董方旭，凡麗梅，趙付寶，孫良文，湯振鶴，蔣志強(qiáng)

（中國兵器工業(yè)集團(tuán)第五三研究所，濟(jì)南 250031）

0 引言

無損檢測(cè)技術(shù)在新材料構(gòu)件內(nèi)部特征的定性定量檢測(cè)與表征中發(fā)揮著重要作用。其中，X射線成像檢測(cè)技術(shù)因可實(shí)現(xiàn)可視化快速檢測(cè)而應(yīng)用較為廣泛[1-3]。檢測(cè)工藝參數(shù)的選擇決定了產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果的可靠性，最佳檢測(cè)工藝參數(shù)所得的X射線成像掃描結(jié)果才具有真實(shí)性與可靠性[4-8]。對(duì)于批量生產(chǎn)的新復(fù)合材料產(chǎn)品構(gòu)件，往往通過人工經(jīng)驗(yàn)或者試驗(yàn)過程摸索相應(yīng)的檢測(cè)工藝參數(shù)，但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且也不一定會(huì)獲得高質(zhì)量的檢測(cè)圖像，進(jìn)而導(dǎo)致誤檢、漏檢等問題，影響產(chǎn)品的使用，甚至造成安全隱患。

CIVA仿真模擬軟件[9]作為一種集仿真、成像和分析3個(gè)模塊為一體的無損檢測(cè)仿真平臺(tái)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)工藝參數(shù)和預(yù)測(cè)檢測(cè)過程中的檢測(cè)能力方面表現(xiàn)尤為突出。它不僅可以優(yōu)化檢測(cè)工藝參數(shù)，而且可以降低成本，提高效率和檢測(cè)可靠性。

魏鵬等[10]采用CIVA仿真軟件對(duì)焊縫的射線檢測(cè)過程進(jìn)行建模仿真計(jì)算，研究放射源、透照方式、曝光次數(shù)等參數(shù)對(duì)射線檢測(cè)質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，CIVA仿真平臺(tái)可有效再現(xiàn)射線檢測(cè)過程，并可以預(yù)測(cè)實(shí)際檢測(cè)中的工藝參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化射線檢測(cè)工藝參數(shù)的目的。嚴(yán)宇等[11]采用CIVA仿真軟件對(duì)焊縫的射線檢測(cè)過程進(jìn)行仿真計(jì)算，研究曝光次數(shù)對(duì)射線檢測(cè)結(jié)果的影響，得到最佳的曝光次數(shù)為6次，同時(shí)得到曝光時(shí)間越長，底片黑度越大，證明了CIVA仿真軟件在核電設(shè)備射線檢測(cè)中對(duì)優(yōu)化檢測(cè)工藝具有重要的意義。王茹等[12]采用CIVA仿真軟件建立超導(dǎo)母線絕緣層DR檢測(cè)過程模型，研究了不同射線檢測(cè)參數(shù)對(duì)超導(dǎo)母線絕緣復(fù)合材料氣孔和分層型缺陷DR檢測(cè)結(jié)果的影響，得到最佳的曝光次數(shù)，證明了DR檢測(cè)技術(shù)在超導(dǎo)母線絕緣層質(zhì)量控制評(píng)估方面的可行性。

本研究采用CIVA仿真模擬軟件，對(duì)X射線數(shù)字成像檢測(cè)用于板狀復(fù)合材料構(gòu)件檢測(cè)的射線源工藝參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，確定射線源工藝參數(shù)，并采用該參數(shù)對(duì)已知間隙尺寸的板狀復(fù)合材料構(gòu)件試驗(yàn)試樣進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證CIVA仿真模擬軟件在優(yōu)化檢測(cè)工藝方面的可行性與可靠性。

1 CIVA仿真模擬

1.1 檢測(cè)設(shè)備及仿真軟件

檢測(cè)設(shè)備使用Y.XST225射線源，最高管電壓為225 kV，焦點(diǎn)尺寸為0.8 mm；SEZ T3線陣探測(cè)器，密度分辨率≤0.3%，空間分辨率≤3 lp/mm。

仿真軟件采用CIVA 9軟件，它包含5種無損檢測(cè)技術(shù)模塊，其中X射線數(shù)字成像檢測(cè)模塊可以模擬實(shí)際檢測(cè)過程，實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的設(shè)置及檢測(cè)結(jié)果的顯示。

1.2 仿真工件建模

根據(jù)試樣的實(shí)際結(jié)構(gòu)及尺寸信息，建立試驗(yàn)試樣CIVA仿真三維模型，如圖1所示。

圖1 試樣CIVA仿真三維模型圖Fig.1 CIVA simulation 3D model of test sample

1.3 檢測(cè)工藝參數(shù)設(shè)置

1）X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)已知參數(shù)設(shè)置。

在仿真軟件的設(shè)置界面中，設(shè)置X射線成像檢測(cè)系統(tǒng)的射線源焦點(diǎn)尺寸為0.8 mm，X射線束張角為40°，面陣探測(cè)器的像素矩陣為1536×1920，像素尺寸為0.127 mm，射線源距離探測(cè)器距離（SDD）為1460 mm，射線源距離工件距離（SOD）為1310 mm，放大倍數(shù)為1.11。基本參數(shù)設(shè)置后，工件仿真的透照布置示意圖見圖2。

圖2 工件仿真透照布置示意圖Fig.2 Layout diagram of simulation transillumination of workpiece

2）仿真工藝參數(shù)設(shè)置。

在仿真軟件中預(yù)設(shè)工藝參數(shù)，通過X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真計(jì)算完成射線源工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。工藝參數(shù)的預(yù)設(shè)采用控制變量法。檢測(cè)電壓仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)定焦點(diǎn)尺寸0.8 mm、檢測(cè)電流7 mA、曝光時(shí)間180 s，檢測(cè)電壓分別預(yù)設(shè)為70、80、90、100、110、120 kV；檢測(cè)電流仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)定焦點(diǎn)尺寸0.8 mm、檢測(cè)電壓100 kV、曝光時(shí)間180 s，檢測(cè)電流則分別預(yù)設(shè)為由6、7、8、9、10、11 mA。

1.4 X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真計(jì)算

1）檢測(cè)電壓仿真計(jì)算。

由于工件中缺陷能否被檢出取決于X射線能否穿透被檢測(cè)工件，因此，首先對(duì)檢測(cè)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。不同檢測(cè)電壓下的X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真圖像見圖3。從圖3中可以看出，當(dāng)檢測(cè)電壓為70 kV時(shí)，圖像清晰度和對(duì)比度都較差，原因是X射線能量較低，穿透效果較差。其他檢測(cè)電壓下的圖像清晰度和對(duì)比度都較好。

圖3 不同檢測(cè)電壓下的X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真圖像Fig.3 Simulation imageof X-ray digital imaging detection at different voltages

測(cè)量6種檢測(cè)電壓下仿真圖像的信噪比（SNRN）和對(duì)比度信噪比（CNR），測(cè)量位置示意圖如圖4所示。測(cè)量建模尺寸為0.3 mm間隙的5處不同位置的尺寸并計(jì)算平均值，測(cè)量示意圖如圖5所示。測(cè)量結(jié)果見表1。

圖4 圖像SNRN和CNR測(cè)量位置示意圖Fig.4 Measurement position diagram of SNRN and CNR of image

圖5 圖像中間隙尺寸示意圖Fig.5 Schematic diagram of image gap size

從表1可以看出：SNRN隨著檢測(cè)電壓的升高而逐漸升高。當(dāng)檢測(cè)電壓達(dá)到110 kV時(shí)，SNRN達(dá)到最高，隨后檢測(cè)電壓再升高，SNRN降低。CNR隨著檢測(cè)電壓的升高而逐漸升高。檢測(cè)電壓為70、80、120 kV時(shí)，間隙尺寸測(cè)量誤差較大；檢測(cè)電壓為90～110 kV時(shí)，間隙尺寸測(cè)量誤差較??；在100 kV時(shí)，間隙尺寸測(cè)量誤差最小。由于GB/T35388[13]規(guī)定SNRN不能小于100，而ASTM E2698[14]規(guī)定CNR不能低于2.5，因此，綜合分析可知，檢測(cè)電壓的仿真計(jì)算結(jié)果為100 kV，即通過CIVA仿真軟件確定了試樣X射線數(shù)字檢測(cè)的最佳檢測(cè)電壓。

表1 不同檢測(cè)電壓下SNRN、CNR和間隙尺寸測(cè)量結(jié)果Table1 Measurement results of SNRN,CNR and gap sizeat different detection voltages

2）檢測(cè)電流仿真計(jì)算。

不同檢測(cè)電流下的X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真圖像見圖6。從圖6中可以看出，不同檢測(cè)電流下的圖像清晰度和對(duì)比度均較好。測(cè)量各仿真圖像的SNRN、CNR以及間隙尺寸，結(jié)果見表2。

圖6 不同檢測(cè)電流下的X射線數(shù)字成像檢測(cè)仿真圖像Fig.6 Simulation imagesof X-ray digital imaging detection under different detection currents

表2 不同檢測(cè)電流下SNRN、CNR和間隙尺寸測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of SNRN,CNR and gap size under different detection currents

從表2可以看出：SNRN隨著檢測(cè)電流的升高，先升高后降低，當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到9 mA，SNRN達(dá)到最大；CNR隨著檢測(cè)電流的變化趨勢(shì)與SNRN相似，當(dāng)檢測(cè)電流為9、10 mA時(shí)，CNR達(dá)到最大；當(dāng)檢測(cè)電流為6 mA時(shí)，間隙尺寸測(cè)量誤差最大；當(dāng)檢測(cè)電流為9 mA時(shí)，間隙尺寸測(cè)量誤差最小。綜合分析可知，檢測(cè)電流的仿真計(jì)算結(jié)果為9 mA，即通過CIVA仿真軟件確定了試樣X射線數(shù)字檢測(cè)的最佳檢測(cè)電流。

綜上，通過對(duì)檢測(cè)電壓、檢測(cè)電流的仿真計(jì)算，可得到X射線數(shù)字成像檢測(cè)用于板狀復(fù)合材料構(gòu)件檢測(cè)的射線源工藝參數(shù)，即焦點(diǎn)尺寸0.8 mm、檢測(cè)電壓為100 kV、檢測(cè)電流為9 mA。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試樣是由鋁板、玻璃纖維復(fù)合材料板以及陶瓷塊通過膠黏劑復(fù)合而成的5層板狀復(fù)合材料。2塊鋁板在最外側(cè)，2塊玻璃纖維復(fù)合材料板在鋁板內(nèi)側(cè)，最內(nèi)層由陶瓷塊拼接構(gòu)成。其中，鋁板單塊厚度為0.5 mm，玻璃纖維復(fù)合材料板單塊厚度為1.5 mm，陶瓷塊厚度為5.0 mm，預(yù)制陶瓷塊間隙尺寸為0.5 mm，試樣總尺寸為150 mm×100 mm×9 mm。

按上述優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置射線源工藝，并設(shè)置積分時(shí)間27 ms，幀合并數(shù)3，機(jī)械系統(tǒng)工藝參數(shù)為射線源距離探測(cè)器距離（SDD）1460 mm，射線源距離工件距離（SOD）1310 mm，對(duì)試樣進(jìn)行X射線數(shù)字成像檢測(cè)，并測(cè)量預(yù)制間隙5個(gè)位置的尺寸，計(jì)算其平均值和測(cè)量誤差。結(jié)果如圖7、表3所示。從圖7可以看出，采用仿真計(jì)算優(yōu)化的射線源工藝參數(shù)得到的X射線數(shù)字成像檢測(cè)圖像具有較好的清晰度和對(duì)比度。由表3可知，試樣預(yù)制間隙尺寸的測(cè)量值接近真實(shí)值，測(cè)量誤差僅為2.0%。

表3 試驗(yàn)試樣間隙尺寸測(cè)量結(jié)果Table3 Measurement resultsof gap dimension of test specimen

圖7 試驗(yàn)試樣的X射線數(shù)字成像檢測(cè)圖像Fig.7 X-ray digital imaging image of test sample

此驗(yàn)證試驗(yàn)雖然表明CIVA仿真模擬軟件可以實(shí)現(xiàn)在無損檢測(cè)試驗(yàn)前指導(dǎo)對(duì)檢測(cè)工藝參數(shù)的選擇，但實(shí)際檢測(cè)結(jié)果受檢測(cè)工況、噪聲等影響，最佳檢測(cè)工藝的確定仍需要通過實(shí)際檢測(cè)來反復(fù)優(yōu)化對(duì)比得出。

3 結(jié)論

1）采用CIVA仿真模擬軟件，通過仿真計(jì)算分別研究了檢測(cè)電壓及檢測(cè)電流對(duì)板狀復(fù)合材料構(gòu)件X射線數(shù)字成像檢測(cè)結(jié)果的影響，獲得的射線源工藝參數(shù)為焦點(diǎn)尺寸0.8 mm、檢測(cè)電壓100 kV、檢測(cè)電流9 mA。

2）在仿真得到的射線源工藝參數(shù)下，對(duì)含有預(yù)制0.5 mm間隙尺寸的試驗(yàn)試樣進(jìn)行X射線數(shù)字成像檢測(cè)，間隙尺寸的測(cè)量誤差為2%，滿足板狀復(fù)合材料的可靠性檢測(cè)，驗(yàn)證了CIVA仿真模擬軟件在對(duì)檢測(cè)工藝參數(shù)的優(yōu)化方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。