基于視差照相法的小直徑管焊縫內缺陷深度定位技術分析

只看該作者 · 2014-4-28 11:06:43

本帖最后由自由鳥/;f 于 2014-4-28 11:10 編輯

引言
某產品內小直徑管采用對接方式進行電子束焊接，對焊接質量提出了較高要求：在有效的焊接深度內不允許有超標氣孔。因此，對于普通的射線照相方法而言，在發現超標氣孔后無法給出缺陷的具體深度位置，也就不能判別焊縫是否合格。

采用3D-ICT方法，對小徑管焊縫進行檢測，可準確得到缺陷的大小及其分布狀態。但CT設備成本及檢測成本都比較高，如何利用常規無損檢測方法得到缺陷的深度信息是一個非常有價值的研究課題。為此，針對具體的檢測對象，不少學者進行了有針對性的研究，也取得了一定的進展[1,2,5]。本文針對小直徑管（外徑Φ8mm，內徑Φ4mm）焊縫內缺陷的深度定位實現方法進行分析，以充分利用常規照相方法解決問題。

1．缺陷深度定位方法分析
普通的射線照相方法是將三維物體投影到二維平面內，因此，缺陷在透照方向上的位置信息是無法獲取的，只能得到投影面上的二維尺寸。為了檢測缺陷的埋藏深度，需要利用視差照相法，主要包括平移法和旋轉法。

近年來，數字化射線檢測技術獲得了更多的應用，這使視差法用于缺陷深度定位變得更加簡便。在數字化射線探測器中，CMOS線陣列掃描探測器具有成像精度高（像素間距0.08mm）、結構適用性強的優點，已成功應用于焊縫的內部質量檢測。

1.1平移法
平移法用于缺陷深度定位,其原理主要為相似三角形，如圖1所示。以往應用平移法時，大多需要準確測量出射線源到探測器的距離、探測器與檢測物體間的距離[3]，而這些參數難以得到真實值，這很大程度影響到缺陷深度計算數值的準確性。利用設置標記方法可避免上述參數測量不準確所帶來的不利影響[4]。

保持檢測物體與探測器位置不同，將射線源從位置1（P0）上升到位置2（P1），射線管移動距離為hs。物體內部有兩個間距為Δd的相鄰缺陷。射線源到缺陷位置的距離為FOD，缺陷影像放大倍數為K-1。
移動射線源后，缺陷d1、d2的影像位移為Hd1、Hd2：
Hd1=hs*(FOD*(K-1)-Δd)/(FOD+Δd)                                  （1）
   Hd2=hs*(k-1)                                                    （2）
相鄰缺陷由于位置的差異，而使移動射線源后所產生的影像偏移不同，其間的差值為：
ΔHd=Hd2-Hd1=hs*K*Δd/(FOD+Δd)                                  （3）
不難證明，對于間隔相等的缺陷（如d3、d4），射線源從位置1上升到位置2得到缺陷影像位移差是相等的(與d1、d2)。因此，在檢測物體表面設置兩個標記用于確定缺陷深度位置是可行的。
應用平移法時，FOD與K值保持恒定。為使平移法取得較好的檢測定量結果與精度，需要合理設定檢測參數，以使缺陷影像足夠清晰，可得到較高的定量精度，且不同位置的缺陷影像區分明顯。
將公式（3）進行變換，可得到
               hs=npx*0.08*(1+FOD/Δd)/K                            （4）
npx代表像素個數。
可據公式（4）計算出合適的透照參數。假設Δd=0.2mm間隔的缺陷經平移法后需要產生5個像素的影像偏移，射線源移動距離不能超過40mm，射線源到檢測物體距離不能小于100mm，射線源到探測器距離不能超過1000mm，且要求缺陷位置(Δd)與影像位移(npx)間具有線性關系（FOD/Δdmax>>1），計算出可用的透照參數如圖2所示。

1.2旋轉法
以往利用旋轉法測缺陷深度時，需要測量出射線源到探測器的距離參數、旋轉中心距探測器距離[1,5]，而這些參數的測量不準確造成了計算結果偏差。
由于管子為回轉體結構，使用旋轉方法確定缺陷的深度位置似乎更加簡便。在發現缺陷投影位于管徑中心位置處再旋轉90度即可確定出缺陷的埋藏深度。但事實上，缺陷影像在旋轉一定角度后往往變得不清晰，難以準確識別。如埋藏深度為1.8mm的一個圓形氣孔，在不同角度下的影像如圖3所示，當缺陷影像位于邊緣時，其可識別性較差(圖4)。

如果管子繞中心旋轉一周，則其內部缺陷中心與管徑中心的距離將會以余弦曲線形式分布（圖5）。在缺陷中心與管徑中心基本一致的位置，將取得最清晰的射線影像。為使缺陷影像足夠清晰，旋轉角度應使缺陷投影在管徑中心附近。
如果從缺陷投影在管徑中心的位置起旋轉較小角度(如±15。)，則余弦曲線的一段將近似為直線。據此直線的斜率可得到缺陷的深度位置。

如果要求計算結果具有足夠的精度，則應使圖像中缺陷影像位移所對應的像素數足夠大；還應設置標記，以使圖像中缺陷影像位移轉化為實際長度單位。
2．試驗結果
2.1 平移法
通過計算得到，采用CMOS射線線陣探測器，hs=20mm，FOD=101mm,K=9.9時，可使間距Δd=0.2mm的缺陷在射線平移后的影像偏差達到5個像素。

檢測結果表明，由于投影時深度位置的差異導致了射線偏移后缺陷或標記的影像位移差值的不同。圖6b中三個圓形自上到下分別為靠近靠近探測器側標記、內部氣孔缺陷、射線源側標記影像，其大小均為Ф0.3mm；為簡化分析，保持標記與缺陷的高度一致。

通過軟件測量得到標記影像的縱坐標為395.9、584.4，而缺陷影像縱坐標為441.7。由線性關系不難算出，氣孔距管徑中心的距離為2.13mm，與真實值非常接近。改變缺陷的位置，距中心從2.25mm以0.25mm間隔增加到3.75mm，計算出相應的缺陷影像位移如圖7所示。

2.2 旋轉法
為使缺陷影像足夠清晰，在應用旋轉法時也采用投影放大技術，FOD=101mm,K=9.9。在旋轉15度后，獲取的檢測圖像如圖8所示，中間的圓形為氣孔缺陷的透照圖像。

兩個標記影像的橫坐標分別為484.7、750.5，氣孔的橫坐標為545.6，管徑中心的橫坐標為618。因此，旋轉角度后兩標記影像的橫坐標與管徑中心偏差分別為133.3、132.5,而氣孔影像的橫坐標與管徑中心偏差值為72.4。根據線性關系，可得到氣孔中心距管徑中心的距離為4.15*72.4/133=2.26，與真實值非常接近。

結論
1.       利用視差法可一定程度解決缺陷埋藏深度定位的難題。
2.       針對小徑管對接焊縫內部氣孔類缺陷的深度定位難題，提出了設置合適的標記，利用直線關系進行計算的解決方法。比較而言，旋轉法的應用更加簡便、準確。
3.       使用微焦點射線源，借助射線投影放大技術可取得較好的缺陷深度定位精度。

參考文獻
1．       Bikash Ghose, D.K. Kankane, Estimation of location of defects in propellant grain by X-ray radiography[J], NDT&E International 41 (2008):125–128
2．       石端虎，剛鐵，楊根喜等，工字形激光焊件中批量缺陷定位數據的自動提取[J]，焊接學報，2009年10月: 49-52
3．       美國無損檢測學會編，美國無損檢測手冊——射線卷[M]，北京：世界圖書出版公司，1992年7月
4．       C. Sun, G. Tang, Z. Wang，Realization and application of simulation technology in Direct Radiography[C]，CD-Proceedings of 17th World Conference on Nondestructive Testing.25-28 Oct 2008, Shanghai, China
5．       楊飛，X射線數字成像中的缺陷定位檢測技術研究[D]，華北工學院碩士學位論文，2003年3月

回復后，可以下載論文word版哦~

游客，如果您要查看本帖隱藏內容請回復