上。 

（3） 對典型產(chǎn)品進(jìn)行了應(yīng)用測試,圖像質(zhì)量均滿足A級技術(shù)條件要求,對比靈敏度優(yōu)于膠片照相法的,缺陷形貌特征與膠片法的基本一致,具備工程化應(yīng)用條件。

文章來源——材料與測試網(wǎng)