圣兆興，劉仕遠，王飛，韋兵，盧繼權(quán)

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

1 射線檢測概述

自1895年物理學家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線，射線檢測就逐步應用于醫(yī)療領域和工業(yè)領域。射線檢測的基本原理為：射線入射到工件時，射線光子與工件物質(zhì)發(fā)生一系列相互作用，導致透射射線強度產(chǎn)生衰減低于入射射線強度，如果工件存在缺陷，引起射線的衰減與周邊無缺陷區(qū)域程度不同，采用接受器（射線照相采用膠片、射線成像以半導體元件為主）檢測透射射線強度，經(jīng)過后處理（射線照相采用洗片、射線成像采用計算機信號處理）形成底片或圖像，最終缺陷將在底片或圖像產(chǎn)生一定的對比度，并據(jù)此進行相關(guān)判別。射線檢測可應用于各種材料的檢驗，如金屬材料、非金屬材料、復合材料等。射線照相檢測和數(shù)字成像檢測原理見圖1。

圖1 射線照相檢測和數(shù)字成像檢測原理

射線照相檢測的缺陷檢出能力取決于對比度、不清晰度和顆粒度，這3個因素在實際射線照相檢測中很難測定，通常采用靈敏度綜合評定影像質(zhì)量。目前廣泛使用像質(zhì)計來反映射線照相靈敏度[1]，主要有絲型、階梯孔型、平板孔型、槽型像質(zhì)計。像質(zhì)計靈敏度只表示特定形狀的細節(jié)在射線照相技術(shù)下可被發(fā)現(xiàn)的程度，它不完全等同于同樣尺寸的自然缺陷可被發(fā)現(xiàn)[2]。自然缺陷檢出能力一般很難準確評價，因其與被檢工件的形狀、尺寸、性質(zhì)、位置和入射角等多重因素有關(guān)，實際檢測不太可能用自然缺陷的尺寸來評價射線照相靈敏度。

在軌道交通領域，射線檢測應用最廣泛的是對金屬鑄件和焊縫產(chǎn)品缺陷進行檢測。鑄件常見缺陷主要有氣孔、縮孔、縮松、夾雜、裂紋，其中氣孔、縮孔、縮松等缺陷都是具有一定體積的體積型缺陷，缺陷尺寸越小，射線照相檢出越難；而裂紋類的缺陷主要為平面型缺陷，對于延伸方向垂直于射線透照方向（或成較大角度）的薄面狀缺陷，射線照相較難檢出。

對實際缺陷的檢出能力一直是射線檢測領域關(guān)注的問題，尤其是孔洞和裂紋缺陷，對軌道交通裝備的整體使用安全構(gòu)成了極大威脅，因此，這2類缺陷檢出能力研究的意義重大。為了研究常見鑄件產(chǎn)品（鑄鋼、鑄鋁）射線照相檢測缺陷檢出能力，設計制作人工孔洞缺陷試塊和裂紋缺陷試塊，采用射線照相檢測技術(shù)，以獲得鋼和鋁在一定厚度范圍內(nèi)的孔洞類缺陷和一定角度范圍內(nèi)的裂紋缺陷檢出能力的規(guī)律。

2 孔洞缺陷檢出能力

設計制作人工孔洞缺陷試塊（見圖2），采用2塊等厚的（100×100）mm方塊，在方塊中間對應部位分別加工直徑為1、2、3 mm的半球孔（球孔間距25 mm），將2塊試塊對應拼成整塊厚度翻倍的直徑1、2、3 mm球孔試塊。鋼材質(zhì)和鋁材質(zhì)分別按此加工制作總厚度10～60 mm、直徑1、2、3 mm球孔試塊，研究2種材質(zhì)在不同透照厚度下孔洞缺陷的檢出能力。

2.1 鑄鋼

采用X射線機對10～60 mm厚鋼材質(zhì)孔洞缺陷試塊進行射線照相檢測，射線源焦點尺寸為5.5 mm，采用垂直透照，焦距定為700 mm，采用AgfaC7型膠片，增感屏前屏0.03 mm、后屏0.10 mm。膠片經(jīng)射線曝光后進行暗室處理，底片見圖3。根據(jù)底片中球孔影像識別的難易程度分為：清晰顯示、能夠顯示、不能顯示。鑄鋼孔洞檢出結(jié)果見表1。

圖2 人工孔洞缺陷試塊

圖3 不同厚度鑄鋼球孔試塊底片

2.2 鑄鋁

對10～60 mm厚的鋁材質(zhì)孔洞缺陷試塊進行射線照相檢測，焦點尺寸、焦距、膠片、增感屏條件不變。底片見圖4，鑄鋁孔洞檢出結(jié)果見表2。

3 裂紋缺陷檢出能力

設計制作人工裂紋缺陷試塊（見圖5），采用2塊25 mm厚的（100×100）mm方塊，在方塊中心部位按照同樣傾斜角度θ進行線切割槽（深2.5 mm），將2塊刻槽試塊拼成總厚50 mm、深度5 mm、不同傾斜角度θ的裂紋缺陷試塊。鋼材質(zhì)和鋁材質(zhì)分別按照圖紙設計制作傾斜角度為90°、80°、70°、60°、50°、40°的裂紋缺陷試塊。

表1 鑄鋼孔洞檢出結(jié)果

圖4 不同厚度鑄鋁球孔試塊底片

表2 鑄鋁孔洞檢出結(jié)果

圖5 人工裂紋缺陷試塊

3.1 鑄鋼

對厚50 mm鋼材質(zhì)不同傾斜角裂紋缺陷試塊進行射線照相檢測，射線檢測條件不變。底片見圖6，鑄鋼裂紋檢出結(jié)果見表3。

3.2 鑄鋁

對厚50 mm鋁材質(zhì)不同傾斜角裂紋缺陷試塊進行射線照相檢測，射線檢測條件不變。底片見圖7，鑄鋁裂紋檢出結(jié)果見表4。

4 缺陷檢出能力分析

影響射線照相影像質(zhì)量的3個基本因素為[3]對比度ΔD、不清晰度U和顆粒度δ。要獲得較好的缺陷檢出能力，需要增大對比度，減小不清晰度和顆粒度。其中，考慮到孔洞和裂紋缺陷內(nèi)部為空氣，其射線衰減系數(shù)近似為0，而射線在工件中的衰減系數(shù)為μ，膠片經(jīng)射線曝光暗室處理后，孔洞或裂紋處與周邊工件無缺陷處的對比度ΔD=-0.434μGΔT/（1+n），其中：μ為射線衰減系數(shù)；G為梯度；ΔT為透照方向上的缺陷尺寸；n為散射比。由于射線照相焦距控制為700 mm，幾何不清晰度差異較小，不清晰度U主要與固有不清晰度相關(guān)，隨著射線電壓增加，不清晰度增加；由于膠片型號相同，顆粒度δ主要與射線能量和曝光量有關(guān)，較低能量的射線和較大的曝光量，可以得到較小的顆粒度。

圖6 不同傾斜角度鑄鋼裂紋試塊底片

表3 鑄鋼裂紋檢出結(jié)果

圖7 不同傾斜角度鑄鋁裂紋試塊底片

表4 鑄鋁裂紋檢出結(jié)果

4.1 孔洞缺陷

由表1、表2可知，在同一透照厚度下，孔洞尺寸越大，射線檢出能力越強，因為對比度ΔD和透照方向上缺陷尺寸ΔT成正比。由圖3、圖4可知，同一厚度下直徑1、2、3 mm的球孔影像會越來越清晰。

同一材質(zhì)的工件，隨著透照厚度的增大，射線檢出能力逐步減弱。由于工件透照厚度增加，必然導致射線電壓增加，即射線束能量增大，會降低射線衰減系數(shù)μ，導致對比度ΔD減小。射線能量增大還會導致不清晰度和顆粒度的增大，不利于提高缺陷檢出能力。當透照厚度超過40 mm，鋁試塊1 mm孔洞不再清晰顯示；當透照厚度超過50 mm，鋼試塊1 mm孔洞不能顯示。

材質(zhì)對孔洞缺陷檢出能力的影響是多方面的，比較等厚的鋼和鋁孔洞缺陷檢出能力發(fā)現(xiàn)，10 mm厚鋼比鋁的孔洞檢出能力更高，底片中球孔更清晰可辨，而隨著透照厚度的增加，鋼和鋁的孔洞檢出能力均有所降低，但鋼的檢出能力衰減幅度更大，因此透照厚度達到50 mm時，鋁比鋼的孔洞檢出能力更高。由于材質(zhì)對衰減系數(shù)μ的影響是多方面的，射線衰減系數(shù)μ≈kZ3λ3，其中：k為系數(shù)，可取固定值；Z為原子序數(shù)；λ為射線波長。一方面，μ隨著工件材質(zhì)原子序數(shù)Z增大而增大（鋼的原子序數(shù)為26，鋁的原子序數(shù)為13）；另一方面，同樣厚度的鋼需要的射線能量更高，導致射線波長λ減小，使得μ減小。另外射線能量越高，會導致不清晰度和顆粒度增大。

4.2 裂紋缺陷

由表3、表4可知，厚度為50 mm的鋼和鋁，5 mm深的裂紋，隨著傾斜角θ的增大，裂紋缺陷檢出能力越來越高。當傾斜角增大至極限90°時，此時裂紋底片影像質(zhì)量達到最佳，傾斜角減小時，裂紋的檢出能力逐步衰弱。當鋼中裂紋傾斜角減小至60°時，裂紋不再清晰顯示，減小至40°時，裂紋不能顯示；當鋁中裂紋傾斜角減小至70°時，裂紋不再清晰顯示。主要由于當傾斜角θ越大時，沿著射線透照方向上的缺陷尺寸ΔT越大，導致對比度ΔD增大。

比較同一傾斜角度θ的鑄鋼和鑄鋁，鋁的裂紋檢出能力更高，裂紋影像比鋼更清晰。90°的鋁垂直裂紋比鋼更加清晰可辨，當裂紋傾斜角減小至40°時，鋼裂紋已無法顯示，鋁裂紋仍然能夠顯示。主要由于50 mm的鋼射線能量高，其對比度ΔD較鋁小得多，同時射線能量高會導致不清晰度、顆粒度較大。

5 結(jié)論

（1）對于同一材質(zhì)工件，隨著透照厚度的增加，其孔洞缺陷檢出能力逐步減弱；當透照厚度超過40 mm，鑄鋁件1 mm孔洞缺陷不再清晰顯示；當透照厚度超過50 mm，鑄鋼件1 mm孔洞缺陷無法檢出。

（2）對于同一材質(zhì)工件，隨著傾斜角度θ的增大，裂紋缺陷檢出能力越來越高。當傾斜角度θ增大至極限90°時，裂紋底片影像質(zhì)量達到最佳；裂紋傾斜角減小至40°，鋼裂紋已無法檢出。

（3）射線照相檢測中的缺陷檢出能力和像質(zhì)計靈敏度沒有對等關(guān)系[4]，缺陷檢出能力不可與任何形式的像質(zhì)計靈敏度混淆概念。對于裂紋的檢出，需明確所考慮的裂紋形狀，必要時采取多個入射角度檢測，以提高裂紋檢出能力。