康 平 高 雅 袁生平 馬兆慶

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

文 摘 針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的檢測問題，開展了三維顯微CT 檢測技術(shù)研究。分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的常規(guī)射線檢測難點(diǎn)，利用三維顯微CT 檢測技術(shù)焦點(diǎn)尺寸?。ㄎ⒚准墸?、檢測分辨率高等優(yōu)勢，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束對接焊縫、端面焊縫以及釬焊縫進(jìn)行了檢測，得到了良好的檢測效果。實(shí)驗結(jié)果表明，通過三維顯微CT 檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的三維檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微氣孔、微裂紋、未焊透等缺陷的識別、定位與測量，為焊縫質(zhì)量評估提供依據(jù)。

0 引言

焊接結(jié)構(gòu)是航天產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)形式，如火箭、飛船、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等，在地面、大氣層及空間不同環(huán)境中工作，要求高密封性和高可靠性。焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾雜、未焊透、裂紋等缺陷［1］，采用常規(guī)的超聲、射線照相法檢測［2］，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的焊縫，傳統(tǒng)的射線檢測方法無法識別，只能依靠工藝和產(chǎn)品在后續(xù)的性能測試加以保證，無法進(jìn)行無損檢測。對于采用電子束焊接等工藝的精密工件，其設(shè)計要求高、材料特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要從微觀角度評判焊縫的焊接質(zhì)量。三維顯微CT 檢測系統(tǒng)具有焦點(diǎn)尺寸?。ㄎ⒚准墸z測分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫的三維成像，檢測出焊縫中的微小氣孔和微裂紋，并準(zhǔn)確地測定其幾何尺寸，給出其在工件中的位置，同時能夠準(zhǔn)確測量焊縫熔深，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的無損檢測與評估［3］。

本文基于225 kV 三維顯微CT 設(shè)備及相應(yīng)的成像技術(shù)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫實(shí)現(xiàn)了三維重構(gòu)、缺陷識別、缺陷提取、尺寸測量等分析，解決了以往X 射線無法檢測的難題。

國外的三維顯微CT 技術(shù)發(fā)展較早，德國、美國、法國等都有較成熟的基礎(chǔ)理論和較先進(jìn)的設(shè)備。常規(guī)CT 僅能達(dá)到毫米級，不能滿足高分辨顯微的使用要求。在20世紀(jì)80年代初期，美國最早研制出三維顯微CT。隨著同步輻射源的產(chǎn)生，德國、美國等國家的材料學(xué)領(lǐng)域科學(xué)家，開始通過高亮度、高強(qiáng)度的X射線源進(jìn)行CT成像，得到了微米級的分辨率。

1998年，國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注顯微CT 的研究，陳昌維等很預(yù)測了顯微CT 的技術(shù)及其趨勢。2002年，國家及部委有關(guān)基金就已資助成像領(lǐng)域的相關(guān)研究。國內(nèi)的微焦點(diǎn)CT 技術(shù)在20 多年來獲得很大的改進(jìn)，其主要發(fā)展方向可概述為高對比度、超高分辨、快速實(shí)時和多模態(tài)成像幾個方面。近幾年國內(nèi)顯微CT技術(shù)的快速發(fā)展，顯微CT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、材料學(xué)等領(lǐng)域。分辨率覆蓋了微米到納米量級，能無損再現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)和材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在工業(yè)檢測和材料性能評價方面都得到了越來越多的應(yīng)用。

1 三維顯微CT成像系統(tǒng)

三維顯微CT 根據(jù)物體外部獲取的某種物理量的測量值，去重建物體內(nèi)某一特定斷面上的某種物理量的無重迭二維圖像，采用依次相繼獲取的一系列斷面圖去重構(gòu)物體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)［2］。三維顯微CT檢測系統(tǒng)采用X 射線成像原理及數(shù)千到上萬個面陣探測器進(jìn)行高分辨率三維成像設(shè)備，能無損地獲取樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)信息，從而顯示各部分的三維圖像［4-6］。

2 三維顯微CT技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測中的應(yīng)用

2.1 檢測設(shè)備

對復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫分析過程中采用基于225 kV 微焦點(diǎn)X射線機(jī)和面陣列探測器的微焦點(diǎn)X射線CT檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)X 射線DR 數(shù)字化成像、CT 三維錐束成像、三維可視化等功能。其中X 射線束使用微焦點(diǎn)球管，焦點(diǎn)尺寸5 μm，最大電壓為225 kV，該系統(tǒng)缺陷及細(xì)節(jié)特征的檢測能力可達(dá)到5 μm，并提供各種缺陷的三維分布檢測圖像。本文通過myVGL2.1軟件對焊縫三維顯微CT圖像進(jìn)行處理。

2.2 三維顯微CT掃描

首先對產(chǎn)品進(jìn)行DR 掃描，確定焊縫位置，根據(jù)焊縫DR 圖像確定三維掃描的焊縫的區(qū)域，對得到的該焊縫區(qū)域的三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行重建，可得到任意截面的CT 圖像。本文的三次試驗掃描參數(shù)如下:射線源焦點(diǎn)大小為5 μm，，射線源管電壓為225 kV，管電流為3 mA。

3 結(jié)果及分析

3.1 鈦合金對接焊縫檢測

圖1為航天用某產(chǎn)品焊縫結(jié)構(gòu)示意圖，焊縫結(jié)構(gòu)為帶鎖底的對接焊縫，焊接方式為電子束焊接環(huán)縫，距焊縫表面1 mm 有一處加工凹槽，用以減少應(yīng)力。該焊縫滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級焊縫的要求為:不允許存在裂紋、未焊透、未熔合等缺陷，允許存在的氣孔最大為0.33 mm，焊縫熔深要求至少為1 mm。由于該產(chǎn)品內(nèi)部存在多處高密度結(jié)構(gòu)，使得焊縫無法在底片上有效成像，因此，通過常規(guī)X 射線無法實(shí)現(xiàn)對該焊縫的無損檢測。

圖2為該焊縫三維顯微CT 檢測圖像，（b）圖為焊縫三維重構(gòu)圖，其余三幅為焊縫三個方向?qū)游鰣D像。

圖1 電子束焊縫結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of electron beam weld structure

圖2 三維顯微CT檢測電子束焊縫圖像Fig.2 3D micro CT images of electron beam weld

圖3 測量焊縫熔深顯微CT圖像Fig.3 Micro CT image of the weld penetration measurement

圖3可以看出，該焊縫根部均達(dá)到凹槽位置，測量焊縫熔深值為1.9 mm，焊縫內(nèi)部不存在未焊透缺陷，焊縫內(nèi)部存在一處氣孔（圖4），測量其尺寸為0.30 mm，滿足GJB1718A—2005 Ⅰ級焊縫的要求。

結(jié)果表明:通過三維顯微CT 技術(shù)可不受焊縫結(jié)構(gòu)限制，對焊縫內(nèi)部的未焊透、微氣孔等缺陷進(jìn)行識別與測量，為該批產(chǎn)品焊接質(zhì)量評判提供有力依據(jù)。

圖4 氣孔缺陷顯微CT圖像Fig.4 Micro CT image of hole defect

3.2 鋁合金端面焊縫檢測

圖5為航天用某鋁合金腔體結(jié)構(gòu)的模擬件，焊接材料2A14，焊接接頭結(jié)構(gòu)為2 mm 對接鎖底，采用電子束焊接環(huán)縫。該焊接材料容易開裂，因此對該端面焊縫的質(zhì)量評判至關(guān)重要，該焊縫內(nèi)部不允許存在裂紋、未焊透等缺陷，但由于該腔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)X射線檢測方法不適用于該端面焊縫的檢測。

圖5 鋁合金腔體結(jié)構(gòu)模擬件Fig.5 Simulator specimen of aluminum alloy cavity

圖6為該端面焊縫的三維顯微CT 檢測圖像，從左圖可看出，焊縫內(nèi)部存在未焊透缺陷，測量該位置焊縫熔深為1.03 mm（右圖），不滿足焊縫熔深要求（2 mm），未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷。結(jié)果表明:利用三維顯微CT 技術(shù)，可以不受該焊縫結(jié)構(gòu)限制，對該模擬件的端面焊縫中存在的未焊透缺陷進(jìn)行識別與測量，本實(shí)驗為后續(xù)該產(chǎn)品的腔體結(jié)構(gòu)的端面焊縫質(zhì)量評判奠定了基礎(chǔ)。

圖6 端面焊縫顯微CT圖像Fig.6 Micro CT images of edge weld

3.3 鈦-鈦合金釬焊縫檢測

航天精密、微型復(fù)雜零件多采用鈦及鈦合金釬焊方法，釬焊縫容易出現(xiàn)釬焊未填滿、釬縫成形不良、氣孔、夾渣、表面侵蝕等缺陷，釬縫的質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。釬焊縫結(jié)合面屬于面積型焊縫，常規(guī)射線檢測無法實(shí)現(xiàn)，采用三維顯微CT 進(jìn)行檢測，得到的三維圖像（圖7）能直觀準(zhǔn)確地反映缺陷的位置和形狀，進(jìn)而評價釬焊縫的質(zhì)量。

從圖7（a）可發(fā)現(xiàn)端面焊縫存在裂紋、孔洞等缺陷，從圖7（b）可看到多處明顯的氣孔和與（a）圖相對應(yīng)的貫穿性裂紋，測量裂紋長度為3.56 mm，裂紋開口寬度為0.13 mm，氣孔最小約為0.09 mm，黑度最大的孔洞寬度為0.31 mm。實(shí)驗結(jié)果表明:通過三維顯微CT 檢測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對釬縫內(nèi)部微裂紋、微氣孔的識別、定位與測量。

4 結(jié)論

三維顯微CT 檢測技術(shù)可不受焊縫形狀結(jié)構(gòu)限制實(shí)現(xiàn)焊縫的三維成像，進(jìn)而對焊縫內(nèi)部的缺陷進(jìn)行識別、定位與測量，進(jìn)一步對焊縫質(zhì)量進(jìn)行評估；且焦點(diǎn)尺寸小，分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)微氣孔、微裂紋以及未焊透等缺陷的檢測，并對其尺寸進(jìn)行測量，測量精度可達(dá)到亞微米級。

三維顯微CT 檢測技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫的檢測方面具有廣闊的應(yīng)用前景，未來發(fā)展?jié)摿薮螅摲椒ㄓ型茝V到更多的產(chǎn)品檢測應(yīng)用中。