劉仕遠(yuǎn)，圣兆興，顧彬，胡珈源，陸春宇，王沖，陳天亮

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

高鐵作為國家名片，經(jīng)過10多年的不懈努力，通過引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新，從中國制造到中國創(chuàng)造，已成為國家“一帶一路”倡議的重要組成部分。目前，我國已擁有世界最快的高鐵列車制造技術(shù)和世界上最長的高鐵運行里程[1-3]。為了提高列車運行速度，高鐵列車生產(chǎn)制造企業(yè)開展了大量輕量化設(shè)計及制造工藝研究?？紤]到鋁的密度小，比強(qiáng)度高，在表面能夠形成致密的氧化膜，具有較好的抗腐蝕性，易于回收，且鋁資源豐富，儲量僅次于鐵，因此高鐵齒輪箱全部采用鋁合金材料進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。

1 無損檢測方法

在高鐵鋁合金齒輪箱（見圖1）的實際生產(chǎn)中，會產(chǎn)生氣孔、縮孔、疏松、夾雜等鑄造缺陷[4-5]，這些缺陷的存在將影響齒輪箱產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而影響其使用性能。

考慮到鋁合金材料特點及高鐵鋁合金齒輪箱結(jié)構(gòu)特征，表面缺陷常采用目視及滲透檢測方法（見圖2），內(nèi)部缺陷主要采用射線照相方法進(jìn)行檢測。

圖1 高鐵鋁合金齒輪箱

圖2 高鐵鋁合金齒輪箱主要缺陷

高鐵鋁合金齒輪箱要求采用射線照相檢測方法進(jìn)行全檢，由于齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜且尺寸較大，每件需進(jìn)行幾十次射線照相檢測，通常只能對一些需要進(jìn)行機(jī)械加工的部位進(jìn)行局部檢測，檢測時間為4 h（使用1臺設(shè)備，拍攝20張底片），檢測效率低、勞動強(qiáng)度大。

2 數(shù)字射線成像檢測試驗

高鐵鋁合金齒輪箱數(shù)字射線成像檢測的要求為：需從相互垂直的2個方向進(jìn)行DR檢測，對于個別存在缺陷的部位進(jìn)行CT檢測。以中國標(biāo)準(zhǔn)動車組分體式齒輪箱體為例，采用9MeV臥式加速器、6MeV立式加速器及450 kV立式數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)對高鐵鋁合金齒輪箱分別進(jìn)行數(shù)字成像檢測試驗，齒輪箱射線穿透厚度為20～70 mm。

2.1 9MeV臥式加速器檢測試驗

9MeV臥式加速器數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)采用線陣探測器，有效檢測寬度為800 mm。

檢測過程為：將高鐵鋁合金齒輪箱人工平放在加速器檢測系統(tǒng)移動平臺上，一次可放置4件，擺放完畢后進(jìn)行DR檢測；然后需人工將齒輪箱翻轉(zhuǎn)至立放位置，再進(jìn)行一次DR檢測（見圖3）。完成檢測所用時間為15 min。

若需對高鐵鋁合金齒輪箱缺陷部位進(jìn)行CT檢測，從而觀察缺陷處截面情況，則需更換檢測工裝，將齒輪箱夾持旋轉(zhuǎn)才能進(jìn)行檢測。完成一次CT檢測所用時間為20 min（不包括更換工裝時間，更換工裝需4 h）。

2.2 6MeV立式加速器檢測試驗

6MeV立式加速器數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)采用線陣探測器，有效檢測寬度為600 mm。

檢測過程為：將高鐵鋁合金齒輪箱體立放在旋轉(zhuǎn)臺上，使用固定工裝或固定塊對箱體進(jìn)行支撐，線陣探測器進(jìn)行上下掃查，一次DR檢測完畢后，通過系統(tǒng)控制臺將工件轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動90°，再對齒輪箱進(jìn)行DR檢測（見圖4）。完成檢測所用時間為10 min。

若需對齒輪箱缺陷部位進(jìn)行CT檢測，從而觀察缺陷處截面情況，只需支撐工裝能確保齒輪箱轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，直接在系統(tǒng)控制臺進(jìn)行操作即可。完成一次CT檢測所用時間為5 min。

2.3 450kV數(shù)字射線成像系統(tǒng)檢測試驗

450 kV立式數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)（見圖5）采用線陣探測器，有效檢測寬度為600 mm，檢測過程及DR、CT檢測所用時間與6MeV立式加速器數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)基本相同。

從上述試驗可以看出，采用臥式、立式數(shù)字射線成像系統(tǒng)檢測過程有所不同，檢測效率也不同，以分體式高鐵鋁合金齒輪箱檢測為例，檢測效率情況見表1。

圖3 9MeV臥式加速器檢測高鐵鋁合金齒輪箱

圖4 6MeV立式加速器檢測高鐵鋁合金齒輪箱

圖5 450kV立式數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)

可見，采用數(shù)字射線成像系統(tǒng)檢測高鐵鋁合金齒輪箱，相對于常規(guī)射線照相檢測方法而言，可大幅提升檢測效率。

3 數(shù)字射線成像與常規(guī)射線照相技術(shù)對比

3.1 檢測原理及過程

數(shù)字射線成像技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的無損檢測手段之一，與常規(guī)射線照相檢測方法檢測原理基本相同[6]，不同點主要在于：

（1）穿透工件后的射線能力接收媒介不同，常規(guī)射線照相采用膠片，數(shù)字射線成像檢測技術(shù)采用傳感器；

（2）圖像處理方式不同，常規(guī)射線照相采用對曝光后的膠片進(jìn)行暗室處理（包括顯影、停顯、定影等）得到工件影像，數(shù)字射線成像檢測技術(shù)采用計算機(jī)軟件進(jìn)行處理；

（3）缺陷評定圖譜不同，常規(guī)射線照相采用紙質(zhì)版標(biāo)準(zhǔn)底片圖譜，數(shù)字射線成像檢測技術(shù)采用數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)圖譜[7]。

目前，鋁合金鑄件射線照相的檢測標(biāo)準(zhǔn)主要有：ASTM E155《鋁鎂合金鑄件射線照相參考底片》、ASTM E505《鋁鎂合金鑄鋼件射線透照檢驗》；鋁合金鑄件數(shù)字射線成像檢測的標(biāo)準(zhǔn)主要有：ASTM E2422《鋁合金鑄件標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字參考圖像》。

表1 分體式高鐵鋁合金齒輪箱數(shù)字射線成像檢測效率對比

3.2 相同射線能量下的檢測結(jié)果

由于圖像接收媒介不同，在完全相同的射線能量條件下，對缺陷影像顯示的對比度及清晰度需做試驗進(jìn)行對比。采用數(shù)字射線成像檢測和常規(guī)射線照相檢測技術(shù)對典型鋁合金鑄造氣孔、縮孔、疏松、針孔、夾雜缺陷進(jìn)行檢測（部分缺陷檢測結(jié)果對比見圖6、圖7）。從檢測結(jié)果來看，受射線接收傳感器的影響，數(shù)字射線成像檢測所得圖像對比度不如傳統(tǒng)射線照相檢測技術(shù)；對于氣孔、縮孔、低密度夾雜、高密度夾雜缺陷檢測效果比較接近；對于海綿狀疏松、圓形針孔及長圓形針孔缺陷檢測對比度，射線照相檢測技術(shù)優(yōu)于數(shù)字射線成像檢測技術(shù)。

3.3 不同射線能量下的檢測結(jié)果

（1）低級別小缺陷檢測。由射線檢測原理可知，射線能量在很大程度上決定了檢測影像的對比度。射線能量越高，小缺陷對射線的衰減作用小，對比度差。鋁合金鑄件采用9MeV加速器系統(tǒng)檢測和常規(guī)射線照相檢測的結(jié)果影像見圖8、圖9?？梢姡吣苌渚€對小缺陷的檢測效果較差。

圖6 鋁合金鑄件氣孔缺陷檢測影像

圖7 鋁合金鑄件圓形針孔缺陷檢測影像

圖8 高鐵鋁合金齒輪箱鑄造疏松缺陷檢測結(jié)果

圖9 高鐵鋁合金齒輪箱鑄造縮孔缺陷檢測結(jié)果

（2）高級別大缺陷檢測。對于高鐵鋁合金齒輪箱大面積縮孔及單個縮孔缺陷，采用9MeV高能數(shù)字射線、450 kV數(shù)字射線成像或常規(guī)射線照相設(shè)備進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖10、圖11?？梢姡芄ぜ诤?、結(jié)構(gòu)形狀的影響，即使缺陷較大，檢測影像對比度也可能較差。

對于密集針孔缺陷的檢測，高鐵鋁合金齒輪箱鑄件切割樣塊檢測見圖12。可見，低能量射線檢測效果較好。對于缺陷部位可進(jìn)行CT檢測，可以非常直觀地觀察到密集圓形針孔缺陷在橫斷面上的分布情況。

將上述對比分析結(jié)果匯總（見表2），可以看出，數(shù)字成像檢測缺陷影像顯示清晰程度和傳統(tǒng)射線照相仍存在一定差距，同時缺陷級別及射線能量對檢測影像清晰度、對比度等存在很大影響。

4 結(jié)論

圖10 高鐵鋁合金齒輪箱鑄造疏孔缺陷檢測結(jié)果

圖11 高鐵鋁合金齒輪箱法蘭部位縮孔缺陷檢測結(jié)果

圖12 高鐵鋁合金齒輪箱切割樣塊檢測結(jié)果

表2 射線能量對高鐵鋁合金齒輪箱缺陷檢測效果對比

通過控制變量法可有效制定鋁合金薄板焊縫的透照工藝參數(shù)。當(dāng)管電壓為45 kV、曝光量為10 mA·min、焦距為650～690 mm時，能夠獲得像質(zhì)指數(shù)、檢測區(qū)域黑度均滿足標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求的底片，該方法對提高鋁合金薄板焊縫射線照相靈敏度提供了一定借鑒價值。

綜上所述，對于高鐵鋁合金齒輪箱的射線檢測，結(jié)合檢測效率、檢測靈敏度、圖像對比度等因素，在選擇數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)時，重點考慮以下幾方面：

（1）檢測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)：推薦采用立式結(jié)構(gòu)，可減少人工操作翻轉(zhuǎn)工件的次數(shù)及時間，DR檢測完畢后，若要確定缺陷在高鐵鋁合金齒輪箱橫斷面上的分布情況，可直接針對缺陷部位進(jìn)行CT檢測，減少更換工裝時間，提高檢測效率。

（2）檢測系統(tǒng)探測器結(jié)構(gòu)：推薦采用單源雙探結(jié)構(gòu)，即同時配備面陣探測器和線陣探測器，大范圍掃查采用線陣進(jìn)行檢測，小范圍掃查采用面陣進(jìn)行檢測。同時可在探測器前方安裝屏蔽器，針對齒輪箱拐角等特殊部位進(jìn)行局部射線照相檢測，實現(xiàn)一機(jī)多能。充分利用數(shù)字射線成像檢測技術(shù)和射線照相檢測技術(shù)的優(yōu)點，取長補(bǔ)短，互為補(bǔ)充。

（3）檢測系統(tǒng)能量選擇：推薦采用最高450 kV能量的檢測系統(tǒng)，可根據(jù)鋁合金箱體檢測部位厚度調(diào)整檢測能量，從而得到最佳靈敏度及對比度。

總之，對于高鐵鋁合金齒輪箱進(jìn)行射線檢測，采用低能量立式數(shù)字射線成像檢測系統(tǒng)，具有DR檢測、CT檢測及射線照相檢測功能，既提高了射線檢測效率，同時又能確保檢測質(zhì)量，從而保障鐵路運輸安全。隨著數(shù)字射線成像技術(shù)的不斷發(fā)展，檢測圖像清晰度將不斷提高，數(shù)字射線成像技術(shù)必將在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中發(fā)揮更加廣泛的作用。