推力室釬焊身部X射線數(shù)字成像檢測技術

任文堅，劉 貞，張 騰，劉國增，王永紅

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

推力室身部是液體火箭發(fā)動機關鍵組件，其制造難度大、周期長、成本與價值高，工作時需承受高溫、高壓等惡劣環(huán)境考驗。身部在釬焊過程中可能產生未釬著缺陷和通道堵塞，未釬著缺陷會降低夾層連接強度且容易發(fā)生液體串流，而通道若發(fā)生堵塞則發(fā)動機工作時會引起局部再生冷卻障礙，造成內壁過熱燒穿，總之，這些不良缺陷若不能及時被檢測出來且被排除將會嚴重影響產品性能，降低發(fā)動機的質量可靠性[1-3]。由于受產品結構限制，身部釬焊質量檢測此前一直采用常規(guī)X射線膠片照相手工拍片工藝，為了兼顧檢測效率，采用較大的單次透照面積，導致底片影像變形大，黑度不均勻。此外，常規(guī)X射線膠片照相檢測工藝包含透照布置、曝光、暗室處理等多個環(huán)節(jié)[4]，容易導致檢測一致性差；底片也不能進行對比度以及圖像處理，部分小缺陷容易出現(xiàn)錯漏檢風險；再加上產品體積大、檢測分區(qū)數(shù)量多，檢測效率低；X射線膠片照相手工拍片工藝已難以滿足發(fā)動機高可靠性、高密度生產與發(fā)射需求[5]。

針對推力室身部釬焊質量檢測需開展新的檢測工藝方法研究，X射線數(shù)字成像檢測技術(DR)是近年來興起的一種基于現(xiàn)代傳感器技術和信息處理技術而發(fā)展起來的新的檢測方法，具有檢測效率高、圖像易存儲、數(shù)字化、容易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在工業(yè)無損檢測和醫(yī)療診斷領域具有廣泛而重要的應用價值[6-11]。本文通過推力室身部釬焊縫結構特點分析、X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)開發(fā)、檢測新工藝試驗、檢測結果分析等研究工作，實現(xiàn)推力室身部釬焊縫X射線數(shù)字化自動檢測，從而提高檢測能力與效率，并進一步提升液體火箭發(fā)動機產品質量與可靠性。

1 結構特點

1.1 推力室身部釬焊縫結構

1.1.1 波紋板釬焊縫

波紋板式釬焊結構為板式內、外壁中間夾波紋板的結構，經高溫釬焊成為產品，圖1為波紋板釬焊縫的結構示意圖。波紋板與內外壁焊前裝配間隙小，釬焊時對內腔抽真空，使內外壁發(fā)生高溫蠕變而向波紋板貼合，使波紋板小平面與內外壁的釬焊縫厚度為0.08 mm，并在兩側形成焊縫圓角，成型后的焊縫由釬料、基體的化學元素相互擴散后形成的連接接頭與焊縫圓角兩部分組成[12]。

圖1 波紋板釬焊結構Fig.1 Corrugated plate brazing structure

1.1.2 銑槽釬焊縫

銑槽式結構的內壁和外壁均為板式，內壁銑槽后與外壁進行釬焊。內外壁焊前裝配間隙小，釬焊時對內腔抽真空，外壁高溫蠕變向內壁筋肋小平面貼合，貼合緊密，其間隙僅有0.02 mm，肉眼觀察無明顯焊縫和焊角[12]，圖2為銑槽釬焊縫結構示意圖。

圖2 銑槽釬焊結構Fig.2 Milling groove brazing structure

1.2 推力室身部釬焊縫X射線檢測特點

待檢區(qū)域的X射線檢測靈敏度達到A級靈敏度要求時視為有效檢測，采用像質計靈敏度表示，即在不同透照厚度范圍上放置同種材料制成的不同直徑的細絲，當?shù)灼峡汕宄@示該絲徑且長度不小于10 mm時，則認為圖像質量滿足像質計靈敏度要求。X射線照相的相對靈敏度為

(1)

式中：TA為被檢部位的穿透厚度，mm；d為射線照片上可識別金屬絲最小直徑或焊角、小平面的厚度，mm。

將文獻[13]中金屬材料單壁透照時的像質要求數(shù)據(jù)、波紋板焊角d1=0.4 mm、波紋板小平面厚度d2=0.08 mm、銑槽段小平面厚度d3=0.02 mm代入公式(1)，可計算出推力室身部各部位X射線檢測相對靈敏度如表1所示。

表1 推力室身部各部位X射線檢測靈敏度

Tab.1 Sensitivity of X-ray detection for various parts of thrust chamber body

部位TA/mmA級靈敏度/%焊角靈敏度/%小平面靈敏度/%端頭5.52.97.31.5圓柱端4.52.88.91.8喉部5.02.58.01.6尾噴管3.52.911.42.3銑槽段7.52.7—0.3

由表1可知，釬焊身部各部位焊角的相對靈敏度遠大于A級像質計靈敏度，因此常規(guī)X射線膠片照相檢測時容易識別出焊角影像；但對于釬焊小平面，各部位的相對靈敏度均小于A級像質計靈敏度，常規(guī)X射線膠片照相檢測時，僅在釬焊料完全缺失存在流頭時才能檢出。對于銑槽釬焊結構，其0.3%的相對靈敏度，常規(guī)X射線膠片照相則很難檢出未釬著缺陷。

2 X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

強度均勻的射線束透照物體時，如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結構差異，這種缺陷或差異將改變物體對射線的衰減，使得不同部位穿透的射線強度不同。采用一定的成像物質檢測記錄透射射線的強度，對記錄的成像物質進行處理或識別后，即可觀測物體內部的缺陷和結構情況[14]。

射線數(shù)字成像采用探測器記錄射線，射線穿透工件后，探測器將光信號轉化為電信號，將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，在顯示器上呈現(xiàn)一定灰度值的圖像，根據(jù)圖像的明暗變化，來判定被檢產品的內部質量情況。在射線透照的同時可實時觀察到圖像，實時獲取被檢對象中缺陷的性質、尺寸、位置及分布等數(shù)據(jù)。探測器的寬容度高，調節(jié)范圍廣，一次透照后，通過圖像處理可以識別不同厚度的內部情況，而無需進行再次曝光[15]。射線數(shù)字成像檢測過程分為透照、信號探測與轉換、圖像顯示與評定3個基本階段[16]。

2.2 系統(tǒng)組成

推力室身部X射線數(shù)字成像自動檢測系統(tǒng)由X射線機、探測器、機器人、旋轉轉臺、機械系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、輻射防護裝置等組成。

X射線機采用可變焦點射線機，其焦點尺寸分別為0.25，0.30，0.5，0.8 mm；面陣探測器(將射線信號轉換為電信號的裝置)選用非晶硅面陣探測器，其像素尺寸為200 μm，有效成像面積為200 mm×200 mm。工業(yè)機器人采用6個自由度自由調節(jié)，并由全伺服控制機械運動，機器人控制面陣探測器沿工件外型面進行運動，射線源自動讀取機器人的高度進行同步，完成檢測程序示教后，由機器自動完成推力室身部X射線數(shù)字成像檢測。根據(jù)不同發(fā)動機型號的身部產品進行分類，每一類對應相應示教程序，檢測時只需根據(jù)被檢產品種類直接調用相對應的示教程序即可。

3 檢測試驗

3.1 透照分區(qū)試驗

推力室身部采用射線源在內單壁單影透照，如圖3所示。推力室身部按設計要求需要進行100%射線檢測，由于身部型面為連續(xù)曲面，不同高度方向存在多個厚度變化的特征區(qū)域，如端頭、圓柱段、收斂段、喉部、尾噴管、搭板等；因此需要綜合考慮產品結構特點、面陣探測器尺寸以及透照布置從高度方向和圓周方向分別進行檢測分區(qū)。

依據(jù)射線檢測標準，不同的焦點尺寸允許的放大范圍不同；隨著焦點尺寸的增加，最佳放大倍數(shù)變??；為獲得最佳的圖像質量，允許的幾何放大倍數(shù)變小。不同焦點尺寸下可達到的最佳圖像不清晰度如表2所示。

圖3 推力室身部X射線數(shù)字成像自動檢測系統(tǒng) Fig.3 Automatic X-ray digital imaging detection system for thrust chamber body

表2 不同焦點下最佳圖像不清晰度

身部的厚度范圍為3～5 mm，為驗證不同放大倍數(shù)對靈敏度的影響，采用3～5 mm鋼平板試驗件進行驗證，試驗結果表明在最佳放大倍數(shù)下的檢測靈敏度最高，如圖4所示從左到右的放大倍數(shù)分別為3.56，2.78，1.64，1.25，最佳放大倍數(shù)下，像質計靈敏度達到W19，高于標準B級要求的W17。在最佳放大倍數(shù)下可獲得最高的圖像分辨率，但由于空間位置影響部分位置無法滿足最佳放大倍數(shù)要求，只能選擇小焦點尺寸來改善檢測圖像質量[17]。

放大透照時，實際檢測面積與探測器的面積不能同等大小直接對應，需對身部進行分區(qū)試驗，通過放大倍數(shù)計算，粘貼搭接標識后進行分區(qū)驗證，經過多次優(yōu)化驗證，最終確定分區(qū)數(shù)量，如二級釬焊身部高度方向需分24個檢測分區(qū)，每個高度對應周向分不同的分區(qū)數(shù)，整個釬焊身部共分535個區(qū)，對應535張圖像。然后依據(jù)具體檢測分區(qū)對探測器機器人運動路徑進行一一規(guī)劃以及示教程序設定。

圖4 不同放大倍數(shù)下的像質計靈敏度 Fig.4 Sensitivity of image quality meter under different magnification times

3.2 檢測靈敏度試驗

檢測參數(shù)包括透照參數(shù)及散射線防護、探測器響應和壞像素校正等。采用射線膠片照相檢測時，高電壓會提高本底灰霧度，造成信噪比下降，檢測標準規(guī)定，滿足射線能穿透被檢產品的前提下，應盡量選擇低電壓，通過增加曝光時間來提高底片的信噪比[18]。實際檢測時，考慮檢測的效率，不能無限增加時間。標準規(guī)定了最小的曝光量及不同厚度下的最高電壓。

針對X射線數(shù)字成像檢測技術，相關標準仍然參照常規(guī)射線膠片照相對最高電壓進行了規(guī)定，并且又表示X射線數(shù)字成像可以突破最高電壓的限值，但不能偏離太大，具體偏離值不確定，因此需對透照電壓進行試驗驗證，表3為推力室身部在不同透照電壓下的檢測圖像結果分析，其中D7雙絲指的是標準中的第7號雙絲[19]。

試驗結果表明：對于射線數(shù)字成像檢測，適當?shù)靥岣咄刚针妷?，有利于提高檢測圖像的分辨率及信噪比。面陣探測器的固有不清晰度隨著透照電壓的增加基本不變，而透照電壓的增加對曝光量的影響則為指數(shù)關系，因此，適當?shù)靥岣唠妷?，可以大幅改善檢測圖像的信噪比。

表3 不同電壓下身部檢測圖像結果對比表

Tab.3 Comparison table of lower body detection image results under different voltages

編號灰度/%電壓/kVD7雙絲信號強度/%信噪比1438026.39742439330.658234310833.318244312034.289654313235.5110164314536.1595

數(shù)字圖像獲得過程中，圖像數(shù)字化采樣頻率、圖像位數(shù)直接決定圖像質量。如何設置采樣間隔與采樣位數(shù)取決于圖像與效率的平衡，采樣間隔決定了系統(tǒng)的實際檢測分辨率，采樣位數(shù)決定了實際檢測的對比度靈敏度。

系統(tǒng)采用16位、幀速30幀/s的面陣探測器，對推力室身部釬焊縫進行檢測對比試驗。不同采樣間隔獲得的圖像疊加效果如圖5所示，可見24次的疊加就可以獲得滿足檢測需求的圖像質量，超過24次后圖像質量提升較小，但是會導致采集時間、處理時間增加。

圖5 疊加次數(shù)對檢測圖像結果影響對比Fig.5 Comparison of influence of overlay times on results

4 檢測結果與分析

推力室身部型面為曲面，從理論上分析，檢測分區(qū)數(shù)量越多，影像變形越??；采用常規(guī)X射線膠片照相手工拍片工藝時，為了兼顧檢測效率與周期，分區(qū)數(shù)量受限，其影像變形比較明顯；采用數(shù)字成像自動檢測新工藝時，檢測分區(qū)數(shù)量是手工拍片的5倍，其影像幾乎看不出變形，如圖6所示。

圖6 兩種檢測工藝的圖像對比Fig.6 Image comparison of two detection processes

推力室釬焊身部存在3個典型的特征部位，分別為喉部、圓柱段端頭、尾噴管搭板。

采用常規(guī)X射線膠片照相檢測工藝時，喉部區(qū)域最大檢測靈敏度僅能識別出像質計14號絲，僅能達到國軍標規(guī)定的A級要求。改用新的檢測工藝即X射線數(shù)字成像檢測工藝，對于喉部同樣位置，可以識別出像質計16號絲，如圖7(a)所示，因此喉部檢測靈敏度得到提高。實際生產過程中，打壓鼓包的大部分產品是由于喉部未釬著造成的，因此提高喉部的檢測靈敏度對于推力室釬焊身部的檢測尤為重要。

對于圓柱段端頭部位，常規(guī)X射線膠片照相檢測工藝必須增加一次45°傾斜透視才能獲得波紋板端頭的結構影像，而改用射線數(shù)字成像檢測工藝后直接通過圖像窗寬窗位調節(jié)就可以使集液器下方的波紋板端頭清晰可見，如圖7(b)所示。

圖7 不同部位DR圖像Fig.7 DR image of the different parts

對于尾噴管搭板部位，在該部位經?？赡艹霈F(xiàn)焊料漫流或焊料堆積，常規(guī)X射線膠片照相檢測工藝對于焊料的漫流狀態(tài)、堆積厚度不能進行有效的評估，而采用X射線數(shù)字成像檢測工藝后，很容易識別出焊料的堆積程度，如圖8所示。

圖8 尾噴管搭板部位DR圖像Fig.8 DR image of strapping part of nozzle

5 結論

1)結合推力室釬焊身部X射線數(shù)字成像檢測系統(tǒng)與數(shù)字射線檢測工藝研究，能有效檢出釬焊身部釬焊縫2 mm×1.5 mm未釬著缺陷和φ0.5 mm冷卻通道堵塞，檢測靈敏度能達到國軍標A級要求，并且能清晰地識別出焊角、小平面以及釬焊料漫流狀態(tài)，滿足產品檢測要求。

2)相比于膠片照相手工拍片，數(shù)字成像自動檢測工藝直接省去了裁片、包片、洗片等多個繁雜環(huán)節(jié)，完成單臺釬焊身部檢測僅需3 h，檢測效率同比提升300%，大幅縮短了產品檢測周期，降低了人員勞動強度。

3)常規(guī)射線膠片照相手工拍片的各個環(huán)節(jié)均為人工手動操作，而數(shù)字成像檢測工藝則通過固定程序控制實現(xiàn)自動化檢測，因此在檢測一致性與差錯率方面明顯優(yōu)于手工拍片。