基于射線的無損檢測技術綜述

胡 峰，楊文卓，馮俊雄，王嘉晨，黨軍雷

（1.西安石油大學，陜西 西安 710300；2.渭南市檢驗檢測研究院，陜西 渭南 714000）

1 引言

1.1 研究背景

焊接作為一種基本工藝方法，廣泛應用于航空航天、艦船、橋梁、機械、冶金、能源、石油化工、建筑等行業。由于焊接過程經常受到來自各種因素的影響，因此焊縫中有時不可避免地會出現裂紋、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷。為了保證焊接構件的產品質量，國家規定必須對焊縫進行有效的無損檢測，在生產實際中射線檢測是廣泛采用的焊接質量無損檢測方式，其檢測結果被作為焊縫缺陷分析和質量評定的重要判定依據。

近年以來，國內各種無損檢測技術都取得一定程度的進展。本文總結分析各種技術的優勢與缺陷，對于企業在成本控制，技術選擇上具有一定的借鑒意義。

1.2 射線無損檢測采用的主要技術現狀

目前，在射線檢測焊接質量方面，射線膠片照相檢測依舊是使用最為普遍的檢測方式。隨著技術的進步，射線實時成像、計算機射線照相（CR）、數字平板射線成像（DR）等新的技術方式也獲得了比較廣泛的應用。

2 射線膠片照相技術

2.1 射線膠片照相技術基本原理

當X射線穿透被檢測的焊件，一部分X射線的能量被焊件吸收，另一部分的能量則穿過焊件，使得特制的膠片感光，底片將呈現出焊件的內部結構和焊件的缺陷，通過對底片的分析，得出焊件缺陷的位置，數量，類型，尺寸大小等。根據得到的結果，依據國家對于焊縫無損檢測的相關標準進行對焊件的評判。

2.2 射線膠片照相技術優缺點

射線膠片照相技術的優點在于使用膠片得出的X射線圖像質量較好，且靈敏度和分辨率都比較高，能真實地提供焊件焊縫缺陷的情況。但使用膠片作為載體本身就具有缺陷，例如膠片需要使用顯影液，定影液，這些在使用完成產生廢液后處理不當，會對環境造成一定的污染，而且處理膠片需要在暗室環境中進行，需要處理的時間較長，效率也比較低[1]。

評定X射線焊縫底片是由專業的評定人員借助觀片燈進行評定，評定人員工作量大，在評定過程中容易受到觀光燈的強光損傷眼睛，對評定人員的健康有一定的影響，而且結果受評定人員主觀因素影響比較大，沒有一套客觀規范的標準。

2.3 射線膠片照相技術在自動化方向的改進

為改進上述缺點，借助計算機實現對焊件底片的自動分析處理，使評判焊件過程變得規范化，客觀化和科學化，需要將底片轉化為數字圖像。將X射線底片數字化主要采用以下幾種方式。

（1）使用專業的掃描儀對焊件X射線底片進行掃描，得到底片的數字化成像，然后將掃描出的結果存儲在計算機中進行分析。

（2）使用分辨率較高的CCD攝像機對焊件X射線底片進行掃描，得到底片的數字化成像，然后將掃描出的結果存儲在計算機中進行分析。

采用方式1得到數字化成像質量較高，失真度較小，但是設備的成本會比較高；采用方式2得到的數字化成像質量較差，但設備的成本很低。使用計算機輔助方式也會帶來一定的缺點，機器設備需要一定的成本，操作的流程較為復雜。

3 射線實時成像技術

3.1 射線實時成像技術基本原理

顧名思義，X射線實時成像技術就是在使用X射線照射焊件的同時實時的觀測其所產生的圖像的技術。

X射線的實時成像技術的基本原理和X射線膠片照相技術原理比較相似，都是利用了X射線照射焊件時，能量吸收的差異性實現的，不同的是在使用射線實時成像技術時，需要將產生的射線能量經過圖像增強器接收，然后轉換為可見圖像，再通過分辨率較高的CCD攝像機轉化為數字圖像，存儲到計算機中等待進一步的分析。

3.2 射線實時成像技術與射線膠片照相技術比較優缺點

射線實時成像技術通過圖像增強器可以將檢測出的圖像進行放大，有助于更明顯的觀測到焊件的缺陷；使用實時成像技術效率較高，對一幅圖像的處理僅需幾秒鐘的時間，射線膠片照相方法拍攝和處理圖像的時間較長；射線實時成像技術通過計算機去處理圖像，目前有一些專用的軟件能夠自動化的對圖像進行分析，存儲，增強[2]，而射線膠片技術在處理底片時容易因為一些不可避免的因素造成底片缺陷。

4 計算機射線照相檢測技術

4.1 計算機射線照相檢測技術基本原理

計算機射線照相技術即CR（Computed Radiography）技術，它的原理由以下幾步組成：X射線穿透被檢測焊件，將焊件的信息顯示記錄在成像板上，這里用到的成像板為IP板。掃描裝置讀取IP板上的信息，最后存入到計算機中，由計算機生成焊件的數字化圖像進行分析評定。

4.2 計算機X射線照相檢測技術優勢

（1）能夠有效降低成本，雖然IP成像板的價格較高，但是成像板可以重復利用上千次，平均到每次的成本也就大大降低。而且相對于射線膠片成像技術來說，也無需對膠片處理的一些環境和設備，進一步降低成本。

圖1 CR檢測工作原理圖

圖2 CR成像板 (IP板) 結構圖Fig 1 Structure chart of CR imaging plate (IP)

（2）相較于射線膠片成像技術而言，使用CR技術成像的密度分辨力相差不大，能夠達到膠片成像的要求。

（3）使用CR技術能夠顯著提高效率。對比于射線膠片技術，曝光量縮減近30%，減少了工作時間，提高效率[3]。

（4）使用CR技術的裝備，體積較小，機動性較強，比較適合野外檢測作業。

（5）CR技術用到的成像板是柔性的，能夠任意分割，彎曲，能夠適用于所有使用膠片成像技術的場合。

（6）使用CR技術，原有的一些機器設備無需要淘汰，可以直接投入使用。

（7）CR技術減少環境污染方面也有一定優勢，無需使用到膠片方式所使用到的顯影，定影液和暗室等環境，能夠較少環污染。

4.3 計算機X射線照相檢測技術缺陷

（1）CR成像的本質是間接二次成像的，成像時環節較多，會在一定程度上犧牲圖像的信噪比（SNR）。

（2）相較于膠片照相技術，CR技術的檢測靈敏度較低。（3）CR技術的一次性投入的費用較高。

5 射線數字平板成像技術

5.1 射線數字平板成像技術基本原理

射線數字平板成像技術簡稱DR技術，其核心在于X-線探測平板和采像處理計算機。目前，DR技術可以分為直接轉換數字攝影（DDR）和間接轉換數字攝影（IDDR）兩種類型，IDDR包括非晶硅平板探測口，DDR包括非晶硒平板探測口。

5.2 射線數字平板成像技術的優點

DR技術可以將射線直接轉換為數字圖像，能夠實時成像，實時采集數據，提高了檢測效率；使用射線數字平板成像的空間分辨率較高，圖像的質量接近膠片照相的水平；DR技術在一定程度上消除了射線對人體的危害，利用計算機技術和電氣化實現全自動檢測，工作人員不必與射線進行長時間接觸，收到的損傷較小[4]。

5.3 射線數字平板成像技術的缺點

相較于CR技術而言，DR技術使用到的成像平板不能任意分割，彎曲，為其使用帶來一些不便；對于一些特殊的焊縫，DR技術的檢測效率有時會低于膠片技術[5]；DR成像所需要的技術設備價格較高，一些企業考慮到成本問題不會去選用這種技術，這在一定程度上也限制了DR技術的應用于發展[6]。

6 工業CT檢測技術

CT技術全稱為射線計算機層析成像技術（Computed Tomography），該檢測技術在近20年來取得較大發展。工業CT技術（Industrial Computed Tomography）即工業使用射線計算機層析成像技術，簡稱為ICT技術，它在計算機的輔助下成像，以二維斷層掃描圖像或三維圖像的形式，直觀地顯示被測試對象的結構、組成、材料和缺陷[7]。北京國家技術轉移中心自主研發出了一個完整的工業CT產品系列，提高了我國在無損檢測領域的技術水平[8]。

6.1 工業CT檢測技術基本原理

工業CT檢測技術是使用射線透射焊件的一個層面，并對焊件的每一個層面都進行這樣的操作，使用陣列檢測器接收透過斷面的射線，轉換為數字信號輸入計算機，經過計算、變換后重建該平面的圖像。

6.2 工業CT檢測技術優缺點

工業CT技術可以給出垂直于射線照射方向的工件所有層的圖像。 它具有不重疊，透明層，高對比度和高分辨率的特點，并且可以準確地確定焊件缺陷的位置和性質。但被檢測的物體的尺寸，材料等會影響檢測時的曝光情況，同時，被檢測物體的集合特性也會影響成像的效果[9]。

6.3 工業CT檢測技術使用場景

工業CT檢測技術在缺陷檢測方面，較少用于焊接缺陷檢測，主要用于檢測一些精密的鑄件，火箭發動機，計算機芯片等。

7 小結

本文主要從X光射線在無損檢測方面的各種技術的原理和各自優缺點進行了簡要的說明。這些檢測技術具有其各自不同的優點，也有各自的一些局限性。考慮技術各方面優勢與劣勢，對于企業有著重要的意義。當前，數字化技術，人工智能，大數據等方面的技術獲得了長足的發展，對于避免人為因素錯誤，檢測準確性有著巨大幫助，借助人工智能，大數據檢測將成為無損檢測的發展趨勢[10]。