大型薄壁复杂钛合金构件x射线检验的应用

大型薄壁复杂钛合金构件x射线检验的应用

1x-ct无损检验随着我国工业制造技术的发展，零件结构变得越来越复杂，零件的尺寸也越来越大。由于对使用性能的要求越来越高,整体铸造工艺也不断改进,以铸代锻、以铸代焊的零件越来越多,这就对无损检测提出了更高的要求。根据现代集成制造系统(CIMS)方法的要求,在零件或构件的设计阶段就要考虑到如何进行质量检测的问题,设计者还应该根据无损检测人员的反馈信息修改或更新设计。本文就是对该思想的一个例证。此项无损检验任务就是配合某大型薄壁复杂整体钛合金构件以铸代焊的工艺研究而开展的,该构件原来通过多次铸造得到很多部件,分别进行质量检验,最后再把多个合格的部件焊接在一起组成的整体结构。对于生产过程中分离的部件,如图1所示即为分离状态下的支撑板结构,采用射线照相法,实施起来比较方便,也能实现对所有区域100%的质量检验。为了提高结构的刚性和综合性能,现在改用一次铸造成型后,就给检测带来了困难。由于结构的复杂性和各部分之间的互相遮挡,射线透照的角度必须重新考虑,由于结构形状影响,射线检验的灵敏度也不易保证,可见采用X射线检验法是有困难的,因而有必要对这类结构的检测方法进行认真研究,对于能够用X射线检验的区域我们进行了认真的分析和实际检验,同时也考虑了采用新的检验方法来弥补。另据文献介绍,大型复杂结构件的检测一般采用工业CT方法比较有效,如美国BIR公司生产的ACTS-12000系统可以检测4m直径的火箭发动机,TONNER报道的SVCT系统(60MeV直线加速器)可用于检测航天飞机的固态火箭发动机等。但由于国内现有的CT系统不是扫描尺寸不够就是能量不足,导致对整个构件无法穿透,不能满足全面质量检验的要求。常规射线检验方法却能对此构件的绝大部分区域进行内部缺陷的检验。因此本文主要介绍常规射线照相检验的有关内容。2检测方法的选择内部缺陷检测是保证零件质量的有效手段,一般可以采用射线或超声的方法。铸造零件的表面比较粗糙,大部分部位无法进行超声检测,采取射线照相法比较有效。常规的射线照相法可用于检测几何形状或者结构比较简单的铸件,而且射线方法对体积型缺陷最敏感,适用于铸件内部缺陷的探伤,具有灵敏度高、缺陷显示直观的优点,也便于对各种缺陷进行定性和定量测量,还具有操作程序统一、易于控制的优势,因此可重复性好、检验结果也易于保存和查对。但对于整体铸造的构件检测就需要重新考虑检测方法。由于大部分区域可以用射线照相法实现X射线检测仍然是非常重要的手段;但是对于某些复杂部位(如图2中的支撑板部分)和多个型面的连接区域,用X射线进行透照时角度不理想,有的区域根本无法放置X光胶片,因而无法进行射线检验,有的部位虽可勉强进行X射线检验,但其探伤灵敏度已大大下降。但从设计和使用角度来看,这些部位往往是关键区域,受力比较集中,由于型面的变化,也容易形成铸造缺陷。该件的质量级别为Ⅰ类件,要求的灵敏度水平较高,而且要求对100%的区域进行检验。为达到上述要求,需要采用射线照相、工业CT、渗透检验以及工业内窥镜辅助检验等多种技术,以实现对构件表面和内部缺陷的全面检验、处理和验收评定等。2.1透照厚度不足够整体铸造成型的大型构件,外形尺寸较大,最大直径将近1m,而且是双环结构(见图2)。总体上是圆形对称结构,但可以采取周向透照的内环部分的直径又不足够大,不利于高灵敏度条件下的周向检测;大部分区域为薄壁腹板,对检测灵敏度有较高要求,还有很多加厚的法兰边和变截面区,要考虑透照时的厚度宽容度或考虑采用双胶片技术,以减少过多的透照次数;内外环之间的距离很小,不利于对支撑板的透照;连接内外环的支撑板也是空心的薄壁双层复杂结构,大部分区域都被内外环遮挡,不利于射线透照;法兰较窄,不易检验,由于是安装边,是受力集中处,属于构件的关键区。2.2零件中透照次数的确定由于零件的待检测面很多,而且方向多种多样,必须对铸件进行分区,便于进行试验和讨论,参考图2,把整个零件分为3大部分,分别为内环、外环和支撑板。内环呈倾斜状,而且有厚度不均匀的盆底,外环上除了凹凸不平外,还分别有内外两个法兰边,法兰边上还有凸台,这些都应一一编号区分。考虑到该零件整体上为圆形对称结构,各区都可分为对称的6个部分,即从一个特征部位开始分区。由于外环区腹板的厚度变化较大,而且是弧形面,不能按照平板工件透照法进行检验,要考虑有效透照区的大小和成像质量。圆环分区的总数不能太小,应按照曲面工件的透照方法进行,根据源在外单壁透照的理论,应计算或查表得出在所要求灵敏度级别下的最少透照次数。支撑板为此构件的主要部件之一,如图3所示。横截面为长椭圆形,垂直支撑板长度方向的两侧有分流环,端头很厚,中央为很薄而狭长的筋板结构,由于分别被内外环遮挡,不易透照。另外支撑板腹板厚度不一,中间还有空腔,应将其分为4个区域分别从两侧进行透照,还要把工件倾斜,以保证较好的透照角度。支撑板连接的内、外环以及分流环的根部,无法放置胶片,不能进行X射线照相检验。2.3周向式检测中心设备的标定考虑到该结构是圆环形的中心对称结构,而且直径较大,按照常规采用周向辐射方法是最简洁和高效的,但由于其为双层结构,采用周向曝光时只能对内环进行。根据射线照相理论,射线底片影像的几何不清晰度:==式中—工件射线源侧表面至胶片的距离,即透照厚度—射线源的有效尺寸—几何不清晰度由于周向式的焦点与常规射线的焦点形式不同,不能直接采用射线机提供的焦点尺寸值,但可以参照普通射线机的焦点计算方法来估算根据所用周向辐射式射线机焦点尺寸计算出的等效焦点尺寸为4mm,相关标准中对B级规定的为此,采用周向式射线机360°辐射法对该构件的内环进行检验。实验条件如下:X射线机:德国产ISOVOLT1610型周向辐射式。胶片:天津V型,带有0.03/0.03mm铅箔增感屏。透照参数:焦距平均0.09m;透照电流10mA;曝光时间3min。采用不同的管电压分别进行。2.4像质计的选择根据前面分区的结果,对每一可透照区域确定其透照工艺,考虑到该零件为薄壁结构,应采用B级检验技术以达到较高的检验灵敏度。由于GB5618—85规定的像质计中没有钛合金材料,新的HB7684—2000中规定了钛合金像质计,在该构件的检验中采用钛质像质计。在透照中,射线源应位于有效透照区的中心线附近,中心射线束应尽量垂直指向有效透照区的中心。实验条件如下:X射线机:德国产定向式ISOVOLT320/160射线机。胶片:天津V型,带有0.03/0.03mm前后铅增感屏。像质计:HB7684—2000标准规定的钛质丝型像质计系列。透照参数:焦距1.5m,透照电流20mA,曝光时间1.5min不同部位的透照参数本文从略。33.1检验灵敏度如前所述,利用周向机试验,选用不同的射线能量进行,结果得到的底片黑度很不均匀,质量很差,无法达到标准所要求的检验灵敏度。分析原因,其内环直径平均仅约300mm,而且不是标准的圆筒形,其直径从大到小有很明显的变化,从周向机射线源到达内环直径不同的各部分焦距变化较大,导致在同一底片上得到的黑度差别较大,再加上透照时极小的焦距导致几何不清晰度较大的影响,所以得到的底片质量不佳是正常的,可见,该构件用周向式透照法不能保证对各种缺陷的有效检出。3.2其他缺陷检测采用定向式射线检验方法,对生产中的试验件进行检验的结果见表1,主要包括不同厚度下的灵敏度测试结果以及所发现的缺陷种类和大小。根据用像质计对不同厚度范围内灵敏度的测定结果(表1)来看,透照检验的要求灵敏度是能够达到要求的。对于特殊区域,应该用其它无损检测方法进行辅助检验,比如用工业CT进行扫描,用超声斜入射检测等。在目前无法100%检测的区域,一方面考虑用其它方法进行,另一方面应该通知设计方面,考虑用铸造工艺来保证难检区域的内部冶金质量。3.3检验件的检验根据表2所示的该零件内部缺陷的验收条件,对所得底片上各种内部缺陷的尺寸进行测量,并按照构件图纸中对关键区B级、非关键区C级的技术要求进行整体判别和验收,由于我们是对实验件进行检测,其中铸造缺陷比较严重(参见表1中的内容),远达不到验收标准中对合格件的要求。把此结果反映给检验委托方,对于进一步改进铸造工艺有一定作用。4双胶片透照工艺(1)周向辐射透照方法对于该构件的检验效果不好,采用定向式X光机进行检验是比较有效的。(2)考虑到该零件的大部分区域均为薄壁结构,为了保证检验灵敏度,应该采用较大的焦距,采用较高级别(B级)的检验技术。(3)对于局部厚度较大或者厚度变化较大的区域,原则上可以使用双胶片技术,而我们采用了多次透照方法,虽然增加了检验次数,但是简便易行,能够达到灵敏度的要求,也适合实际工作的需要,故在此没有采用双胶片技术。(4)需要指出的是,由于该构件的复杂性,用单一某种方法,很难实现对内部缺陷100%的检验。对于某些区域,如支