Vol151 No19Sep.2002
铸造
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FOUNDRY
铸件缺陷无损检测方法的研究现状
徐 丽1,刚 铁1,张明波2,郭立伟3
(11哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150001;
21国营159厂检验科,黑龙江哈尔滨150000;31哈尔滨理工大学机械专科热处理系,黑龙江哈尔滨150080)
摘要:随着汽车业和航天航空业的高速发展,铸件的缺陷检测和质量评价已成为工业生产中极其重要的环节。铸件缺
陷的检测方法及相关技术的研究也取得了很多成果。文中对目前广泛使用且效果较好的超声检测、X射线检测及射线
层析摄影等方法在铸件质量评价中的应用状况进行了简要的回顾。
关键词:铸件缺陷;超声检测;X射线检测;层析摄影法中图分类号:TG14;TG115 文献标识码:A 206
ReviewofCastingsDefect
X1G1,ZHANGMing2bo2,GUOLi2wei3
(11NationalofAdvancedWeldingProductionTechnology,HarbinUniversityofTechnology,Harbin150001,Heilongjiang,China;21InspectionSectionofState2ownedFactory159,Harbin150000,Heilongjiang,China;31HeatProcessDepartment,MechanicalSchool,
HarbinUniversityofScience&Technology,Harbin150080,Heilongjiang,China)Abstract:Withtherapiddevelopmentincarindustry,aerospaceandaviation,thedefectstestingandqualityevaluationforcastingshavebecomesignificantstepsintheindustrialproduction.Andmanyachievementshavebeenacquiredinthefieldofcastingsdefecttestingandrelevanttechniques.Thispa2persummarizestheeffectivetestingmethods,whicharewidelyusedcurrentlysuchasultrasonictesting,radiographyandcomputedtomography.
Keywords:castingsdefect;ultrasonictesting;radiography;tomography
由于铸造方法具有成本低廉、一次成形以及可以制造复杂结构大型件等优点,被广泛应用于工业生产的众多领域,特别是汽车制造业。在航空航天制造业中,很多部件也是铸件。为保证产品质量及节省成本,在生产流程的早期阶段及时检测出缺陷是很必要的。无损检测由于可避免材料浪费和提高生产效率,成为铸件缺陷检测的首选方法。到目前为止,研究最多且比较有效的方法包括超声波探伤法、X射线透照法和射线层析摄影法。
超声波探伤是利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响,非破坏性地探测材料内部和表面的缺陷(如裂纹、气泡、夹渣等)的大小、形状和分布状况以及测定材料性质〔1〕。X射线检测则是利用射线穿过物质,并被其衰减来实现检测的,此技术的演化经过了低劣的微光图象获取,有噪声的电离放射线荧光屏成像和高分辨率清晰的数字图象设备等几个阶段。X射线透射检查法可提供铸件检测部位有无缺陷及缺陷尺寸的照片。X射线透照法主要应用在铸件和机器部件中出现的诸如裂纹、孔洞和夹杂等缺陷
2〕
的辨识和评价〔。射线层析摄影法起源于X射线照相技术,它将圆锥状X射线束通过准直装置改变为线状或面状扫描束,使其穿过被摄物体的某一个断面
(如同“切”出一“片”)而得到该断面的图象。对每
片物体的观察可获得该物体的结构和性能方面的大量信息,达到检测缺陷的目的〔3〕。本文对当前国内外在上述铸件缺陷检测三个主要领域中的研究现状进行综述。
1 超声波检测法
超声波探伤具有灵敏度高、穿透性强、检测速度快、成本低和对人体无害等优点。检测时,超声波会从缺陷处反射而在荧光屏上出现缺陷波,缺陷波的波形及波幅因缺陷的几何形状不同而发生变化,可根据缺陷波形特性估判缺陷性质。111 声程衍射时间法(TOFD)南斯拉夫的InesDukic及PredragDukic提出的声程衍射时间技术(TOFD)被认为是能满足检测精度要求的超声波技术之一〔4〕。文中给出了涡轮机进口盖TOFD的检测结果。在对进口盖表面进行无损检测时,采用脉冲回波的超声波检测方法,发现了许多干扰信号。图1为脉冲回波检测区域的标识及TOFD的扫描设计。试测思路是通过定期的超声TOFD方法重复测定(如图1所示),收集裂纹尺寸数据,展示出裂纹的扩展趋势。TOFD的优点是:优
收稿日期:2002203223。作者简介:徐 丽(1977-)女,贵州省贵阳人,哈尔滨工业大学研究生,研究方向为X射线检测及图象处理。
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良的可靠性和检测的可重复性;结果的易见性和易存储性,便于快速参考比较;可监控缺陷扩展趋势。其局限性为:被测件的几何状态,特别是螺纹孔,影响扫描过程,可能引起螺纹孔附近区域检测的不完全覆盖和低检测性;由密集的缩孔引起的信号的重叠可能出现在铸件里,不能得到正确的尺寸。除了铸件表面的复杂性增加了扫描的困难,以及重叠信号不易区分外,TOFD在铸件的维护检测中是一个有用的工具
。
试了超声波传播速度、指向角的变化对检测材料性质的影响〔7,8〕。其他人如Boveyron在1992年研究了同种材料的不同结构类型如柱状晶、等轴颗粒、近似的各向异性等,以及柱状角度变化及它们对超声波传播
9〕
和在不锈钢铸件中衰减的影响〔,此外检测设备和信号处理技术的提高,都可改善缺陷信号的识别能力。1994年,Serre测试了影响超声探头的参数如焦点、焦柱直径、阻尼装置等。他还使用了裂谱技术获〔10Shie等人对具有不同、〔,作耦合剂,使用直波束脉冲回波法,通过测量传播时间和反射信号的振幅变化来确定铸件中的孔洞缺陷。沿长方体被测样品四个表面的中心轴间隔10mm手工扫描(A扫描)获取信号。然后这些数据被存入计算机保存。样品中收缩缺陷的几何形态的变化对超声波波形有很大影响。为更好的观察它们的关系,样品被切开观察了缩孔的金相图,与收集的数据配合给出结论。其结论为:超声波直射波脉冲回波技术可用于确定SS304钢中缩孔的存在与否;缩孔几何形状对超声波信号有很大的影响,严重时不能得到确定的结果;用计算机将结果处理成B扫描,有利于确定钢铸件中的缩孔的存在。114 复合材料铸件检测
AdalArasu等人在对Al2SiCp复合材料铸件的质
12〕量评价时采用了超声检测法〔。基于统计分析的检测结果表明,普通铸件与热处理复合材料铸锭在衰减率、声速和金属噪音上的差异,说明复合材料铸件具有较低的内应力,且由于弥散质点和局部凝固条件的
图1 脉冲回波检测区域(灰色区域)及TOFD扫描设计
Fig11 Areaofpulse2echoexamination(grey)andTOFDscanningdesign
112 声振分析法(AR)
Hertlin等人进行了制造过程和实际应用中的声
5〕
振分析〔。声振分析是一种新的无损检测方法,对
被测件在比较广阔的频率范围内可进行100%的迅速而有效的检测。材料特殊的声学参数可由共振频率计算并与不同的质量特征匹配。这些特征依赖于铸件的尺寸、材料和内部结构。声振分析的主要特点有:不管尺寸多大,它可检测试件的整体,不取样或检测局部缺陷;容易实现自动化,计算机辅助过程是迅速、省钱且可准确重复的;可做定性的研究;是干燥的过程,没有化学和环境问题;实践证明具有较高的可靠性。文中给出了四个实际应用的例子:①对大规模生产铸件的100%检测,产品为用于汽车刹车安全的球形铸件;②检测凸轮轴中的结构缺陷;③对铝压铸件检测,并与着色渗透试验结果进行了比较;④检测镁压铸件。检测所用的试验方案为:以声音为测试参数,以一定的方式激活样品振动,记录和分析都在几秒内进行,时域和频域的参数都依据实时的声学信号来计算,并由预设的阈值进行检查,与声学检测相关的所有的参数由监测系统控制,由此得到了高的系统有效性及可靠的结果。113 不锈钢铸件检测
改变引起其局部不完整性。这些结果是不可能通过射
线检测得到的,它表明超声检测可作为金属模铸锭和产品无损评价的有力工具。德国Pohl等人也进行了
13〕
这个领域的研究〔,他们用了复合铸件板,将铬白口铸铁浇铸到预热的铸锭内钢基体上,利用超声法检
测产品质量特别是连接质量,应用纵波探头的脉冲回波技术和斜探头的发射和接收散射测试技术,结果都由C和D扫描后处理。使用超声可检测裂纹深度、声速和衰减率。通过C和D扫描图可得到孔洞和缩孔的位置。超声法的另一用途是测裂纹深度,利用瑞利波和声程测量可得到裂纹深度。为获得特殊的机械性能,决定铸铁的弹性模量是很重要的,而此值可通过已知的方程式由横纵向声速及密度来计算,结果表明超声法是测量材料性能的一个很好的工具,同时检测结果还可返回生产过程,作为参数修正等的依据。115 铸铁检测
Stanic研究了超声波检测灰铸铁件和球墨铸铁件
针对不同材料的铸件,特别是对不锈钢铸件的检测,国内外的学者进行了一系列探索。1940～1950年,用超声技术检测不锈钢铸件很困难,主要由于被测材料的多变量,如显微结构、表面粗糙度和外部形状,影响了超声技术的可靠性。直到1957年,Lavender提高了超声检测技术的可靠性,超声技术才
广泛用于工业〔6〕。由于铸造材料的热传导率不同,铸造时颗粒方位改变,1985～1987年,Kuppermar和其他人研究了结构方位对超声波传播的影响,还测
铸造
徐 丽等:铸件缺陷无损检测方法的研究现状・537・
质量的物理基础,以及超声波在碳饱和度不同的铸铁
中的传播速度,作者指出可以用超声波检测灰铸铁原
14〕
铁液球化处理的完全性,准确性可达±5%〔。第二汽车制造厂的徐光清论述了如何利用超声技术检测该厂生产的铸件内部铸造缺陷。对于采用HT200灰铸铁制造的液压系统中的油路集成块,其内部形成的铸造缺陷主要有缩孔和组织缩松。由于集成块几何尺寸比较规则,应用底波高度分贝衰减法来检测集成块内部缺陷是十分有利的。对于采用球墨铸铁(QT60022)铸造的汽车正时齿轮,其齿面内部主要有缩孔、缩松等铸造缺陷,,可行的,15〕法〔。Stelling的超声检验法———样品比较法。原理是把显示的铸件缺陷与适当的标准样品形成的反射状况进行比较。在选择适当的比较(标准)样品时,需使它具有与被测试样相同的特性,因此需考虑如下条件:①铸件几何形状(声场几何形状);②检测表面状况;③声衰减影响;④声速。铸件缺陷以多种形式出现,在零件中以不同形状、数量、位置存在,这给超声检验带来评价上的困难,主要是:①零件的形状复杂;②铸件材料对声波传输的影响;③不易取得最佳反
17〕
射状态。另外,大连理工大学的李喜孟等人〔对超声波与球墨铸铁管的球化率、超声波衰减系数与球铁管的力学性能之间的相关性进行了试验研究。结果表明,声速与球化率之间较好地符合线性关系,衰减系数与抗拉强度及伸长率均有明显的相关性,二者均可用于离心球铁管的无损评价。土耳其的C1Hakan1G等人研究了对球墨铸铁用超声方法进行无损检测的特
18〕征〔。作者研究了超声技术在球墨铸铁结构及性能评价中的作用,并提供了与使用的声速和衰减率测量相关的数据。对铸态和热处理后的试件分别进行相同的测量,在不同的检测频率下测量了超声波声速和表面衰减率。结果证明超声技术对石墨形态的变化很敏
211 X射线实时自动化检测系统
文献〔19〕介绍了一种完全自动化的检测系统MU69,该系统采用X射线技术和自动化检测过程,使最终的用户得益于质量的提高和操作费用的减少。图2为该检测系统的示意图;图3给出了利用这一系统获取的高质量的铝铸件X射线图象。文中给出了依据经验确定参数并利用无定晶的硅平板数字图象设备获得的射线图象,指出在射线检测中最广泛使用的CCD,同时也分析有限的动态范围,有,,。而数字图象设,当操作是完全自动化模式时这点更明显。而且数字图象设备增大了检测区域,实质性地提高了对比度,在某些情况下提高了分辨率。文中提出了数字图象设备的两种基本设计:一种是基于非
定晶硅或硒传感器阵列的平栅格;另一种则是基于线性二极管的阵列(LDA)。此X射线系统能够检测的产品范围很广如可疑的关节,十字形部件,变速箱壳和汽车轮子等。它的优点是:X射线检测结果的可靠性和一致性,减少了操作时间和劳动量,由于检测结果可及时产生并生成表格,它可作为过程控制的工具。
图2 自动化检测系统MU69
Fig12 HighSpeedFullyAutomaticX2rayInspectionSystemModelMU69
感,也可以预测机械性能。超声技术不需要样品的制
备和破坏检测,而且能在几分钟内完成,是一种低成本的方法。
2 X射线检测法
在过去的50多年里,射线检测已成为工业无损检测的主要技术之一。随着生产规模的扩大和质量检测标准的提高,对射线检测设备及相关技术的要求也越来越高。对于X射线检测,新的研究重点在于不断提高X射线图象的获取技术,以及发展现代计算机软硬件技术,以使检测过程在高速和真正完全自动化的模式下进行。
图3数字图象处理技术获取的高质量铝铸件X2射线图象
Fig
13 HighqualityX2rayimageofanaluminumcasting
usingadigitalimagingtechnique
HerbertBoerner在文献〔20〕中也提到了类似的
用于铝铸轮的X射线图象自动缺陷检测系统。此X射线自动检测系统包括四个主要部分:试件支撑系统,X射线产生装置,将X射线能量转换为电信号
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的传感器和图象处理器。文中提到两种传感器、图象增强器及闪烁体光电二极管元件的线性阵列,并比较了它们的优缺点。通常用图象增强器,因为它与用于铸铝轮图象成像的X射线谱匹配很好,有好的空间分辨率,与二极管相比可更快地获取图象。而后者在硬X射线的量子效率和动态范围上更好。212 X射线检测的图象处理方法
Herbert还讨论了用于象素分类的局部特征的定义、提取和结合。在图象建立过程中对缺陷形态,信号和噪声进行了分析。在图象处理中,提出了非线性灰度值变换和线性黑点校正等方法。视为象素归类问题,的局部特征选择方法方法将象素归类分割象相减、线性及非线性滤波运算、局部缺陷模板及直角与旋转局部特征结合等。象素归类时讨论了两种可能的方案:由阈值或“模糊点扩展”进行分割定义。对于缺陷自动检测来说,好的分割方法应尽可能少地依赖严格的假设,如物体固定的位置和取向。文中提到的多数方法特别是高斯差分滤波器和旋转不变量正交特征都满足这个原则,并指出X射线自动检测中遇到的问题大致分两类,特征提取方法对噪声的敏感性和常规结构局部特征的提取不足性。噪声的敏感性可通过局部灰度值差分和平滑等方法解决。后者要复杂得多,这是由于遇到的试件形状多样性造成的。目前,局部特征与良好的去噪相结合已经产生了最好的选择性。针对更多方法的产生和分割的高稳定性,Herbert对进一步的研究提出了建议。在未来,有必要结合更多信息进行判别,比如利用松弛法和多分辨率法等。
Kaftandjian等通过数字射线实时成象法对铝铸件
21〕
进行了无损检测〔。物体移动时内部缺陷被自动检测且被标明类型,指出缺陷识别过程包括缺陷检测、特征提取和识别三部分。检测方法基于数学形态学,缺陷模板选择的特征有:形状、方位、宽度和对比
分析的方法建立了分类树。在缺陷识别时提出了一种新颖的算法实现物体的再连接,从而使裂纹的正确识
22〕
别成为可能〔。213 特殊缺陷检测方法
德国的C1Lehr等人用基于摄像机模型的立体射线实时成像系统对内部缺陷进行三维分析。用任意方向的两幅X射线图象就能得到缺陷位置和体积。系统计算三维位置的准确率在视角旋转25°时达到013mm,10%。使用此系统获他缺陷〔23〕。Domingo,提出了铝铸件射线自动检测的改进
24〕
新方法〔。针对在去除伪缺陷时可能将真实缺陷也去除的问题,作者提出了基于分割和关系搜索两步分
析的有效方法。第一步使用传统的PXV5000软件将缺陷区域划分出来,而不考虑伪缺陷的数目;第二步尝试寻求各幅图象中缺陷间的联系。射线图象中的真实缺陷出现位置应满足一些几何约束,利用视觉几何原理检出真实缺陷。使用该方法可将错误检测率降到零,结果表明它是一种去除伪缺陷和搜寻真缺陷的高效方法。
另外,美国的研究者提出一种用于距离图象的基
25〕
于CAD的三维检测系统〔。这是一种用在铸件距离图象中缺陷检测的自动化视觉检测系统,系统在几个阶段(包括表面分类和检测)都使用了计算机辅助设计模板信息。此技术用于检测平面、柱面、球面和锥面等表面以及尺寸公差、普通铸件缺陷如凹陷、浇不足等。文中使用了基于模型的二次曲表面分类技术,利用表面几何特征值和已知模型参数给出表面类型,另外采用双向模板匹配方案检测整体缺陷。这些方法已用于大量具有实际缺陷的铸铁件距离图象的检测,检测系统对铸件缺陷的正确分类率超过90%。
德国的Strecker也提出了一些比较特殊的检测方法。他利用X射线扇形束和针孔摄像机获取铝铸件
26〕
散射图象〔,使用X射线扇形集中束照射整个物体层,而用针孔口获取这层辐射的散射图象。这种方法的主要优点是仅用一维的机械转换就能得到三维的物体照片。空间分辨率由几种扇形束的厚度和针孔直径决定,可容易地由分辨率要求进行调节。应用此方法的主要问题是中心和散射辐射的衰减率引起的非二值图像(衰减生成物)和减小对比度的复合发散效应。鉴于此方法,文中建立了特殊适应性的X射线图象增强/电视系统,用射线照相胶片作为传感媒介进行了初步测量。作者由试验得到铝铸件一特定层的散射射线照片,其中一些缺陷如气孔清晰可见。此方法的主要问题是衰减生成物和测量时间。解决衰减生成物引起的非二值图像的方法有,多阈值法、随中心束穿
度,识别方法基于分类树。针对工业生产中需要在高速和非接触条件下实时检测铸件缺陷,文中提出了基于线性探测器(lineardetector)的数字射线实时成像方法,考虑了八类缺陷:横、纵及树枝状裂纹,气孔,大、中尺寸的缩孔,线性缝隙及缩松。在缺陷检测和特征提取时采用了图象处理软件VISILOG41113和MATROX。在图象分割时采用基于形态学“高帽变换”的自适应阈值法。文章对中值滤波降噪处理后的图象用形态学重建的方法获得分割图象。小的高帽变换适于裂纹的提取,而大的高帽变换用于孔洞和缩松的提取。文中对形状、宽度、方向、位置和对比度分别定义了特征参数用于建立缺陷模板,用类似聚类
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徐 丽等:铸件缺陷无损检测方法的研究现状・539・
过物体层方向自适应阈值改变。减少测量时间的方法
有,采用更有效的探测系统,如用商业X射线图象增强器和氧化铅电视摄像管;使用三个或更多的射线源或使用同位素源。作者实现了铝铸件孔洞的自动检测,此方法更适于不能使用投射法的X射线无损检测,假设材料厚度超过X射线或γ射线穿透力以致不能接触被测物内部,通过测量背散射辐射可得到物体表面附近区域的图象。作者针对在X射线投影图象中可见的缺陷(大多为孔洞)的自动识别和分类,研究了一种结合了局部特征算子和灵活的图象匹配技
27〕
术的方法〔。局部特征算子转换为二值图象,敏感,,对由局部分类器从原始灰度图象得到的二值图应用二次特
质量。作者优化了Feldkamp重建算法,使远离中间位置平面上的密度错误减少了,并减少了重建时间。文中给出了铝铸件的外表面图
,包含孔洞的切面图,二维切面的二值图象(如图5所示)及标明了孔洞的等位图(如图6所示),孔洞的尺寸、方位和位置可
通过半透明的等位图看出。此锥形束X射线层析摄影系统被证明是铸件质量控制的一种可行的方法,复杂结构中的缺陷可依据其三维的形状、位置和取向被检测出来,,可实现快速的无损征算子。作者还给出了一种灵活的匹配技术去除所得二值图上的假缺陷,它是基于一幅二值参考图行列非线性阵列的方法,而非线性阵列用动态编程实现。
3 X射线层析摄影法
在19世纪70年代,X射线层析照片在医学中得到突破性应用后,世界各地的研究人员都在研究如何把这一技术应用到工业无损检测中。1978年最早的试验在德国柏林BAM用EMI5005扫描器执行。其他的研究包括用模拟编程来评价所选几何结构的空间和密度分辨率,程序计算X射线穿过物体横断面各可能的侧面和角度的衰减率。重建算法是最常使用的滤波反投影技术。多数层析照片都是用试验扫描器获得的,使用γ射线同位素源(Ir,Cs,Co)和单独的NaI探测器,检测时只有物体移动,微机控制扫描装置,数据处理和图象重建。用31针的探测器和新扫描器可减少扫描时间,它可检测平移2旋转模式的大物件和扇形束检测中只具有旋转模式的小物件。影响X射线断层照片的四个参数是:空间分辨率、密度分辨率、噪声和人为产物,其中前三个参数是不独立的,只能有一个取得最佳值。这种新的检测技术可在其它如超声波方法不能检测的特殊情况中(如复杂结构、多层容器等)应用,进行缺陷和裂纹的定位及检测。并可对其它不能提供横断面图象的无损评价方法如超声波、涡流方法进行校正。
Simon等人给出的三维层析摄影法可检测任何复
28〕
杂的铸件〔。图4所示为X射线三维层析摄影原理图。通过一次扫描重建三维物体,最多可分析1000个切片。由于测量可重新得到材料的几何数据,结果可用于缺陷检测、材料和几何变量的研究。可进行裂
图4 三维X射线层析摄影法原理图
Fig14 Principleschemeof3Dcone2beamtomography
图5 由三维数据提取的二维切片(二值图)
Fig15 Extraction
ofa2Dslicefrom3Ddata
图6 标记孔洞的半透明等值面
Fig16 Semi2transparentisosurface(binarizedimage)plotwithmarkedvoids
另外,1982年联邦德国菲利浦研究实验室研究
成功透射式散射线小孔照相层析摄影法,并应用于铝铸件的内部质量检查〔29〕。日本日立公司用一种高能的X射线CT系统测量了铝铸件的密度值,因为层析
纹的三维位置、形状分析及测量数据和CAD数据的比较。缺陷特征分析可优化铸造过程
,极大提高铸件
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图象通过来自多方位传送数据的重建操作反映了材料密度。试验采用含有微孔缺陷的直径为43mm的烧结铝粉,结果表明此CT系统的分辨率达到±1%,基于试验结果可分析铝铸件的组成,此系统可用于微孔
30〕
定量分析〔。
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4 铸件缺陷检测方法发展趋势
综上所述,超声检测、X射线透射检测及射线层析摄影法各有其自身的特点,在铸件检测中都得到了
不同程度的应用,根据具体被测铸件的材料、几何形状等特征选择合适的缺陷检测方法是很重要的。现代断向前发展。理超声波信号,,以及利用先进的计算机技术实现铸件缺陷真正的自动化检测及质量评价。另外,考虑将多种检测方法结合起来,达到最佳的检测结果也是有待开拓的研究领域。Feiste等人已经尝试将本文提到的几种检测方法结合起来,进行铸件缺陷的连续过程检测及参数化,取得了较好的效果〔31〕。他们对轻金属铸件,用微焦点实时成像系统定量地二维描述铸件缺陷的位置、大小、类型,同时分析声发射信号,再利用层析摄影法得到铸件内部缺陷的位置和深度。文中将声发射特征值与铸件密度等质量特征联系起来,用射线实时成像与声发射结合进行铸件缺陷检测。
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(编辑:杜向才,duxc@foundryworld1com)