04典型工件的射线照相检验技术1.docx

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04典型工件的射线照相检验技术1

第4章典型工件的射线照相检验技术

本章将运用第三章给出的技术讨论一些有代表性的工件的射线照相检验技术。

4.1铸件射线照相检验技术

4.1.1铸件射线照相检验常用技术

铸件射线照相检验时，经常遇到的主要问题之一是处理变截面工件透照技术。

也就是，在一次透照区中将包含不同的透照厚度。

这种情况，一般称为变截面工件射线照相检验技术。

处理这种问题的常用技术主要是：

双（多）胶片技术、适当提高透照电压（X射线）、补偿方法等。

当然，厚度的变化范围必须限制在适当的范围之内。

1．双胶片技术

双胶片技术是在同一暗盒中放置两张感光度不同或感光度相同的胶片同时透照的技术。

当采用两张感光度不同的胶片时，感光度较高的胶片应适于工件厚度较大部分的透照，感光度较低的胶片应适于工件厚度较小部分的透照。

当采用两张感光度相同的胶片时，单张胶片观察时评定厚度小的区域，两张胶片叠加观察时评定厚度大的区域。

图4-1双胶片

技术选取胶片方法

如果工件截面厚度变化不是太大，特别是主要由两个厚度组成时，则可以采用双胶片技术进行透照。

对采用两张感光度不同胶片的双胶片技术，应解决的问题是选用胶片。

简单地说，选用方法是利用曝光曲线和胶片的感光特性曲线。

从曝光曲线确定应使用的一种胶片和对应的厚度，并从曝光曲线确定两厚度的曝光量比，利用此比和胶片感光特性曲线确定应使用的另一种胶片。

选取方法可参照图4-1进行。

对采用两张感光度相同胶片的双胶片技术，应注意的是底片的黑度。

在目前的多数标准中，均限定双片迭加观察区的黑度，该区单片的黑度不能低于标准规定的下限值。

不同标准限定值可能不同，主要的下限限定值有：

ASTME1742—00：

D≥1.0；

EN444:

1994：

D≥1.3；

ISO5579:

1998：

D≥1.3；

GJB1187A—2001：

D≥1.2.

2．适当提高透照电压技术

对截面厚度变化比较小，特别是截面厚度是连续变化时，可采用适当提高透照电压技术进行透照。

从曝光曲线可以看出，不同透照电压的曝光曲线其厚度宽容度不同。

标准中规定的允许的底片黑度范围，相当于规定了允许的曝光量范围，这个范围对曝光曲线中不同的透照电压对应的厚度差范围不同。

从曝光曲线中可以看到，较高的透照电压对应的厚度差范围较大，也即厚度宽容度较大。

因此，当采用不同的透照电压进行透照时，最大透照厚度与最小透照厚度之间的黑度差将不同。

较大的透照电压得到的黑度差较小，较小透照电压得到的黑度差较大。

这样，对规定的黑度范围，采用较高的透照电压透照，就可以覆盖更大的厚度差范围。

应注意的是，这肯定降低了射线照相对比度。

适当提高透照电压技术，是处理在一次透照区中厚度连续变化较大问题经常采用的技术。

3．补偿技术

对截面厚度变化大或异形工件采用补偿技术进行透照是比较有效的方法。

补偿是采用与被透照工件对射线吸收性质相同或相近的材料，制成的补偿块、补偿粉、补偿液等，对工件的不同厚度部分进行填补，使工件的透照厚度转化为同样的厚度，这样，就可以按照厚度均匀的工件进行透照。

使用时主要应注意补偿物体中应不含有影响评定或可能造成误判的缺陷。

*4.1.2发动机叶片射线照相检验技术

叶片是压气机或涡轮的重要零件，它在气流通道内实现气流动能转换与改变气流方向。

叶片分为转子叶片（动叶）和静子叶片（静叶、整流叶片、导向叶片）两类，它基本由叶身和叶根（榫头）两部分组成。

叶身具有一定的叶型，工作时处于气流通道内，通常可简单地分为进气边和排气边。

叶根是叶片的安装部分，它与压气机盘或涡轮盘的榫槽牢固连接。

图4-2空心涡轮

叶片外形示意图

叶片是现代航空发动机的重要零件，它的破坏会导致机毁人亡。

因此，对叶片的质量要求十分严格。

下面以空心涡轮叶片为例讨论叶片的射线照相检验技术问题。

图4-2是某一空心涡轮叶片的外形示意图，图4-3是它的截面形状，图4-4是该空心涡轮叶片内部主要结构图。

空心涡轮叶片采用熔模铸造方法制造，铸造时空心涡轮叶片的孔道用预制的陶瓷型芯成型。

图4-3空心涡轮叶片截面（CT图像）图4-4空心涡轮叶片内部结构

空心涡轮叶片可能存在的铸造缺陷主要有气孔、夹杂、疏松、裂纹及冷隔等。

此外，由于型芯偏移可能引起壁厚不均匀；型芯断裂可使孔道内形成金属阻隔；由于除芯不彻底在孔道内会留有残余陶瓷型芯等。

为了保证空心涡轮叶片的质量，对空心涡轮叶片的检验不仅是对铸造缺陷的检验，还需要对孔道内的多余物的检验和叶片壁厚的测量。

从图4-3和图4-4可以看出，空心涡轮叶片的射线照相检验问题，显然是一个变截面射线照相检验问题。

由于空心涡轮叶片的壁厚常为0.5～1.0mm左右，且叶片型面复杂，造成厚度变化较大，因此，不能简单地采用双胶片技术和适当提高透照电压等一般的变截面射线照相检验技术处理，必须采取一些进一步的技术措施。

仅从一般射线照相检验技术考虑，最主要的是正确划分透照区、正确确定透照电压、选取适宜的胶片等。

此外，必须考虑的是一次透照多个叶片的工艺技术问题。

以变截面射线照相检验技术为处理的基点，将整个叶片划分为三个透照区，即叶根区、进气边区、排气边区。

这样一来，每个透照区的厚度就都控制在了一个适当的范围，也就是可以按变截面射线照相检验技术处理的一个范围。

按照射线照相检验的一般理论，确定透照电压的透照厚度应选在透照厚度范围的中等偏厚厚度。

以此厚度按曝光曲线确定所需的透照电压等透照参数，从理论上它可较好地保证透照区的底片黑度处于规定的范围。

考虑到叶片是重要的关键零件，为了保证检验质量，应选用细颗粒胶片。

它既可以得到较高对比度的影像，又具有适当的宽容度。

由于叶片本身的特点，不宜采用中颗粒的胶片，中颗粒胶片的射线照相检验技术，难于保证检验质量，也较难达到国家军标的要求。

在实际的空心涡轮叶片射线照相检验中，一次常需透照多个叶片，在射线照相检验工艺上必须考虑这时常出现的问题。

较好的处理方法是设计适当的工装，使每个叶片的透照区平面都处于与入射射线束相垂直的状况。

否则，一次只能透照较少的叶片，有效透照区内射线束锥的半角应控制在10°以内。

在进行透照布置时，应注意使叶片透照区主要平面或曲面的切平面与胶片面平行并贴近，射线束尽可能与胶片平面垂直。

图4-5叶片残芯的图像

图4-5是某叶片中存在夹杂物的射线照相检验图片，对较小尺寸的残余型芯应采用热中子射线照相检验技术检验。

叶片壁厚测量经常使用的方法是超声测厚和射线CT技术测厚。

考虑到叶片的多样性，上述关于空心涡轮叶片的透照分区只适用于与其类似的叶片，而对于其他类型的叶片，区域的划分应根据叶片的结构及相关的技术条件加以确定。

如有的叶片要对锁板进行检验，对带有叶冠的叶片，还应对叶冠进行检验等。

*4.1.3笼型转子射线照相检验技术

笼型转子的主要结构包括两部分，一部分是由一定形状的硅钢片叠合成的基本结构，另一部分是在硅钢片的孔中浇铸的导体，即笼型条。

笼型条可能是直圆柱，也可能是具有一定倾斜的其他形状。

图4-6画出的是直圆柱形笼型条笼型转子送检时的基本结构示意图，图中带有斜线部分即是笼型条。

图4-7是笼型条具有倾角的笼型转子基本结构的射线照相图像。

笼型转子的射线照相检验是检验铸造笼型条的铸造质量。

笼型转子射线照相检验需要处理的主要技术问题是，一次检验多个笼型转子时设计有效透照区。

图4-8给出的是同种规格笼型转子的射线照相图像，图a是处于平面透照区中心位置的笼型转子图像，图b是处于偏离中心一定距离位置的笼型转子图像。

显然，图b中笼型条已出现严重变形的图像。

图4-6笼型转子基本结构示意图图4-7其他结构的笼型转子

a）b）

图4-8笼型转子射线照相检验图像

解决笼型条图像严重变形的最好方法，显然是设计合适的工装，使透照区中每个笼型转子都处于射线束垂直入射到笼型转子的中心这种状态，同时，正确选用焦距，使焦距与笼型转子的半径之比为一个很大的值，从而使笼型条高度的投影与笼型条直径之比很小，得到如图4-8a所给出的图像。

笼型条中可能出现的主要缺陷是缩孔和气孔。

应注意的是由于笼型条的特定形状和较小的尺寸，这时的缩孔并不显示为一般铸件的缩孔形貌，而是常常显示为一般铸件的小片状夹渣形貌。

当不考虑设计工装时，则应根据选用的焦距和设定的笼型条变形值（即笼型条高度投影值与笼型条直径之比）限定有效透照区，以保证得到的笼型条图像能够有效地用于评定笼型条的铸造质量。

在条件具备时，采用扫描射线照相检验技术进行笼型转子的射线照相检验，应是更好的射线照相检验技术。

*4.1.4固体火箭发动机药柱质量的射线照相检验技术

固体火箭发动机的主要结构如图4-9所示。

推进剂药柱一般是通过液体状态的推进剂浇铸、固化成形制成。

固体火箭发动机的质量检验，主要包括推进剂药柱质量、包覆层与药柱的粘结质量、包覆层与绝热层的粘结质量、绝热层与外壳的粘结质量等。

本节仅讨论推进剂药柱质量的射线照相检验技术。

推进剂药柱可能存在的主要缺陷是孔洞、裂纹、夹杂物，当这些缺陷大到一定尺寸时，将改变推进剂的燃烧速度和方向，可导致壳体烧穿，甚至造成爆炸。

因此，必须保证推进剂药柱的质量。

从图4-9可以看出，推进剂药柱的射线照相检验技术，是一个特殊的变截面射线照相检验问题。

图4-10给出了其截面厚度变化的基本特点（详细的讨论见小直径管对接接头一节的叙述）。

显然，进行射线照相检验时，射线束必须穿过外壳的金属层和药柱外面的包覆层和绝热层。

也就是，考虑透照参数时需要涉及非药柱部分。

这种情况决定了对固体火箭发动机药柱进行射线照相检验技术时，应注意的主要问题是透照厚度确定、焦距选取、透照次数。

图4-9固体火箭发动机结构示意图图4-10固体火箭发动机截面厚度

1—外壳2—包覆层和绝热层3—推进剂（药柱）

显然，在确定透照厚度时，首先应利用材料的射线透照厚度等效系数对不同材料进行厚度转换，另外，应从透照次数确定一次透照的厚度范围T1～T2，然后，类似于发动机叶片的讨论，按下式确定选取透照能量的厚度

为了使透照区内的透照厚度变化小一些，一次能够透照较大的区域，一般应选用较大的焦距。

而且，也只有在较大的焦距下，才有利于使透照区内的透照厚度都趋于较小的值。

一般，一个圆截面都需要相隔90°的二次透照，才能基本保证整个圆截面区都受到检验。

严格地说，由于透照厚度的变化，二次透照后，还会有较小的局部区处于非有效透照区，因此，当有怀疑时，或者要求加严时，应进行更多次的透照。

图4-11环焊缝的周向透照布置

1—射线源2—焊缝3—胶片

4.2熔焊接头射线照相检验技术

4.2.1环形对接接头射线照相检验技术

1．环焊缝透照布置

环形对接接头常简称为环焊缝，它一般是指直径较大的管件、筒件、容器等的圆周焊缝。

按照工件直径、壁厚大小的不同和结构的特点，可以采用不同的方法进行透照。

概括起来环焊缝的透照布置可分为：

1）射线源在中心单壁透照方法（周向透照，如图4-11所示）；

2）射线源在内单壁透照方法（偏心透照，如图4-12）；

a）b）

图4-12环焊缝的偏心透照布置

a）F＜rb）F＞r

3）射线源在外单壁透照方法（单壁单影，如图4-13）；

4）射线源在外双壁透照方法（双壁单影，见图4-14）。

图4-13射线源在外单壁透照布置图4-14射线源在外双壁透照布置

在周向透照布置时，显然，透照厚度比在一周焊缝上都是1，因此，对环焊缝透照时，只要可能首先应选用周向透照布置。

偏心透照是射线源不放置在环焊缝中心单壁透照的方法。

环焊缝的另外可采用的透照布置是射线源在外的单壁单影（像）透照布置。

透照布置时，射线源置于焊缝的中心线上，中心射线束垂直指向被透照焊缝区中心。

在这种透照布置中，胶片暗盒背面必须放置铅板，以屏蔽来自工件内壁其他部分的散射线。

当环焊缝不可能采用单壁透照布置时，可采用射线源在外双壁透照布置。

这时候，射线源应偏离焊缝中心线一段距离，以保证源侧焊缝的影像不与透照焊缝的影像重叠，并具有适当的间距。

一般偏移的距离应控制在源侧焊缝的影像刚刚移出被透照焊缝热影响区影像的边缘。

2．透照厚度比与横向裂纹检验角

环焊缝的各种透照布置的透照厚度比与横向裂纹检验角可按图4-15讨论。

如图4-15所示，在环焊缝的各种透照布置中，不同射线束的透照厚度比与所形成的横向裂纹检验角，决定于该射线束与环焊缝中心的距离，它们的具体关系可如下给出。

按图中所给的符号，设AB为任一射线束，它与环焊缝中心的距离为x，对x＜r情况则有

图4-15环焊缝的透照厚度比与横向裂纹检验角

进行下列代换

r＝R-T，D＝2R，k＝T′/T

整理，则可得到

这样最后得到

（4-1）

从透照厚度比的这个表示式可以证明，随着x值的增大透照厚度比也将增大。

因而，对内透法和外透法，总存在某个x值，即某个照射角，使透照厚度比（与横向裂纹检验角）达到限定的最大值。

透照厚度比与横向裂纹检验角的关系可如下建立。

在ΔAOE中，按余弦定理

r2＝R2＋

-2RT'cosβ

所以

用k、T、D代换有关的量，进行整理，得到

（4-2）

此式指出，横向裂纹检验角与透照厚度比对于给定的环焊缝是一一对应的，即只要一个量确定，另一个量也就确定。

有时候会认为，对射线源在内偏心单壁透照中焦距小于内半径的透照布置，按上述的讨论将产生漏检区，即在图4-12a中在壁厚中的小三角形区。

实际上，对工程应用来说，由于胶片搭接区都要超过理论值较多，会消除可能出现的图中三角区。

另外，所画的图的比例关系不同于真的工件，显示的是一夸大的结果。

因此，用这些给出的关系处理实际问题，并不会产生可能造成危害的漏检问题。

3．有效透照长度、横向裂纹检验角与照射角和焦距的关系

按图4-15所示，应有

x＝Rsinβ

另一方面，x值由照射角和焦距决定，给出各种透照布置中x值与照射角和焦距的关系，则可建立横向裂纹检验角与照射角和焦距关系。

对内透法：

F＜r时，x＝（R-F）sinθ

（4-3）

＝-（4-4）

F＞r时，x＝（F-R）sinθ

（4-5）

＝＋（4-6）

对外透法：

射线源在外单壁透照布置时，x＝（f＋R）sinθ

（4-7）

＝—（4-8）

射线源在外双壁透照布置时，将得到与内透法中F＞r相同的表示式。

各种透照布置的有效透照长度，这时可简单地写为

（4-9）

一圈焊缝应透照的次数则为

（4-10）

实际工作中按下面顺序确定有效透照长度、照射角和焦距。

1）依据T/D、k计算出横向裂纹检验角：

；

2）按产品特点选定F或f，用得出的值计算出照射角；

3）用、θ之值，计算出有效透照长度和透照次数。

从上面的讨论可以看到，环焊缝透照时确定有效透照长度可以转化为确定一圈所需的最少透照次数。

在选定焦距后确定一圈焊缝需要的最少透照次数，可按照前面的公式计算，但在实际工作中，经常是预先对于不同的透照厚度比，画出不同的透照次数与T/D、D/f或D/F的关系曲线，有了这种图，对于一个具体的产品只需计算出它的

T/D、D/f或D/F

则可从图中迅速查到所需要的最少透照次数。

图4-16是图的具体形式。

a）b）

图4-16环焊缝的最少透照次数

a）k＝1.10b）k＝1.06

4.2.2小直径管对接接头射线照相检验技术

以往标准中通常定义管外径不大于89mm的管为小直径管，但近年的标准一般称管外径不大于100mm的管为小直径管。

1．小直径管对接接头射线照相检验问题的基本特点

在小直径管对接接头射线照相中所选用的焦距都远大于小直径管的直径，因此可近似地认为射线束平行入射，并只讨论垂直管轴截面的情况。

对于这种情况，小直径管对

图4-17小直径管对接

焊缝的透照厚度

接接头透照时的透照厚度可按照图4-17所示进行讨论。

其离开圆心不同距离处的透照厚度与圆心处透照厚度的比，也就是透照厚度比，记为k，x/R表示离开圆心的相对距离，则有

对x＜r

对x≥r

从上面的两个关系式可以看到，对于小直径管对接焊缝透照时，透照厚度比相关于：

T/D——小直径管的壁厚与外径之比；

x/R——所研究点与圆心的相对距离。

它们给出了透照厚度比随所研究点（透照点）与圆心的相对距离变化的一般规律。

从图4-17可以看到，对于一定的T/D，k随x/R的增大逐渐增大，在

x/R＝r/R

点透照厚度比达到最大值，以后随x/R的增大迅速减小。

表4-1给出了部分T/D值的透照厚度比最大值kmax。

表4-1小直径管对接焊缝的最大透照厚度比

T/D

0.05

0.10

0.12

0.15

0.20

0.25

r/R

0.90

0.80

0.76

0.70

0.60

0.50

kmax

4.36

3.00

2.71

2.38

2.00

1.73

透照区内透照厚度的上述变化规律，形成了小直径管对接焊缝射线照相技术的基本特点。

2．透照布置

对小直径管对接接头，其透照布置主要是椭圆成像透照布置和垂直透照布置，图4-18、图4-19是透照布置的示意图。

椭圆成像透照布置是源在外双壁透照的方式，但这时候射线穿过焊缝后在胶片上将形成整个环焊缝的影像，所得到的影像应呈现为椭圆形状，故称为椭圆成像透照，也称为双壁双影透照布置。

采用椭圆成像透照的条件是：

D≤100mm；W（焊缝宽度）≤D/4；T＜8mm。

椭圆成像透照布置的基本要求是射线源布置在偏离焊缝中心面适当距离的位置；中心射线束一般指向环焊缝的中心。

射线源偏移的距离应保证源侧焊缝和胶片侧焊缝的影像不互相重叠，并应具有适当的间距，以保证热影响区的射线照相影像不被干扰。

两侧焊缝影像的间距（椭圆影像的短轴方向距离）常称为（椭圆影像）开口宽度，一般规定其值为1倍焊缝宽度。

开口宽度不能过大，否则将影响对周向裂纹性缺陷的检验，如根部未焊透。

在不干扰热影响区影像的条件下应尽量取较小的值。

依据开口宽度值可以计算射线源应偏移的距离。

图4-18椭圆成像透照布置图4-19垂直透照布置

按图4-18所示，椭圆成像透照布置中，射线源偏移环焊缝中心面的距离W为

对工程应用来说，采用

（4-11）

进行计算已完全可以保证实际的应用要求。

垂直透照布置时，射线源布置在焊缝中心面上适当距离的位置；中心射线束垂直指向环焊缝的中心轴线。

当主要检验小直径管对接接头的根部未焊透缺陷或不符合椭圆成像透照条件时，则应采用垂直透照布置。

一般相隔60°进行3次垂直透照。

3．透照次数

椭圆成像的透照次数一般规定为：

T/D≤0.12，相隔90°进行2次透照；

T/D＞0.12，相隔60°或120°进行3次透照。

垂直透照次数一般规定为：

相隔60°或120°进行3次垂直透照。

椭圆成像的透照次数是小直径管对接焊缝椭圆成像透照技术的重要规定之一，此规定是为了保证全部焊缝区尽可能得到有效的检验。

从小直径管对接接头射线照相检验透照厚度比的讨论可以看到，透照次数的规定实际上是控制透照厚度比在一定的范围。

由于

N＝2，T/D≤0.12时，kmax≤1.78

N＝3，T/D≤0.25时，kmax≤1.73

可见，对小直径管对接焊缝椭圆成像透照的上述规定，实质上是把椭圆成像透照的透照厚度比控制在一定的范围内，即

对N＝2，kmax：

1.4～1.8；

对N＝3，kmax：

1.2～1.8。

这就是标准中关于透照次数有关规定的考虑。

4．小直径管对接接头射线照相的透照参数

对小直径管对接接头射线照相检验是一个特殊的变截面工件射线照相检验技术问题，关于透照参数需要讨论的主要是透照电压。

讨论的基本思路是，考虑可能透照的厚度范围，在这个厚度范围中确定一个透照厚度，依据这个透照厚度并考虑所需透照的厚度范围确定透照电压。

可能的处理方法仍是采用前面给出的选取透照厚度的计算式

一些试验结果证明，从此式给出的透照厚度，对绝大多数小直径管对接接头的射线照相检验，可以给出更好的影像质量。

5．椭圆成像透照的有效透照长度估计方法

图4-20椭圆成像透照的有效透照长度

如图4-20所示，设在底片上椭圆成像透照的有效透照区为PQ弧和ST弧，下面估计它们的长度和占焊缝总长的比率。

任一椭圆都可以用下面的参数方程描述

X＝

cost

Y＝

sint

式中，

为椭圆长轴长度的1/2，即椭圆的大圆半径；b为椭圆短轴长度的1/2，即椭圆的小圆半径；t为参数。

估计时，过P点作椭圆长轴（即X轴）的垂线，交大圆于N，交椭圆长轴于M。

则

t＝∠NOM

记

OM＝h

则

h＝

cost

t＝arccos（h/a）

记有效透照长度为L，即L＝PQ＋ST，由于

PQ＝πa（1-t/90°）

ST＝πa（1-t/90°）

所以

L＝2πa（1-t/90°）

记一次有效检验率为，即＝L/2πa，则

＝1-t/90°

即只要从底片上确定出有效透照区的端点，则从其和椭圆的半长轴可确定出相应的参数t的值，进而给出有效透照区长度和一次有效检验率。

表4-2给出了一些计算结果。

表4-2椭圆成像有效检验率

h/a

0.5

0.6

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

t（°）

60

53.1

45.6

41.4

36.8

31.8

25.8

18.2

（%）

33.3

40.9

49.4

54.0

59.0

64.7

71.3

79.8

如果椭圆两侧的有效透照区长度不同，也只需分别计算每侧的参数t，然后再分别计算PQ和ST。

*4.2.3T形接头射线照相检验技术

T形接头射线照相问题，在基本方面仍属于变截面射线照相问题，技术方面的问题主要有两个方面，一是透照方向的选取，二是如何确定透照电压。

按照接头的坡口型式，T形接头的透照方向基本选用两种，即30°或45°，见图4-21。

采用不同的透照方向应取的透照厚度不同。

30°时透照厚度为

TA＝1.1（T1＋T2）

45°时透照厚度为

TA＝1.4（T1＋T2）

实际上在确定透照方向时，还应考虑对检验缺陷的要求。

按上述的透照厚度可确定透照电压。

对于形状规则的T形接头，可采用补偿块，使透照区厚度转化成比较均匀。

a）b）

图4-21T接接头射线照相的透照方向

一些管座角接头可视为T形接头，其射线照相的基本技术可按如上处理。

需要进一步考虑的是透照次数。

对小直径的管座角焊缝，透照时经常采用的是（见图4-22）：