移動式工業X射線探傷箱的研究與開發

成麗妹 趙越

中國海洋大學材料科學與工程學院 山東青島 266100

1 引言

X射線，其波長在0.001～10.0nm范圍內，是一種比可見光的波長短得多的電磁波。1895年，德國物理學家Wilhelm R?ntgen發現了一種可以穿透普通光線所不能穿透的某些物質的射線——X射線，又稱為“倫琴射線”，并利用該射線拍出了第一張手骨照片，由此打開了醫學應用與工業應用X射線新世界的大門。在醫學應用方面，人們不僅可以利用X射線便捷高效地獲得醫療影像，以診斷人體內部某一部分是否正常，還可以利用X射線抑制或破壞病變細胞，以達到治愈疾病的效果。在工業上，更可以通過X射線獲得工業影像，來觀察工件內部結構或判斷工件內部缺陷。經過了多年的發展，X射線在工業上的應用已然成熟，但在家電行業制冷系統的管路焊接質量檢測方面應用的案例卻寥寥無幾。

從工藝結構上來看，冰箱、冷柜、空調等家用電器設備的制冷系統實際上是由壓縮機、冷凝器、蒸發器、干燥過濾器和毛細管焊接而成的封閉回路，其依靠制冷劑在此回路中不斷地循環流動，以達到制冷效果。因此，制冷劑泄漏是影響制冷效果的關鍵因素。通常來說，管材自身缺陷以及焊接缺陷都能導致制冷劑的泄漏，而焊接缺陷所導致的焊漏則是其中最主要的原因。在企業中，為避免出現大批量焊漏而導致的企業虧損，工藝現場常常采用傳統的解剖手段對制冷管路的焊接質量進行抽檢，此種方法不僅費時費力，且受主觀判斷的影響大，檢測精度較低。現有的工業X射線探傷技術不僅鮮少應用于此類管路的焊接質量檢測方面，探傷過程更是需要借助占地面積大且造價高昂的射線屏蔽鉛室。

以此為背景，筆者研究開發了一種省時省力、操作簡單高效、檢測精度較高、占地面積小、成本低，且適用于家電行業小直徑制冷管路焊接質量檢測的移動式工業X射線探傷箱，如圖1所示為移動式工業X射線探傷箱的箱體。

2 設計原理

2.1 X射線照相檢測技術

X射線照相檢測技術是X射線探傷的一種常見方法，按照射線的衰減規律，當射線穿過物體時，物體將對射線產生吸收作用，由于不同的物質對射線的吸收作用不同，因此，在底片上將形成不同黑度的圖像，從而可從得到的圖像對物體的狀況作出判斷[1]，如圖2所示為3個不同的干燥過濾器與毛細管銅-銅釬焊管路焊接接頭的探傷結果。圖2中（a）毛細管插入過深，損壞濾網；（b）過上焊點插管過淺，容易焊堵、焊漏；（c）裝配間隙過大，填料過少。

2.2 鉛板屏蔽X射線防護功能

X射線在工業上著發揮巨大作用的同時，也由于其具有輻射生物效應，會對人體產生一定的危害，輕者惡心暈厥，重者危及生命安全。射線防護的目的在于控制輻射對人體的照射，使之保持在可以接受的最低水平，保證個人所受到的當量劑量不超過規定標準[2]，因此在X射線探傷過程中做好安全防護工作具有十分重大的意義。研究表明，X射線穿透物體時，會被不同程度的吸收，原子序數越高、密度越大的物質吸收X射線的能力也越強。鉛的密度為11.3437×103kg/m3，是自然界中密度比較大的物質，且相較于其他如金、鎢等密度更大的物質，自身不具有放射性、價格低廉，且已被廣泛應用于射線屏蔽。因此，在移動式工業X射線探傷箱的設計過程中，采用防輻射鉛板來屏蔽X射線，以達到防護的目的。

圖1 移動式工業X射線探傷箱箱體

圖2 干燥過濾器與毛細管銅-銅釬焊管路焊接接頭探傷結果

圖3 移動式工業X射線探傷箱結構示意圖

3 結構設計

移動式工業X射線探傷箱主要由攜帶式工業X射線探傷機、X射線屏蔽防護裝置、載物裝置及其他零部件組成，該設備的最大外形尺寸為：800mm×600mm×800mm，其結構示意圖如圖3所示。圖3中，1-控制器、2-低壓連接電纜、3-箱體、4-警示紅燈、5-液壓桿、6-海綿墊、7-箱蓋、8-安全鎖、9-載物臺、10-支架、11-鉛筒、12-X射線發生裝置、13-萬向輪。

3.1 攜帶式工業X射線探傷機

攜帶式工業X射線探傷機是一種工業中常用的無損檢測儀器，主要由射線發生器、控制箱和低壓連接電纜三部分組成，因其體積小、重量輕、便于移動、操作方便等優點而被廣泛應用于工業射線檢測當中。根據國家標準GB/T 26838-2011《無損檢測儀器 攜帶式工業X射線探傷機》[3]，攜帶式工業X射線探傷機分為XXQ、XXY、XXH和XXG四大系列，每個系列又可根據X射線機主參數的不同而分出不同的型號。在該設備的設計過程中，研發人員可根據用戶不同的使用需求配置不同系列、不同型號的攜帶式工業X射線探傷機，本文所示的X射線探傷底片均由型號為XXQ-1005的便攜式X射線探傷機拍攝而成。

3.2 X射線屏蔽防護裝置

X射線屏蔽防護裝置主要包括箱蓋與鉛筒兩部分。其中，箱蓋由鋼板與鉛板組成；鉛筒由鉛板加工而成，采用“上方下圓”結構，如圖4所示。設備中所用鉛板的厚度需由研發人員根據X射線探傷機的最大管電壓，并參考GBZ/T 250-2014《工業X射線探傷室輻射屏蔽規范》[4]中的“探傷室輻射屏蔽估算方法”計算得出。

一方面，鉛筒的“上方”結構與箱蓋鉛板、“下圓”結構與X射線機探頭緊密配合，形成一個密閉的鉛屏蔽結構，有效實現對X射線的屏蔽，以確保射線檢測人員和公眾的安全；另一方面，鉛筒采用“上方下圓”而不是“方形”的結構，可以有效減輕設備重量，降低生產成本。

3.3 載物裝置

載物裝置用來放置待測工件及暗袋，考慮到要有一定的承重能力且盡可能少的吸收X射線，避免干擾工件探傷過程，故將其設計為支撐架與載物木板的組合結構，如圖5所示為載物架結構示意圖。

3.4 其他零部件

除上述主要結構外，移動式工業X射線探傷箱還設置有警示紅燈、安全鎖等裝置，以免設備在運行過程中誤開傷人；箱蓋上貼有一層海綿墊，用來固定待測樣品；箱蓋與箱體之間采用液壓桿的連接方式，不僅能使開蓋過程輕便省力，更能起到支撐作用，保證探傷工作人員在放件、取件過程的安全性；設備底部裝有萬向輪，方便運輸和挪動。

圖4 鉛筒

圖5 載物架結構示意圖

圖6 冷凝器、干燥過濾器、毛細管管路連接實物圖

圖7 銅-鋼管焊接接頭探傷結果放大圖

4 檢測對象

適用于該移動式工業X射線探傷箱進行探傷檢測的小直徑管路焊接接頭主要包括：銅-鋼管焊接接頭、銅-鋁管焊接接頭、鋼-鋼管焊接接頭、銅-銅管焊接接頭、鋁-鋁管焊接接頭五種，如在家電制冷系統中常見的干燥過濾器與冷凝器的銅-鋼管焊接接頭、回氣管與蒸發器的銅-鋁管焊接接頭、干燥過濾器與毛細管的銅-銅管焊接接頭等，如圖6所示為從某企業所生產的冷柜上拆解下來的冷凝器、干燥過濾器和毛細管管路連接實物圖。圖6中左側接頭為冷凝器與干燥過濾器的鋼-銅管焊接接頭；右側接頭為干燥過濾器與毛細管的銅-銅管焊接接頭。

使用移動式工業X射線探傷箱對某銅-鋼管焊接接頭進行兩次不同角度的X射線探傷檢測，其結果如圖7所示。通過觀察該組圖片，可以清晰地看到兩根管路影像重疊之處存在許多或大或小、形狀不規則的陰影區域，即為焊縫處存在的未熔合和氣孔缺陷。

再將該接頭沿如圖7所示的紅色線段所在的截面解剖，發現該接頭確實存在未熔合和氣孔缺陷，如圖8所示。

5 操作步驟

使用移動式工業X射線探傷箱進行工件探傷可大致分為探傷準備、探傷作業和探傷結果處理三大階段。

5.1 探傷準備

第一階段為探傷準備階段，主要包括：耗材準備、獲取工件、標記工件、固定工件、放置工件及安全檢查等工作。

5.1.1 耗材準備

耗材準備是指探傷作業人員應提前準備好顯影液、定影液以及工業用X射線膠片等完成工件探傷所必備的耗材，其中工業用X射線膠片需要在暗室中放入暗袋，未完成洗片步驟前不可被安全燈紅光以外的光線照射。

5.1.2 獲取工件

獲取工件是指獲取待探傷工件，如已知某臺家電產品內部結構中的制冷管路焊接接頭存在不良問題，但不能直接對其進行X射線探傷，而是需要由工作人員主動將存在問題的焊接接頭截取下來后再做檢測。

5.1.3 標記工件

標記工件分為兩部分，第一部分是指在探傷多個工件時，探傷作業人員需要對每個工件進行編號，如在每個工件上貼標簽；第二部分是指在固定工件時對其進行鉛字標記，目的是使標記信息能夠在工業用X射線膠片上顯示出來。

5.1.4 固定工件

固定工件是指將待探傷工件固定在裝有工業用X射線膠片的暗袋上，如用雙面膠固定，其中需要探傷的部位應居中固定，且一次可探傷多個工件，如圖9所示。

5.1.5 放置工件

放置工件是指將固定在一起的待探傷工件和暗袋按照“工件在下，暗袋在上”的位置關系放置在移動式工業X射線探傷箱的載物木板上。

5.1.6 安全檢查

安全檢查是探傷作業人員在進行X射線探傷前需要完成的一項重要工作，主要包括：確認設備各線路連接完好且無老化損傷，確認警示紅燈、安全鎖等裝置完好無異常。

圖8 銅-鋼管焊接接頭解剖圖

圖9 固定工件

圖10 鋼-鋼管焊接接頭實物圖及探傷結果放大圖

5.2 探傷作業

第二階段為探傷作業階段，操作人員需穿戴好防護鉛服，并隨身配備核輻射檢測儀，待調節好設備參數后，按下設備控制箱的“高壓開”按鈕，即可開始探傷作業。當進行連續多次探傷作業時，每結束一次探傷作業需要讓設備休息4min左右，再進行下一次探傷。在此階段，非操作人員應禁止靠近探傷作業區域，操作人員也應在距離設備箱體1米開外處等候，并時刻注意觀察核輻射檢測儀的數值變化，一旦出現異常，應立即按下控制器“高壓關”按鈕，停止探傷作業。

考慮到X射線探傷的檢測結果是將三維立體結構以二維平面圖像的形式在底片上呈現出來，所以X射線照射角度的不同勢必會在一定程度上影響到最終的檢測結果。如圖10所示，在對某鋼-鋼管焊接接頭進行第一次正面探傷時，僅在焊接接頭處發現少數氣孔；但將其翻轉90°進行第二次側面探傷時，卻在焊接接頭處發現了大量氣孔。因此，規定每個工件都應進行兩次探傷：一次正面探傷和一次翻轉90°后的側面探傷，并結合兩次探傷結果評價工件的焊接質量。

表1 移動式工業X射線探傷箱作業中輻射環境定點監測結果（單位：μSv/h）

5.3 探傷結果處理

第三階段是探傷結果處理階段，包括洗片、觀片和評片三步。

洗片過程是指操作人員通過顯影、水洗、定影、水洗及干燥五步，在工業X射線膠片上獲得清晰的工件投影影像的過程，有手工洗片和自動洗片兩種方式。由于工業X射線膠片具有感光性，因此該過程應在裝有安全紅燈、不透光的暗室中進行。

觀片過程一般借助觀片燈及光學放大鏡在光線較暗處進行，并將觀察到的工件影像拍照記錄。

評片過程是根據工業X射線膠片上所獲得的工件影像進行質量評價的過程，對于制冷管路焊接接頭的質量檢測，一般主要評價其釬焊深度、有無氣孔、有無未熔合及有無夾雜等問題。

6 安全作業檢測

由于X射線探傷機只會在通電情況下產生并釋放出X射線，因此進行X射線探傷作業的單位，應嚴格遵守GBZ 117-2015《工業X射線探傷防護要求》[5]中所述的“工業X射線探傷室探傷的防護要求”和“工業X射線現場探傷的放射防護要求”，并根據“放射防護檢測”制定好放射防護監測計劃。筆者依據該標準對作業過程中周圍的輻射水平進行了定點監測，首先設定移動式工業X射線探傷箱的曝光參數為最大管電壓100kV、時長3min，然后使用貝利特FS2011＋核輻射檢測儀對預選監測點位各自重復進行5次監測，最后取監測數值中的最小值和最大值為其空氣吸收劑量率范圍。

未作業時，檢測儀顯示設備周圍輻射劑量率在0.08μSv/h～0.12μSv/h之間波動；作業時，檢測結果如表1所示，各監測點位的空氣吸收劑量率整體維持在0.08μSv/h～1.69μSv/h之間，低于標準中“防護安全要求”規定的關注點最高劑量率2.5μSv/h。出于安全性的考慮，作業單位仍應將人員關注點設在距離設備箱體1米以外的區域。

7 前景與展望

在家電行業，應用X射線探傷技術后，升級了制冷管路焊接質量的檢測方法，更加清晰和有規則地反映了制冷管路的焊接狀況，對于提升制冷管路的焊接質量有很大的幫助[6]，且能有效地降低企業損失。當然，該設備不僅適用于小直徑制冷系統焊接管路的質量檢測方面，更可以用于焊工操作的培訓設備。目前該設備已在某家電企業展開使用，效果良好。如今，伴隨著科技的不斷進步，X射線照相檢測技術不斷被X射線數字實時成像檢測技術所代替，移動式工業X射線探傷箱也將會緊跟時代的發展潮流，朝更高效、更安全、更可靠的方向邁進。