基于视差照相法的小直径管焊缝内缺陷深度定位技术分析

引言
某产品内小直径管采用对接方式进行电子束焊接，对焊接质量提出了较高要求：在有效的焊接深度内不允许有超标气孔。因此，对于普通的射线照相方法而言，在发现超标气孔后无法给出缺陷的具体深度位置，也就不能判别焊缝是否合格。

采用3D-ICT方法，对小径管焊缝进行检测，可准确得到缺陷的大小及其分布状态。但CT设备成本及检测成本都比较高，如何利用常规无损检测方法得到缺陷的深度信息是一个非常有价值的研究课题。为此，针对具体的检测对象，不少学者进行了有针对性的研究，也取得了一定的进展[1,2,5]。本文针对小直径管（外径Φ8mm，内径Φ4mm）焊缝内缺陷的深度定位实现方法进行分析，以充分利用常规照相方法解决问题。

1．缺陷深度定位方法分析
普通的射线照相方法是将三维物体投影到二维平面内，因此，缺陷在透照方向上的位置信息是无法获取的，只能得到投影面上的二维尺寸。为了检测缺陷的埋藏深度，需要利用视差照相法，主要包括平移法和旋转法。

近年来，数字化射线检测技术获得了更多的应用，这使视差法用于缺陷深度定位变得更加简便。在数字化射线探测器中，CMOS线阵列扫描探测器具有成像精度高（像素间距0.08mm）、结构适用性强的优点，已成功应用于焊缝的内部质量检测。

1.1平移法
平移法用于缺陷深度定位,其原理主要为相似三角形，如图1所示。以往应用平移法时，大多需要准确测量出射线源到探测器的距离、探测器与检测物体间的距离[3]，而这些参数难以得到真实值，这很大程度影响到缺陷深度计算数值的准确性。利用设置标记方法可避免上述参数测量不准确所带来的不利影响[4]。

保持检测物体与探测器位置不同，将射线源从位置1（P0）上升到位置2（P1），射线管移动距离为hs。物体内部有两个间距为Δd的相邻缺陷。射线源到缺陷位置的距离为FOD，缺陷影像放大倍数为K-1。
移动射线源后，缺陷d1、d2的影像位移为Hd1、Hd2：
Hd1=hs*(FOD*(K-1)-Δd)/(FOD+Δd)                                   （1）
       Hd2=hs*(k-1)                                                       （2）
相邻缺陷由于位置的差异，而使移动射线源后所产生的影像偏移不同，其间的差值为：
   ΔHd=Hd2-Hd1=hs*K*Δd/(FOD+Δd)                                    （3）
不难证明，对于间隔相等的缺陷（如d3、d4），射线源从位置1上升到位置2得到缺陷影像位移差是相等的(与d1、d2)。因此，在检测物体表面设置两个标记用于确定缺陷深度位置是可行的。
应用平移法时，FOD与K值保持恒定。为使平移法取得较好的检测定量结果与精度，需要合理设定检测参数，以使缺陷影像足够清晰，可得到较高的定量精度，且不同位置的缺陷影像区分明显。
将公式（3）进行变换，可得到
                 hs=npx*0.08*(1+FOD/Δd)/K                               （4）
npx代表像素个数。
可据公式（4）计算出合适的透照参数。假设Δd=0.2mm间隔的缺陷经平移法后需要产生5个像素的影像偏移，射线源移动距离不能超过40mm，射线源到检测物体距离不能小于100mm，射线源到探测器距离不能超过1000mm，且要求缺陷位置(Δd)与影像位移(npx)间具有线性关系（FOD/Δdmax>>1），计算出可用的透照参数如图2所示。

1.2旋转法
以往利用旋转法测缺陷深度时，需要测量出射线源到探测器的距离参数、旋转中心距探测器距离[1,5]，而这些参数的测量不准确造成了计算结果偏差。
由于管子为回转体结构，使用旋转方法确定缺陷的深度位置似乎更加简便。在发现缺陷投影位于管径中心位置处再旋转90度即可确定出缺陷的埋藏深度。但事实上，缺陷影像在旋转一定角度后往往变得不清晰，难以准确识别。如埋藏深度为1.8mm的一个圆形气孔，在不同角度下的影像如图3所示，当缺陷影像位于边缘时，其可识别性较差(图4)。

如果管子绕中心旋转一周，则其内部缺陷中心与管径中心的距离将会以余弦曲线形式分布（图5）。在缺陷中心与管径中心基本一致的位置，将取得最清晰的射线影像。为使缺陷影像足够清晰，旋转角度应使缺陷投影在管径中心附近。
如果从缺陷投影在管径中心的位置起旋转较小角度(如±15。)，则余弦曲线的一段将近似为直线。据此直线的斜率可得到缺陷的深度位置。

如果要求计算结果具有足够的精度，则应使图像中缺陷影像位移所对应的像素数足够大；还应设置标记，以使图像中缺陷影像位移转化为实际长度单位。
2．试验结果
2.1 平移法
通过计算得到，采用CMOS射线线阵探测器，hs=20mm，FOD=101mm,K=9.9时，可使间距Δd=0.2mm的缺陷在射线平移后的影像偏差达到5个像素。

检测结果表明，由于投影时深度位置的差异导致了射线偏移后缺陷或标记的影像位移差值的不同。图6b中三个圆形自上到下分别为靠近靠近探测器侧标记、内部气孔缺陷、射线源侧标记影像，其大小均为Ф0.3mm；为简化分析，保持标记与缺陷的高度一致。

通过软件测量得到标记影像的纵坐标为395.9、584.4，而缺陷影像纵坐标为441.7。由线性关系不难算出，气孔距管径中心的距离为2.13mm，与真实值非常接近。改变缺陷的位置，距中心从2.25mm以0.25mm间隔增加到3.75mm，计算出相应的缺陷影像位移如图7所示。

2.2 旋转法
为使缺陷影像足够清晰，在应用旋转法时也采用投影放大技术，FOD=101mm,K=9.9。在旋转15度后，获取的检测图像如图8所示，中间的圆形为气孔缺陷的透照图像。

两个标记影像的横坐标分别为484.7、750.5，气孔的横坐标为545.6，管径中心的横坐标为618。因此，旋转角度后两标记影像的横坐标与管径中心偏差分别为133.3、132.5,而气孔影像的横坐标与管径中心偏差值为72.4。根据线性关系，可得到气孔中心距管径中心的距离为4.15*72.4/133=2.26，与真实值非常接近。

结论
1.        利用视差法可一定程度解决缺陷埋藏深度定位的难题。
2.        针对小径管对接焊缝内部气孔类缺陷的深度定位难题，提出了设置合适的标记，利用直线关系进行计算的解决方法。比较而言，旋转法的应用更加简便、准确。
3.        使用微焦点射线源，借助射线投影放大技术可取得较好的缺陷深度定位精度。

参考文献
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，刚铁，杨根喜等，工字形激光焊件中批量缺陷定位数据的自动提取[J]，焊接学报，2009年10月: 49-52
3．        美国无损检测学会编，美国无损检测手册——射线卷[M]，北京：世界图书出版公司，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．        杨飞，X射线数字成像中的缺陷定位检测技术研究[D]，华北工学院硕士学位论文，2003年3月

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