运载火箭作为最重要的航天运输工具，由箭体结构、增压输送系统及飞行控制系统组成，其中箭体结构主要包括氧化剂和燃料剂贮箱等部件，增压输送系统主要包括导管和气瓶等部件。
贮箱及导管产品中包括大量筒形焊接成形件，例如筒段、主导管、波纹管等，其利用单张或多张板材辊弯后通过熔焊或搅拌摩擦焊工艺拼焊成形，主要焊缝结构形式为纵缝。
受环境条件和焊接工艺等因素的影响，在焊接过程中，焊缝内部不可避免地会出现各种类型的缺陷，如熔焊中易出现气孔、夹杂、未熔合、未焊透、裂纹等缺陷，搅拌摩擦焊中易出现孔洞、未焊透、隧道孔、弱结合、夹杂等缺陷，且具有紧贴细微、取向复杂等特点。 为确保产品质量满足严苛的工作环境要求，须对所有拼焊后的Ⅰ级、Ⅱ级焊缝进行100%X射线检测，目前筒体类纵缝仍大量采用人工胶片射线照相技术，存在工序繁琐、效率低、环保性差、底片储存查难等系列问题。 随着高性能辐射探测器进入高速迭代发展的新时期，部分特殊结构（长条形、曲面）辐射探测器在工业无损检测领域的应用正逐步拓展，为小直径筒形结构产品的射线数字成像单壁透照提供了有效解决方案。 NASA（美国航空航天局）、ESA（欧洲航天局）等组织已经把自动化、数字化、智能化程度更高的射线数字成像（DR）检测技术广泛应用于贮箱、异形导管焊缝的高效检测，研制了一系列定制化的检测装备，相关标准体系完备健全，具有成熟的工程应用经验。 国内目前DR检测技术处于高速发展阶段，先后颁布了导则类标准GB/T 35389—2017、设备器材类标准GB/T 35394—2017、通用检测方法类标准GB/T 35388—2017及焊缝检测方法标准GB/T 3323.3—2019，初步构建了DR检测标准体系，同时部分企业单位开展了大量相关检测技术及装备的研究工作，但在射线数字成像检测装备普适性、功能性、自动化程度等方面的研究有待深入，核心部件射线源、探测器的稳定性和可靠性与国际先进水平相比仍存在一定差距。 上海航天精密机械研究所的科研人员以运载火箭箭体结构筒段、动力系统主导管、波纹管等板材辊弯拼焊筒形焊接结构为对象，提出了自动化检测系统的设计要求，确定了系统相关部件的参数选型，设计研制了一套适用于多品种、多规格筒形焊接件的DR检测系统，并通过产品应用试验验证了系统可以实现运载火箭薄壁筒体类焊缝的快速高效自动化检测。 系统设计 薄壁筒体焊缝射线数字成像检测系统由射线成像系统、机械结构系统、电气控制系统、图像采集及处理系统，以及相关附件组成。 1 透照技术设计 根据透照布置最优化原则，单壁透照理论上具有最高的检测灵敏度，射线束与工件垂直透照有利于绝大部分缺陷的检出。 由于部分工件最小直径较小，采用射线源在内透照时，源与产品内表面的距离很小，在一定的放大倍数下焦距也较小，导致图像的几何不清晰度较大，因此系统拟采用射线源在外，探测器在内的单壁透照方式，其结构示意如图1所示。 图1 透照布置结构示意 2 射线成像系统设计 射线成像系统由X射线源、平板探测器组成。为了满足薄壁筒体纵缝的检测图像质量要求，依据GB/T 3323.2—2019中A级技术等级的规定开展射线成像系统设计，图像应达到的技术指标如下：材料铝的透照厚度为3~12 mm， 灵敏度为W16-W12，空间分辨率为D10-D8，归一化信噪比≥70。 平板探测器的性能决定了系统可分辨最小细节的能力，其技术指标包括像素尺寸、量化位数、帧速等。平板探测器应至少达到以下要求： 1 像素尺寸的选择 图像空间分辨率最高应可识别双丝D10号线对（即100 μm），因此探测器的像素尺寸应不大于100 μm。 2 外形尺寸的选择 系统采用射线源在外、探测器在内的单壁透照方式，工件最小直径为230 mm，为满足探测器进入小直径筒体的要求，探测器外形尺寸应不大于180 mm，同时长度方向尺寸宜尽量较大，以提高一次成像范围和检测效率。 X射线源的性能决定了系统可识别最小厚度差的能力，其技术指标包括管电压、管电流、焦点尺寸等。X射线源应至少达到以下要求： 1 焦点尺寸的选择 当射线源的焦点尺寸较小时，可通过一定的放大倍数获得更高空间分辨率的图像，以提高图像中缺陷的细节显示能力，因此其焦点尺寸应不大于0.2 mm。 2 管电压的选择 检测系统使用的材料与厚度范围决定了X射线源的能量，因此X射线源的最高管电压应不低于160 kV。 3 管电流的选择 曝光量是保证检测图像信噪比的基本要素，受管电流和积分时间的共同影响，X射线源的最高管电流应不低于2 mA。 3 机械结构设计 机械结构系统由七自由度悬臂检测组件、电动平车、旋转工作台组成。检测纵缝时，机械结构系统应始终与射线源和探测器同步升降，且射线源出束方向与探测器平面垂直。机械结构系统应至少具有焦距调节、工件旋转、同步升降等功能，其结构如图2所示。 图2 机械结构运动轴示意 x1和x2轴的有效行程不低于2000 mm，z1~z4轴的总行程大于2100 mm；工作平台沿工件垂直方向旋转，可实现多条纵缝、多个产品的切换，满足8个导管类工件的自动化检测。机械运动轴重复定位精度优于±0.1 mm，旋转轴重复定位精度优于±0.05°。 4 电气控制设计 电气控制系统负责协调机械结构系统、射线成像系统、图像采集处理软件的工作，以实现射线数字成像检测工艺，并实现人机交互与信息传输，电气控制系统框图如图3所示。 图3 电气控制系统框图 5 图像采集及处理软件设计 图像采集及处理软件需满足射线成像检测过程的图像采集、显示、存储、处理、测量、分析等基本功能，其软件界面如图4所示。其他功能还包括工艺示教功能、图像校正功能、图像计量功能以及自动命名等。 图4 图像采集及处理软件界面 检测工件与系统 检测工件为某运载火箭型号筒段、主导管、波纹管，其实物如图5所示。 (a) 主导管 (b) 筒段 (c) 波纹管 图5 检测工件实物 主导管和波纹管的高度为550~650 mm，透照厚度3~6 mm，直径230~440 mm；筒段高度为421~2000 mm，透照厚度4~12 mm，直径3350~3800 mm。 检测设备为上海航天精密机械研究所自主研制的型号为WDR-225的射线数字成像检测系统，如图6所示。 图6 薄壁筒体焊缝射线数字成像检测系统实物 X射线源的管电压为225 kV，管电流为2 mA，焦点尺寸分别为50，130，200 μm，辐射角度为40°×40°。 平板探测器有效成像区域为97 mm×233 mm，A/D转换位数为16 bit，像素尺寸为76 μm，像素矩阵为1280×3072。 机械运动系统的x轴有效行程为2100 mm，可实现最大焦距为1500 mm，z轴有效行程为2200 mm，最多支持8个工件的安装放置，满足直径为230~3800 mm 工件的自动化检测要求。 成像检测系统基本性能试验 成像检测系统基本性能参数包括空间分辨率和归一化信噪比，决定于平板探测器系统本身的结构与特性，同时受射线束谱及剂量影响。 对成像检测系统的基本空间分辨率和归一化信噪比进行测试，焦距为1000 mm，采集帧数为32帧，积分时间为300 ms。测试空间分辨率的曝光试验的管电压为90 kV，管电流为0.2 mA，无滤板；测试归一化信噪比的曝光试验的管电压为120 kV，管电流为0.5 mA，滤板为CU（3 mm）。系统基本性能测试结果结果如图7所示。 图7 系统基本性能测试结果分析 通过自研软件在图像的中间区域获取线宽度为21个像素的调制度传递函数曲线，依据公式计算得到系统的基本空间分辨率为95.5 μm。 通过选择5个50×50像素区域（四角及中心区域），根据公式计算得到系统的归一化信噪比为703。 典型产品应用 1 自动化检测程序设计 通过G代码指令控制各系统的逻辑时序，实现系统各组件功能的调用，以完成整个检测过程，设计的检测流程机械运动逻辑如图8所示。 图8 检测流程的机械运动逻辑 伺服控制系统是检测系统自动化运行的核心部件，根据不同筒体的检测工艺，设计了自动化检测控制程序。典型产品的自动运行界面如图9所示。 图9 产品的自动运行界面示例 图像采集及处理软件通过ADS通信协议实现与伺服控制系统的信号交互，在自动保存模块设置文件的保存路径、命名规则，使图像在自动采集模式下按照设定好的规则有序存储。自动保存模块界面如图10所示。 图10 自动保存模块界面 2 试验参数 采用该系统对筒段、主导管等产品进行了应用测试，综合考虑检测效率及图像质量后，进行透照参数的设置，焦距为1000 mm，一次透照长度为150 mm，几何放大倍数为1.25倍。 通过优化的检测工艺对检测图像的质量指标进行了分析，典型工件的曝光参数如表1所示。 表1 典型产品曝光参数 3 筒段测试结果 某型号筒段高度为1400 mm，焊缝数量为4条，采用自研系统对焊缝进行自动化检测，结果如图11所示。采集的图像总数量为40张，综合检测效率较胶片法提升6倍。 图11 筒段检测结果 成像结果表明，在一定的放大倍数下，DR图像噪声控制明显优于胶片法，由于DR图像可根据灰度分布调节部分感兴趣区域至合适的窗宽窗位，获得更好的缺陷显示对比度，因此显示的隧道孔缺陷轮廓及形貌特征更加清晰。 筒段检测图像的对比结果如表2所示，可知系统检测6 mm筒段产品的检测图像对比灵敏度为W16，相对胶片照相法的提升一个线对，图像的对比灵敏度、空间分辨率和归一化信噪比均优于A级技术条件。 表2 筒段检测图像测试结果对比分析 4 导管焊缝测试结果 某型号导管高度为1000 mm，焊缝数量为1条，采用自研系统对其进行自动化检测，结果如图12所示。采集的图像总数量为7张，综合检测效率较胶片法效率提升5倍。 图12 导管检测结果 根据成像结果得到线形缺陷的延伸方向一致，DR结果的信噪比明显优于胶片，对裂纹、未熔合等缺陷的细小特征显示更加清晰，缺陷边界轮廓对比度更优。同时，DR图像具有很宽的动态范围，适用于黑/灰度差异较大的感兴趣区域。 导管检测图像的对比结果如表3所示，可知系统检测导管产品的检测图像对比灵敏度为W17，相对胶片照相法结果提升一个线对，检测图像的对比灵敏度、空间分辨率和归一化信噪比均优于A级技术条件。 表3 导管检测图像测试结果对比分析 结论 以运载火箭薄壁筒体焊缝为应用对象，通过自主研制DR检测系统，实现筒段、主导管、波纹管等焊缝的数字化、自动化检测，主要结论如下： (1) 根据检测工件、检测标准等要求开展透照技术、成像检测系统、机械结构、电气控制、采集软件的设计，确定了系统的设计方案及技术指标。 (2) 设计研制了薄壁筒体焊缝DR检测系统，经性能验证，该系统满足应用对象的检测技术要求，能实现自动化检测，检测效率可提升5倍以上。 (3) 对典型产品进行了应用测试，图像质量均满足A级技术条件要求，对比灵敏度优于胶片照相法，缺陷形貌特征与胶片法的基本一致，具备工程化应用条件。 作者：王文强1,2，孙建宇2，陈辉2，杨陈程2，叶晗鸣2，姜恒2，蒋孝乾2 工作单位：1. 上海神剑精密机械科技有限公司 2. 上海航天精密机械研究所 第一作者简介：王文强，硕士，工程师，主要从事射线自动化检测的研究工作。 来源：《无损检测》2025年3期
