碳纖維纏繞殼體數字射線檢測評價方法研究

黃美霞 劉 凱 王曉勇

裝配·檢測

碳纖維纏繞殼體數字射線檢測評價方法研究

黃美霞 劉 凱 王曉勇

（湖北三江航天江北機械工程有限公司，孝感 432100）

碳纖維纏繞殼體數字射線檢測評價包括缺陷的定位、定量以及定性。以碳纖維纏繞殼體數字射線CR檢測為例，介紹了一種軟件定量校準方法，校準完成后可對缺陷定位、定量測量，并通過對碳纖維模擬缺陷纏繞殼體開展工藝試驗，研究了缺陷部位線灰度和本體線灰度差值與缺陷性質的相關性。

纖維纏繞殼體；數字射線；檢測評價

1 引言

碳纖維纏繞殼體是導彈武器系統的重要組成部分，其內部質量直接影響發動機的質量可靠性。因此，對碳纖維纏繞殼體內部質量的無損檢測和評價具有十分重要的意義。在傳統碳纖維纏繞殼體的無損檢測中，主要采用X射線膠片成像，成本高、效率低。隨著數字射線檢測技術的發展和數字射線檢測相關標準的完善，數字射線檢測技術得到越來越廣泛的應用。相比傳統膠片成像檢測，碳纖維纏繞殼體數字射線檢測技術具有檢測成本低、效率高、寬容度大等特點[1]。通過分析某模擬缺陷纏繞殼體數字射線CR檢測圖像數據，研究了碳纖維纏繞殼體數字射線檢測缺陷評價方法。

2 碳纖維纏繞殼體缺陷類型

圖1 碳纖維纏繞殼體結構示意圖

碳纖維纏繞殼體采用碳纖維浸入樹脂后包裹在絕熱橡膠的芯模上纏繞固化成型，產品結構如圖1所示。在成型過程中可能產生孔洞、夾雜、脫粘、分層、樹脂聚集等類型的缺陷，其中孔洞和夾雜主要產生于纖維纏繞層和絕熱層中，脫粘主要產生于碳纖維纏繞層和絕熱橡膠層粘接界面，分層主要產生于碳纖維層間，貧樹脂以及樹脂聚集主要產生于碳纖維層間。

3 數字射線檢測缺陷評價方法研究

采用數字射線CR檢測技術檢測模擬缺陷殼體。CR檢測系統主要由高頻恒壓600kV定向X射線機、HPX-1plus激光掃描儀、柯達Flex HR型IP成像板等組成。模擬缺陷殼體存在孔洞、金屬夾雜、貧樹脂區等類型缺陷。測試試驗透照布置如圖2所示。

圖2 測試試驗透照布置示意圖

3.1 檢測系統軟件定量校準

3.1.1 定量校準

將雙絲像質計（13D雙絲像質計，符合GB/T23901.5規定）置于模擬缺陷殼體檢測部位，隨同殼體同時透照獲取檢測圖像。采用檢測軟件的尺寸校準功能對圖像中的雙絲像質計長度尺寸70mm以像素值校準，如圖3所示。

圖3 雙絲像質計定量校準示意圖

3.1.2 測量驗證

軟件定量校準后采用直接劃線法測量已知尺寸的方形缺陷和圓形缺陷，每個缺陷測量兩次，共得到8組尺寸測量數據，測量結果如圖4所示，缺陷實際尺寸與測量尺寸的對比數據如表1所示，將測量尺寸與實際尺寸相比較，8組測量數據的測量誤差在(-0.109～+0.574)mm之間，誤差較小。可見，軟件定量校準后可有效對缺陷定位及定量測量。

圖4 缺陷尺寸測量結果

表1 缺陷尺寸測量數據 mm

3.2 缺陷定性研究試驗

3.2.1 孔洞缺陷定性研究

數字射線CR檢測模擬缺陷殼體孔洞部位，孔洞大小分別為0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm。采用線灰度分析曲線分析檢測圖像孔洞部位灰度變化，確定缺陷定性的原則和方法。圖5為缺陷檢測圖，圖6為孔洞缺陷線灰度變化曲線，表2為孔洞缺陷線灰度數據。線灰度差比值為缺陷部位線灰度值與基體部位線灰度值之差占基體部位線灰度值的百分比。

圖5 缺陷檢測圖

表2 孔洞缺陷線灰度數據

通過對模擬缺陷殼體尺寸0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm孔洞缺陷線灰度分析可知，孔洞缺陷部位線灰度值大于基體部位線灰度值，0.5～1.5mm孔洞線灰度差比值為+6.22%～+11.84%，其中1.5mm孔洞缺陷線灰度差比值最大為+11.84%，0.5mm、0.75mm、1.0mm孔洞線灰度差比值相差不大。可見，缺陷透照方向尺寸與0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm的缺陷尺寸并非完成一致，孔洞缺陷線灰度差比值的大小與缺陷尺寸以及缺陷透照方向尺寸相關。

3.2.2 金屬夾雜類缺陷定性研究

對模擬缺陷殼體金屬夾雜部位進行數字射線CR檢測，夾雜大小分別為0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm。采用線灰度分析曲線對檢測圖像夾雜部位分別分析灰度變化，確定缺陷定性的原則和方法。圖7為金屬夾雜類缺陷線灰度變化曲線，表3為夾雜缺陷線灰度數據。其中，線灰度差比值為缺陷部位線灰度值與基體部位線灰度值之差占基體部位線灰度值的百分比。

表3 夾雜缺陷線灰度數據

通過分析模擬缺陷殼體尺寸0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm金屬夾雜缺陷線灰度可知，金屬夾雜缺陷部位線灰度值遠小于基體部位線灰度值，0.5mm～.5mm金屬夾雜缺陷線灰度差比值為-66.27%～-78.33%，隨著夾雜缺陷尺寸增大，線灰度差比值增大。可見，缺陷透照方向尺寸與0.5mm、0.75mm、1.0mm、1.5mm的缺陷尺寸一致，金屬夾雜缺陷線灰度差比值與缺陷尺寸相關。

3.2.3 貧樹脂區定性研究

對模擬缺陷殼體貧樹脂區進行數字射線CR檢測，貧樹脂區大小分別為2.5mm、3.0mm、5.0mm、5.5mm。采用線灰度分析曲線對檢測圖像貧樹脂區分別進行灰度變化分析，確定缺陷定性的原則和方法。表4為貧樹脂區線灰度數據，圖8為貧樹脂區線灰度變化曲線。其中，線灰度差比值為缺陷部位線灰度值與基體部位線灰度值之差占基體部位線灰度值的百分比。通過分析模擬缺陷殼體尺寸2.5mm、3.0mm、5.0mm、5.5mm貧樹脂區線灰度可知，缺陷部位線灰度值小于基體部位線灰度值，兩者相差并不大，模擬缺陷殼體貧樹脂區線灰度差比值為+3.6%～+4.58%，不同尺寸貧樹脂區缺陷線灰度差比值變化不大。可見，貧樹脂區缺陷透照方向尺寸無明顯差別，貧樹脂區線灰度差比值大小與缺陷尺寸無關。

表4 貧樹脂區線灰度數據

圖8 貧樹脂區線灰度變化曲線圖

4 結束語

在碳纖維纏繞殼體數字射線檢測中，可有效評價檢測結果。通過分析模擬缺陷纏繞殼體缺陷部位數字射線CR檢測圖像線灰度，孔洞的線灰度差比值為8%左右，類金屬夾雜的線灰度差比值為-70%左右，貧樹脂區的線灰度差比值為4%左右，線灰度差比值的大小與缺陷性質、缺陷自身尺寸、透照厚度方向的尺寸及物理密度有關。在實際碳纖維纏繞殼體數字射線檢測中，對檢測系統軟件定量校準可以對缺陷定量、定位測量，將缺陷線灰度差比值并結合缺陷影像的形貌特征可以定性分析缺陷。

1 鄭世才. 數字射線檢測技術的發展現狀[C]. 2012年無損檢測技術交流會論文集. 北京：國防工業出版社，2012：41～46

Study on the Evaluation Method of Digital Radiography for Carbon Fiber Winding Shell

Huang Meixia Liu Kai Wang Xiaoyong

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432100)

Evaluation of digital radiography for carbon fiber winding shell includes the location,quantitative and qualitative of defects.In this paper ,as an example of computed radiography for carbon fiber winding shell,a software calibration method is introduced for computed radiography,if calibration is completed,the defects can be located and quantitatively measured,and the correlation of the difference between the line gray scale of the defect and the line gray scale of intact area near defect was studied through the process test of carbon fiber winding shell with simulated defects.

carbon fiber winding shell；digital radiography；testing and evaluation

黃美霞（1989），工程師，檢測技術與儀器專業；研究方向：無損檢測技術與應用研究。

2020-08-11