分享：运载火箭筒体纵缝DR检测系统的研制及应用

我国近年来连续完成了以载人航天、空间站建设、新一代运载火箭、探月探火、卫星导航为代表的一系列重大工程任务。运载火箭作为最重要的航天运输工具,由箭体结构、增压输送系统及飞行控制系统组成,其中箭体结构主要包括氧化剂和燃料剂贮箱等部件,增压输送系统主要包括导管和气瓶等部件[1-2]。 

贮箱及导管产品中包括大量筒形焊接成形件,例如筒段、主导管、波纹管等,其利用单张或多张板材辊弯后通过熔焊或搅拌摩擦焊工艺拼焊成形,主要焊缝结构形式为纵缝。受环境条件和焊接工艺等因素的影响,在焊接过程中,焊缝内部不可避免地会出现各种类型的缺陷,如熔焊中易出现气孔、夹杂、未熔合、未焊透、裂纹等缺陷,搅拌摩擦焊中易出现孔洞、未焊透、隧道孔、弱结合、夹杂等缺陷,且具有紧贴细微、取向复杂等特点[3]。为确保产品质量满足严苛的工作环境要求,须对所有拼焊后的Ⅰ级、Ⅱ级焊缝进行100%X射线检测,目前筒体类纵缝仍大量采用人工胶片射线照相技术,存在工序繁琐、效率低、环保性差、底片储存查难等系列问题。 

随着高性能辐射探测器进入高速迭代发展的新时期,部分特殊结构（长条形、曲面）辐射探测器在工业无损检测领域的应用正逐步拓展,为小直径筒形结构产品的射线数字成像单壁透照提供了有效解决方案。NASA（美国航空航天局）、ESA（欧洲航天局）等组织已经把自动化、数字化、智能化程度更高的射线数字成像（DR）检测技术广泛应用于贮箱、异形导管焊缝的高效检测,研制了一系列定制化的检测装备,相关标准体系完备健全,具有成熟的工程应用经验[4-7]。国内目前DR检测技术处于高速发展阶段,先后颁布了导则类标准GB/T 35389—2017《无损检测 X射线数字成像检测 导则》、设备器材类标准GB/T 35394—2017《无损检测 X射线数字成像检测 系统特性》、通用检测方法类标准GB/T 35388—2017《无损检测 X射线数字成像检测 检测方法》及焊缝检测方法标准GB/T 3323.3—2019《焊缝无损检测 射线检测 第2部分：使用数字化探测器的X和伽玛射线技术》,初步构建了DR检测标准体系,同时部分企业单位开展了大量相关检测技术及装备的研究工作,但在射线数字成像检测装备普适性、功能性、自动化程度等方面的研究有待深入,核心部件射线源、探测器的稳定性和可靠性与国际先进水平相比仍存在一定差距[8-12]。 

文章以运载火箭箭体结构筒段、动力系统主导管、波纹管等板材辊弯拼焊筒形焊接结构为对象,提出了自动化检测系统的设计要求,确定了系统相关部件的参数选型,设计研制了一套适用于多品种、多规格筒形焊接件的DR检测系统,并利用DR检测系统开展了产品应用验证试验,试验结果表明,系统功能及性能满足实际使用需求,实现了运载火箭薄壁筒体类焊缝的快速高效自动化检测。 

1.   系统设计

薄壁筒体焊缝射线数字成像检测系统由射线成像系统、机械结构系统、电气控制系统、图像采集及处理系统,以及相关附件组成。 

1.1   透照技术设计

根据透照布置最优化原则,单壁透照理论上具有最高的检测灵敏度,射线束与工件垂直透照有利于绝大部分缺陷的检出。由于部分工件最小直径较小,采用射线源在内透照时,源与产品内表面的距离很小,在一定的放大倍数下焦距也较小,导致图像的几何不清晰度较大,因此此系统拟采用射线源在外,探测器在内的单壁透照方式,其结构示意如图1所示。 

图  1  透照布置结构示意

1.2   射线成像系统设计

射线成像系统由X射线源、平板探测器组成。探测器负责接收X射线并最终转换成数字图像,X射线源、平板探测器的性能水平直接决定了系统的缺陷检测能力。为了满足薄壁筒体纵缝的检测图像质量要求,依据GB/T 3323.2—2019中A级技术等级的规定开展射线成像系统设计,图像应达到的技术指标如表1所示。 

平板探测器的性能决定了系统可分辨最小细节的能力[8],其技术指标包括像素尺寸、量化位数、帧速等。平板探测器应至少达到以下要求。 

（1） 像素尺寸的选择。图像空间分辨率最高应可识别双丝D10号线对（即100 μm）,因此探测器的像素尺寸应不大于100 μm。 

（2） 外形尺寸的选择。系统采用射线源在外、探测器在内的单壁透照方式,工件最小直径为230 mm,为满足探测器进入小直径筒体的要求,探测器外形尺寸应不大于180 mm,同时长度方向尺寸宜尽量较大,以提高一次成像范围和检测效率。 

X射线源的性能决定了系统可识别最小厚度差的能力,其技术指标包括管电压、管电流、焦点尺寸等。X射线源应至少达到以下要求。 

（1） 焦点尺寸的选择。当射线源的焦点尺寸较小时,可通过一定的放大倍数获得更高空间分辨率的图像,以提高图像中缺陷的细节显示能力,因此其焦点尺寸应不大于0.2 mm。 

（2） 管电压的选择。检测系统使用的材料与厚度范围决定了X射线源的能量,因此X射线源的最高管电压应不低于160 kV。 

（3） 管电流的选择。曝光量是保证检测图像信噪比的基本要素,受管电流和积分时间的共同影响,X射线源的最高管电流应不低于2 mA。 

1.3   机械结构设计

机械结构系统由七自由度悬臂检测组件、电动平车、旋转工作台组成。检测纵缝时,机械结构系统应始终与射线源和探测器同步升降,且射线源出束方向与探测器平面垂直。机械结构系统应至少具有焦距调节、工件旋转、同步升降等功能,包括Rz、C轴、x1、x2、z1、z2、z3、z4,其结构如图2所示,各运动轴的功能及技术指标如下。 

图  2  机械结构运动轴示意

（1） x1、x2轴：悬臂沿横梁方向横向运动,可调节射线源与工件、探测器与工件的水平距离,有效行程不低于2 000 mm。 

（2） Rz轴：悬臂沿工件垂直方向旋转,可调节射线源、探测器与焊缝的径向相对位置。 

（3） C轴：工作平台沿工件垂直方向旋转,可实现多条纵缝、多个产品的切换,满足8个导管类工件的自动化检测。 

（4） z1、z2轴：射线源悬臂一、二级升降,可调节射线源垂直方向的高度,总行程大于2 100 mm。 

（5） z3、z4轴：探测器悬臂一、二级升降,可调节探测器垂直方向的高度,总行程大于2 100 mm。 

（6） 机械运动轴重复定位精度优于±0.1 mm,旋转轴重复定位精度优于±0.05°。 

1.4   电气控制设计

电气控制系统负责协调机械结构系统、射线成像系统、图像采集处理软件的工作,以实现射线数字成像检测工艺,并实现人机交互与信息传输,电气控制系统框图如图3所示,电气控制系统可实现如下功能。 

图  3  电气控制系统框图

（1） 可采集各子系统的状态信息,包括实时位置、安全状态、限位等。 

（2） 可通过手轮、控制软件驱动射线源、探测器按照轨迹执行运动指令,并进行编程示教,保存工件的自动化检测程序。 

（3） 可实现与图像采集及处理软件的通信,实现运动机构与图像采集软件的协同控制,完成工件的自动化检测流程。 

1.5   图像采集及处理软件设计

图像采集及处理软件需满足射线成像检测过程的图像采集、显示、存储、处理、测量、分析等基本功能,其软件界面如图4所示。其他功能需求如下。 

图  4  图像采集及处理软件界面

（1） 工艺示教功能：可采集各运动轴的实时位置,并进行编程示教,最终输出为G代码程序。 

（2） 图像校正功能：支持暗场、增益、坏像素图像校正。 

（3） 图像计量功能：支持归一化信噪比、空间分辨率、对比度噪声比等图像质量技术指标的计量。 

（4） 自动命名：支持多级文件夹、图像的自动命名及水印生成。 

2.   检测工件与系统

2.1   检测工件

检测工件为某运载火箭型号筒段、主导管、波纹管,其实物如图5所示,被检对象尺寸规格如表2所示。 

图  5  检测工件实物

2.2   检测系统

检测设备为上海航天精密机械研究所自主研制的型号为WDR-225的射线数字成像检测系统,其实物如图6所示,系统的核心部件技术指标如下。 

图  6  薄壁筒体焊缝射线数字成像检测系统实物

（1） X射线源：管电压为225 kV,管电流为2 mA,焦点尺寸分别为50,130,200 μm,辐射角度为40°×40°。 

（2） 平板探测器：有效成像区域为（长×宽）97 mm×233 mm,A/D转换位数为16 bit,像素尺寸为76 μm,像素矩阵为1 280×3 072。 

（3） 机械运动系统：x轴有效行程为2 100 mm,可实现最大焦距为1 500 mm,z轴有效行程为2 200 mm,最多支持8个工件的安装放置,满足直径为230~3 800 mm工件的自动化检测要求。 

3.   试验与分析

3.1   成像检测系统基本性能试验

成像检测系统基本性能参数包括空间分辨率和归一化信噪比,决定于平板探测器系统本身的结构与特性,同时受射线束谱及剂量影响。本节对成像检测系统的基本空间分辨率、归一化信噪比进行测试,焦距为1 000 mm,采集帧数为32帧,积分时间为300 ms,曝光参数如表3所示,系统基本性能测试结果结果如图7所示。 

图  7  系统基本性能测试结果分析

通过自研软件在图像的中间区域获取线宽度为21个像素的调制度传递函数曲线,依据式（1）计算得到系统的基本空间分辨率为95.5 μm（纵/横向空间分辨率平均值）。 

式中：SRb为系统基本空间分辨率；D1为第一个深度大于20%线对的线径；D2为第二个深度小于20%线对的线径；R1为第一个深度大于20%线对的深度；R2为第二个深度小于20%线对的深度。 

通过选择5个50×50像素区域（四角及中心区域）,根据式（2）、（3）分别计算成像检测系统图像的信噪比和归一化信噪比,得到系统的归一化信噪比为703。 

式中：SNR为信噪比；GV为区域平均灰度（下角数字表示各区域）；σ为区域标准偏差；SNRN为归一化信噪比。 

3.2   典型产品应用

3.2.1   自动化检测程序设计

通过G代码指令控制各系统的逻辑时序,实现系统各组件功能的调用,以完成整个检测过程,设计的检测流程机械运动逻辑如图8所示。 

图  8  检测流程的机械运动逻辑

伺服控制系统是检测系统自动化运行的核心部件,根据不同筒体的检测工艺,设计了自动化检测控制程序。典型产品的自动运行界面如图9所示。 

图  9  产品的自动运行界面示例

图像采集及处理软件通过ADS通信协议实现与伺服控制系统的信号交互,在自动保存模块设置文件的保存路径、命名规则,使图像在自动采集模式下按照设定好的规则有序存储。自动保存模块界面如图10所示。 

图  10  自动保存模块界面

3.2.2   试验参数

采用该系统对筒段、主导管等产品进行了应用测试,综合考虑检测效率及图像质量后,进行透照参数的设置,具体如下：焦距为1 000 mm,一次透照长度为150 mm,几何放大倍数为1.25倍。通过优化的检测工艺对检测图像的质量指标进行了分析,典型工件的曝光参数如表4所示。 

3.2.3   筒段测试结果

某型号筒段高度为1 400 mm,焊缝数量为4条,采用自研系统对焊缝进行自动化检测,结果如图11所示。采集的图像总数量为40张,综合检测效率较胶片法提升6倍。成像结果表明,在一定的放大倍数下,DR图像噪声控制明显优于胶片法的,由于DR图像可根据灰度分布调节部分感兴趣区域至合适的窗宽窗位,获得更好的缺陷显示对比度,因此显示的隧道孔缺陷轮廓及形貌特征更加清晰。 

图  11  筒段检测结果

筒段检测图像的对比结果如表5所示,可知系统检测6 mm筒段产品的检测图像对比灵敏度为W16,相对胶片照相法的提升一个线对,图像的对比灵敏度、空间分辨率和归一化信噪比均优于A级技术条件。 

3.2.4   导管焊缝测试结果

某型号导管高度为1 000 mm,焊缝数量为1条,采用自研系统对其进行自动化检测,结果如图12所示。采集的图像总数量为7张,综合检测效率较胶片法效率提升5倍。根据成像结果得到线形缺陷的延伸方向一致,DR结果的信噪比明显优于胶片的,对裂纹、未熔合等缺陷的细小特征显示更加清晰,缺陷边界轮廓对比度更优。同时,DR图像具有很宽的动态范围,适用于黑/灰度差异较大的感兴趣区域。 

图  12  导管检测结果

导管检测图像的对比结果如表6所示,可知系统检测导管产品的检测图像对比灵敏度为W17,相对胶片照相法结果提升一个线对,检测图像的对比灵敏度、空间分辨率和归一化信噪比均优于A级技术条件。 

4.   结论

文章以运载火箭薄壁筒体焊缝为应用对象,通过自主研制DR检测系统,实现筒段、主导管、波纹管等焊缝的数字化、自动化检测,主要结论如下。 

（1） 根据检测工件、检测标准等要求开展透照技术、成像检测系统、机械结构、电气控制、采集软件的设计,确定了系统的设计方案及技术指标。 

（2） 设计研制了薄壁筒体焊缝DR检测系统,经性能验证,该系统满足应用对象的检测技术要求,能实现自动化检测,检测效率可提升5倍以上。 

（3） 对典型产品进行了应用测试,图像质量均满足A级技术条件要求,对比灵敏度优于胶片照相法的,缺陷形貌特征与胶片法的基本一致,具备工程化应用条件。

文章来源——材料与测试网