浅析不同工业CT检测系统的缺陷可检测性

浅析不同工业 CT 检测系统的缺陷可检测性

钟波 袁廷甫

成都飞机工业（集团）有限责任公司

成都产品质量检验研究院有限责任公司

摘要： 通过制作专用孔洞类及裂纹类缺陷对比试块，验证不同工业CT检测系统的缺陷检出能力，通过试验数据为工程应用提供可靠的依据，具有较大的实际应用价值。

abstract: Through the production of special hole and crack defect contrast blocks, the defect detection ability of different ICT detection systems is verified, and the test data provide a reliable basis for engineering application, which has great practical application value.

关键词：工业CT；缺陷试块

Key word: ICT defective test block

引言

随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，传统的检测方法如超声波检测、射线照相检测等已不能满足要求。于是，许多先进的无损检测技术被开发应用于诸多检测领域，如在导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩心、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料等方面均有大量的应用， ICT（Industrial Computed Tomography—简称工业CT）技术便是其中的一种。尽管如此，由各种不同硬件组合而成的工业CT检测系统针对不同的检测对象的缺陷可检测性，也存在一定的优缺点，以下主要从高能工业CT检测系统、常规工业CT检测系统和微焦点工业CT检测系统对相同的缺陷试块进行检测，并通过对各自检测结果分析其缺陷可检测能力。

1. 工业CT检测技术原理

工业CT检测技术是将近十年来发展迅速的电子计算机和X线相结合的一项新颖技术。其原理是基于对多个投影数据应用计算机重建图像的一种方法，现代断层成像过程中仅仅采集通过特定剖面（被检测对象的薄层，或称为切片）的投影数据，用来重建该剖面的图像，因此也就从根本上消除了传统断层成像的“焦平面”以外其他结构对感兴趣剖面的干扰，“焦平面”内结构的对比度得到了明显的增强；同时断层图像中图像强度（灰度）数值能真正与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系，从而发现被检对象内部辐射密度的微小变化。工业CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系统、计算机系统和屏蔽设施等部分组成。其结构工作原理如图1所示。

射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件，根据射线在试件内的衰减情况实现以各点的衰减系数表征的CT图象重建。X 射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV 到450KeV；直线加速器的峰值射线能量一般不可调，实际应用的峰值射线能量范围从1～16MeV。与射线源紧密相关的前直准器用以将射线源发出的锥形射线束处理成扇形射束，后直准器用以屏蔽散射信号，改进接受数据质量。机械扫描系统实现CT扫描时试件的旋转或平移，以及射线源-试件-探测器空间位置的调整，它包括机械实现部分及电器控制系统。探测器系统用来测量穿过试件的射线信号，经放大和模数转换后送进计算机进行图象重建。ICT机一般使用数百个到上千个探测器。探测器数量越多，每次采样的点数也就越多，有利于缩短扫描时间、提高图象分辨率。计算机系统用于扫描过程控制、参数调整，完成图象重建、显示及处理等。

图1 工业CT工作原理简图

2. 工业CT检测系统的选择

根据射线的能量，选择高能工业CT检测系统、常规工业CT检测系统和微焦点工业CT检测系统进行试验验证，不同检测系统的主要技术要求见表1。

表1 不同工业CT检测系统

3. 缺陷对比试块的选择

3.1 孔洞类缺陷试块

通过3D打印制造孔洞类缺陷试块上，一组是在Φ10mm*10mm的规格尺寸上制作直径分别为500μm，400μm，300μm，200μm，70μm的圆孔，孔径深度为2mm，每间隔72°设一孔使均匀分布在圆柱边缘，孔距离边缘的距离应不小于2mm。CT检测试验时，将此缺陷试块放置在不同材料及厚度的试块基体上进行检测（设置了相应的凹槽可进行放置），验证不同厚度下的缺陷可识别能力。

另一组孔型试块是分别在直径为40mm、20mm和10mm的圆柱形试块的内侧表面加工6个凹孔，直径分别为1000μm，500μm，400μm，300μm，200μm，70μm，孔径深度与直径相等，凹孔的中心位置位于半径的中点，并每间隔45°设一孔。制作两组，每一块试块可分离独自使用，也可同材料同规格的试块两块重叠使用。重叠使用时，可通过旋转试块的角度，调整得出不同的组合缺陷。如两块Al材料的Φ40mm*20mm规格的试块重叠使用，通过角度调整可以调整出1#/、2#/1'#、3#/2'#、4#/3'#、5#/4'#、6#/5'#、6'#的7个缺陷或其他更多的缺陷组合方式。

3.2 裂纹类缺陷试块

裂纹试块按GB/T 37121《无损检测 工业计算机层析成像（CT）检验用裂纹测试卡》的要求采用4Cr13不锈钢进行制作，模拟裂纹的长度均为10mm、裂纹宽度为0.005mm~1.5mm、厚度范围从25mm~300mm。适合各类能量、不同类型的工业CT检测系统全方位验证其裂纹可检测能力。

4. CT检测试验方案及测试结果

4.1 微焦点工业CT检测

缺陷样件的选择及检测参数见表2。

表2 微焦点工业CT检测方案

验证结果：通过对缺陷对比试块逐一进行微焦点CT检测，微焦点工业CT对25mm钢检测，其能发现最小宽度为0.005mm的裂纹（见图2 a），微焦点工业CT对40mm铝检测，其能发现试块所能加工到的第6#最小气孔0.07mm（见图2 b），

a） 裂纹类检测 b） 孔洞类检测

图2 微焦点CT检测图

4.2 常规（450kV）工业CT检测

缺陷样件的选择及检测参数见表3。

表3 常规工业CT检测方案

验证结果：通过对缺陷对比试块逐一进行常规CT检测，序号1中的检测对象的5条裂纹均不能识别（见图3 a）；序号2中能清晰的识别出5#孔缺陷，即气孔直径为0.2mm（见图3 b）；序号3中Φ20mm*80mm的圆柱体内，能发现试块所能加工到的第5#最小气孔0.07mm（见图3 c）；序号4中Φ50mm*80mm的圆柱体内，仅能识别出4#孔缺陷，即气孔直径为0.2mm（见图3 d）。

a） 裂纹类检测 b） 孔洞类检测（Φ40mm*20mm）

c）孔洞类检测（Φ20mm*80mm） d） 孔洞类检测（Φ50mm*80mm）

图3 常规工业CT检测图

4.3 高能（9MeV）工业CT的检测

缺陷样件的选择及检测参数见表4。

表4 高能工业CT检测方案

• 验证结果：序号1中的4Cr13不锈钢的基体II组件正面水平放置进行CT检测时仅能发现0.25mm、0.3mm及0.35mm的3条裂纹（见图4 a），倾斜5～10°角度斜放置进行CT检测时，能发现0.15mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm及0.35mm的5条裂纹（见图4 b）；序号2中检测对象仅能识别出1#孔缺陷，即气孔直径为1.0mm（见图4 c）；序号3中检测对象Φ20mm*80mm的圆柱体内，能发现试块所能加工到的第2#最小气孔0.4mm（见图4 d），序号4中Φ50mm*80mm的圆柱体内，仅能识别出1#孔缺陷，即气孔直径为0.5mm（见图4 e）。

a） 裂纹类检测（水平） b）裂纹类检测（倾斜）

b）孔洞类检测（Φ40mm*20mm）

d）孔洞类检测（Φ20mm*80mm） e ）孔洞类检测（Φ50mm*80mm）

5. 研究结论

微焦点工业CT检测方法，可利用焦点尺寸小的优势，实现单幅影像的放大，经图像重建后可实现极高的缺陷检出能力，验证极限能识别出5微米宽度裂纹的检出能力，但缺点是微焦点射线机的最大能量一般在250kV，可穿透能力较差，一般最大为等效20mm厚度的钢。加速器工业CT检测厚度覆盖范围大，为所有大厚度零件检测的首选方法，但检测灵敏度在CT检测技术中为最低，甚至低厚度检测情况下，其检测灵敏度还不如射线检测技术，但在大厚度情况下（如超过100mm）,其检测灵敏度与射线检测技术相比具有一定的优势，如在130mm厚度钢的穿透情况下，能识别出0.15mm宽度的裂纹，而射线胶片法B级检测技术，在此厚度下的像质计识别能力仅在0.8mm。常规工业工业CT检测方法，焦点尺寸也能确保在0.4mm，最大能量一般在450kV，处于微焦点工业CT和加速器工业CT检测技术的中间，中规中矩，适合大部分零件的检测，特别适合航空类零件的检测。综合所述，应根据零件的实际规格尺寸及所缺检测的缺陷选择相应的CT检测方法，而不盲目的选择以免造成资源浪费或缺陷检出能力不足。

参 考文献：

《工业CT检测》 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材 徐向群

《计算机层析成像检测》 机械工业出版社 叶云长