CN103234990A - 一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，该方法采用新型的Nano-CT断层成像系统对焊件进行检测，采用X射线源对焊接构件进行360°扫描，当X射线穿透焊件时会有一定程度的衰减，而穿过焊缝中气孔的X射线能量衰减会明显低于周围射线，用平板探测器接收到不同程度衰减的透射能量，从而得到多组断层扫描图像，然后对多组断层数据进行三维重构，得到焊缝中气孔缺陷的三维检测图像。本发明检测方法分辨率高、成像直观，且不受焊件材料种类、形状结构等因素的影响，能够得到焊缝中气孔三维形貌、孔径尺寸及空间分布特征等常规方法难以得到的重要信息，对于气孔的分类、缺陷评估等方面具有重要意义。

Description

一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法

技术领域

本发明涉及焊接缺陷的无损检测领域，尤其涉及一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法。

背景技术

焊接构件在现代科学技术和生产中得到广泛应用，随着锅炉、压力容器、船舶、汽车、航空航天器、核电设施等向高参数以及大型化方向的发展，焊接构件的工作条件日益苛刻、复杂，这对焊接构件的质量提出了更高的要求。为能够发现焊接构件中极小的焊接缺陷以便进行修复，从而提高焊接构件的安全运行能力和可靠性，有必要采用和发展先进且精确度高的焊接缺陷检验技术。

焊接气孔是十分常见的焊接缺陷之一，特别是在激光焊接过程中，由于小孔的不稳定性，容易在焊缝的根部产生较大尺寸的宏观气孔。气孔的存在不仅影响焊缝的致密性，同时能够削减焊缝的承载面积，进而降低焊缝强度、韧性、抗疲劳以及耐腐蚀等性能。同时，焊缝中气孔的分布、尺寸和形貌各不相同，其中，气孔的形貌及尺寸对构件的安全运行起着十分重要的作用，因此对焊缝中气孔三维形貌及空间分布特征的客观反映，有利于针对性地提出抑制某种气孔缺陷的措施。目前，检测焊接气孔的方法主要分为破坏性检验和非破坏性检验两大类，一般来说破坏性检验获得检验结果较为直观，但由于提取的数据是来自构件局部的结果，随机性较强，且往往无法反映整个构件的整体情况。而且，很多重要的焊接构件的产品验收和在役的产品，检测时不能破坏其原有形貌，需要采用不改变或不影响其使用性能的检测方法来测试缺陷尺寸、形貌特征以评价产品的安全性及可靠性，因此无损检测技术在实际工业检测中有着广泛的应用。

常见的检测焊缝中气孔缺陷的无损检测方法包括X射线拍照法、超声检测法、电磁涡流检测法、渗透检测法等，其中X射线拍照法是检测焊缝中气孔最为常见的一种无损检测方法，这种方法具有操作简单、可靠性高等优点，但其成像质量不高、仅能分辨毫米级以上尺寸的气孔，且就成像原理而言仅为二维图像，难以客观反映具有复杂形状的气孔的三维形态。此外，由于焊接材料的结构特性以及X射线检测本身的特点，容易造成检测成像对比度和信噪比低、图像边缘模糊、背景起伏较大等缺点，严重影响缺陷信号的检出率和可靠性。综上所述，目前检测焊缝中气孔的各种手段仍然存在较大的局限性，需要引入一种新的检测方法来更加方便、准确地获取焊缝中气孔的分布、尺寸、形态等信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效的检测焊缝中气孔的新方法，通过该检测方法可以确定焊缝中气孔的空间分布以及形态等三维特征。本发明针对在激光焊接金属材料时极易出现的气孔问题，结合X射线扫描技术、图像三维重构技术，采用新型Nano-CT设备对焊接构件进行无损检测。这种检测焊缝中气孔的方法可以通过图像重构得到焊接构件以及焊缝气孔缺陷的三维信息，由此准确地判断焊缝中气孔的分布及形貌特征。

该技术是在传统的二维X射线检测基础上发展起来的，当一束X射线穿过被检测的焊接构件时，衰减的射线强度与焊接构件的材料、密度、尺寸、缺陷等信息有关，特别是当焊缝中存在气孔缺陷时，穿过气孔的X射线能量的衰减明显低于穿透周围焊缝的射线，采用平板探测器从不同角度采集衰减后的X射线能量，按照一定的图像重构算法即可获得二维的断层扫描图像，不断重复上述过程，当得到足够多的二维断层图像时，即可通过三维图像重构模块(通常可集成于计算机中)重建得到焊接构件以及其中气孔的三维分布以及形貌信息。

本发明的技术方案如下：

一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，该方法包括以下步骤：

(1)将带有气孔缺陷的焊接构件置于X射线设备的机械旋转平台，固定牢固，然后利用所述X射线设备对焊接件进行旋转扫描得到多组连续的二维断层图像；

(2)进行上述的多组连续的二维断层图像的三维重构，并进行适当的校正，对气孔的边界进行渲染，即可得到焊接构件的三维图像，根据所述三维图像获得气孔缺陷的三维形态及空间分布特征信息。

优选地，在所述步骤(1)之前，还包括：将带有气孔缺陷的焊接构件进行表面处理。所述焊接构件的表面处理方法可以采用任何检测前的常用表面处理方法，在本发明的具体实施例中，优选的焊接构件表面处理方法为：首先将焊接构件的表面附着物打磨去除，使其表面平整，然后将焊接构件进行5-10分钟超声清洗，以完全去除其表面杂质。打磨方法可以采用任何一种业内常用的方法，本发明不对此进行限定。

优选地，所述步骤(2)中，利用X射线设备对焊接件进行旋转扫描的具体步骤为：控制所述机械旋转平台进行旋转，并开启X射线源使X射线穿透焊接构件，并使衰减后的X射线辐照在16位的数字平板探测器上，X射线持续辐照，机械旋转平台带动焊接构件旋转360度，数字平板探测器以15帧/秒的图像采集速度获取多帧二维图像数据，得到多组连续的二维断层图像。在图像采集速度的选取上，如果图像采集速度太快，则虽然获取的信息越全面，但同时会由于数据过多导致三维重构过程更困难；如果采集太慢，则会导致获取二维数据太少，三维重构时信息量不足，15帧/秒的图像采集速度是兼顾三维重构准确性与三维重构的计算难度而取得的比较合理的中间值，15帧/秒意味着数字平板探测器每秒间隔性的获取15帧二维图像，当工件旋转360度后平板探测器即可获得15*t帧(t为旋转扫描时间)二维图像。因此，虽然X射线是持续辐照到数字平板探测器上的，但在本发明的优选方案中，数字平板探测器并非连续获取全部的图像信息。

优选地，所述步骤(2)中，焊接构件的放置位置为保证X射线在工件中穿透的距离尽量短。这样做的好处是能够保证射线穿过焊接构件后仍然有较高的强度，使平板探测器接收较为清晰的射线信号。

优选地，所述X射线源的最大控制电压为180kV，最大控制电流为120μA。实际检测时可以根据实际检测工件的大小与材质选择不同电压电流参数组合。

优选地，所述机械旋转平台以5-10rad/min的速度旋转。这样的较慢的旋转速度可以保证获取足够多帧二维断层扫描图像。

优选地，所述X射线设备为Nano-CT设备。

一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测装置，其包括：

具有机械旋转平台的X射线设备，用于对焊接构件进行旋转扫描得到多组连续的二维断层图像；

三维图像重构模块，用于对上述得到的多组连续的二维断层图像进行三维重构。该三维图像重构模块可集成于计算机中。

优选地，所述X射线设备为Nano-CT设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

第一，本发明的检测方法不受被检测焊接构件的结构形状影响，而且与传统的X射线照相法相比能提供更多的缺陷信息，这是因为传统的X射线照相法会有信息的重叠，从而降低了灵敏度，而在Nano-CT检测过程中可以消除这些因素；

第二，通过本发明的检测方法可以得到气孔缺陷的三维分布以及形貌信息，虽然传统的二维断层图像也能一定程度上反映出气孔的形貌，但其给出信息是不全面的，例如一个带尖角的气孔，要比同样尺寸的圆整的气孔危害大，因为尖角处容易有应力集中，而这种区别在二维断层图像中容易被忽视，而在三维图像中则会被很好的体现；

第三，传统的X射线照相法不能够给出焊缝中气孔缺陷的准确位置，而三维CT图像可以进行精确定位；

第四，本发明的检测方法检测范围广泛，从微米级到一米多的焊接构件均能通过该方法得到有效检测。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的采用Nano-CT检测焊缝中气孔工艺过程示意图；

图2为本发明实施例1的被检测焊接构件以及其中气孔的三维结果图；

图3为本发明实施例1的被检测焊接构件以及其中气孔的三视图。

具体实施方式

本发明提供一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，该方法优选采用新型的Nano-CT设备，具体采用Nano-CT断层成像系统对焊件进行检测，首先将一定尺寸和形状的焊接构件置于Nano-CT断层成像系统的机械旋转平台，用计算机控制微聚焦的X射线源对焊接构件进行360°扫描，当X射线穿透焊件时会有一定程度的衰减，而穿过焊缝中气孔的射线能量衰减会明显低于周围射线，平板探测器接收到不同程度衰减的透射能量，从而得到多组断层扫描图像，然后通过集成于计算机中的三维图像重构模块对多组断层数据进行三维重构，得到焊件以及焊缝中气孔缺陷的三维检测图像。此种检测方法分辨率高、成像直观，且不受焊件材料种类、形状结构等因素的影响，能够得到焊缝中气孔三维形貌、孔径尺寸及空间分布特征等常规方法难以得到的重要信息，对于气孔的分类、缺陷评估等方面具有重要意义。

下方结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例中检测方法工艺过程示意图参见图1，此处选择激光焊接低碳钢T型接头工件进行检测，因为激光深熔焊过程中由于小孔的不稳定性，特别容易产生宏观气孔，因而所选焊接构件中气孔较多，检测观察结果明显，更利于检验该方法的可靠度。

(1)首先截取适当尺寸的T型焊件，用粗砂纸将其表面打磨，去除表面飞溅、夹杂等附着物和杂质，使其表面平整，然后用超声波清洗8min，以完全去除其表面杂质；其中，超声清洗的时间可选择5-10分钟之内的任一时间，上述的8min仅为举例；

(2)将表面处理后的T型焊件置于Nano-CT设备的机械旋转平台，使焊缝垂直于机械平台，以保证X射线在工件中穿透尽量短的距离，并用橡皮泥将其固定牢固；

(3)控制机械旋转平台以6rad/min的速度匀速旋转，旋转速度还可以为5-10rad/min区间内的任一速度，上述的6rad/min仅为一具体实例；开启X射线源，保持其控制电压为100kV，电流为80μA，使X射线穿透焊接T型焊件，并使衰减后的X射线辐照在16位的数字平板探测器上；

(4)X射线持续辐照，机械旋转平台带动T型焊件旋转360°，数字平板探测器以15帧/秒的图像采集速度获取多帧二维图像数据；

(5)利用集成于计算机中的三维图像重建模块进行图像的三维重建，并对图像进行适当的校正，利用计算机软件对检测出的气孔进行染色，比如渲染成红色，以便观察，然后导出其三维视图和对应三视图，其三维视图和对应三视图如图2、3所示。

从图2和图3可以看出，本实施例的检测方法对焊缝中气孔缺陷的准确位置进行了精确定位，使操作者能直观的看到焊接构件的焊缝中气孔三维形貌、孔径尺寸及空间分布特征。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将带有气孔缺陷的焊接构件置于X射线设备的机械旋转平台，固定牢固，然后利用所述X射线设备对焊接件进行旋转扫描得到多组连续的二维断层图像；

(2)进行上述的多组连续的二维断层图像的三维重构，并进行适当的校正，对气孔的边界进行渲染，即可得到焊接构件的三维图像，根据所述三维图像获得气孔缺陷的三维形态及空间分布特征信息。

2.如权利要求1所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，在所述步骤(1)之前，还包括：将带有气孔缺陷的焊接构件进行表面处理。

3.如权利要求2所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述焊接构件的表面处理方法为：首先将焊接构件的表面附着物打磨去除，使其表面平整，然后将焊接构件进行5-10分钟超声清洗，以完全去除其表面杂质。

4.如权利要求1所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用X射线设备对焊接件进行旋转扫描的具体步骤为：控制所述机械旋转平台进行旋转，并开启X射线源使X射线穿透焊接构件，并使衰减后的X射线辐照在16位的数字平板探测器上，X射线持续辐照，机械旋转平台带动焊接构件旋转360度，数字平板探测器以15帧/秒的采集速度获取多帧二维图像数据，得到多组连续的二维断层图像。

5.如权利要求1或4所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述步骤(2)中，焊接构件的放置位置为保证X射线在工件中穿透的距离尽量短。

6.如权利要求4所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述X射线源的最大控制电压为180kV，最大控制电流为120μA。

7.如权利要求4所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述机械旋转平台以5-10rad/min的速度匀速旋转。

8.如权利要求1所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测新方法，其特征在于，所述X射线设备为Nano-CT设备。

9.一种焊缝中气孔形态及分布的无损检测装置，其特征在于，其包括：

具有机械旋转平台的X射线设备，用于对焊接构件进行旋转扫描得到多组连续的二维断层图像；

三维图像重构模块，用于对上述得到的多组连续的二维断层图像进行三维重构。

10.如权利要求9所述的焊缝中气孔形态及分布的无损检测装置，其特征在于，所述X射线设备为Nano-CT设备。

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