Определение толщины объекта контроля методом рентгеноскопии

К.Г. Мирошин, Е.И. Косарина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ МЕТОДОМ РЕНТГЕНОСКОПИИ

Применение метода рентгеноскопической толщинометрии для отливок авиационной техники

Формирование рентгеноскопического изображения можно представить по этапам (рис. 1):

- источник формирует излучение с мощностью экспозиционной дозы Б0, которое воздействует на объект, толщина которого в направлении излучения меняется от 1Шш до ^ах - линейный коэффициент ослабления излучения материалом объекта контроля);

- под действием излучения с дозой Б0 за объектом формируется радиационное изображение, представляющее собой распределение мощности дозы излучения в зависимости от толщины X объекта: О = О0 • е"^;

- преобразователь фиксирует скрытое радиационное изображение и переводит его в цифровое, доступное для анализа.

Результатом рентгеноскопического контроля является цифровое изображение. Оно представляет собой двухмерную матрицу с определенным значением цвета в каждой ее точке. В данном случае результирующее цифровое рентгеноскопическое изображение имеет цветовую палитру на основе 256 оттенков серого цвета, с изменением от черного до белого. Таким образом, каждая точка изображения имеет определенный цвет в пределах этой палитры, который, в свою очередь, зависит от дозы рентгеновского излучения, попавшего на входной преобразователь рентгеноскопической системы. На радиоскопическом изображении участки, соответствующие большой толщине объекта, выглядят темными по сравнению с участками, соответствующими малой толщине объекта.

Описание объектов и результаты их рентгеноскопического исследования

Для проведения практической части работы был выбран некоторый набор образцов из магния, алюминия, титана и железа. В качестве источника рентгеновского излучения использовали рентгеновский микрофокусный аппарат РАП 150М, а в качестве приемника - рентгеноскопическую установку «Норка» с флуороскопическим экраном и системой передачи изображения с экрана на монитор компьютера. Все используемые образцы представляли собой ступенчатые клинья с известными значениями толщины каж-

Источник излучения

Излучение с мощностата экспозищшошший дщяш Б0

Объект контроля с шецшжешшй

ТОЛЩИНОЙ <МГ 1тт ДО !тах

Распределение мощности дозы излучения за объектом по закону В=Б0-е~^

Преобразователь

Рентгеноскопическое изображение -распределение уровня серого цвета

Рис. 1. Схема формирования рентгеноскопического изображения

дой ступени. Например, образец из сплава МЛ5 на основе магния представляет собой ступенчатый клин, состоящий из пяти и семи ступеней, в каждой ступени проделаны плоскодонные лунки цилиндрической формы различной глубины (рис. 2, табл. 1).

Рис. 2. Фотография ступенчатых клиньев из стали, титанового, алюминиевого, магниевого сплавов

Таблица 1

Результаты замеров параметров образца из сплава МЛ5 на основе магния

Ступень 0, толщина 27 мм

Ступень 1, толщина 23 мм

Ступень 2, толщина 18,7 мм

Ступень 3, толщина 14,8 мм

Порядковый номер лунки

Глубина лунки

%

Порядковый номер лунки

Глубина лунки

%

Порядковый номер лунки

Глубина лунки

%

Порядковый номер лунки

Глубина лунки

%

1

14,81481481

1

3,5

15,2173913

1

4,1

21,92513369

1

2,7

18,24324324

2

2,5

9,259259259

2

2,5

10,86956522

2

2,7

14,43850267

2

13,51351351

7,407407407

8,695652174

2,2

11,76470588

1,5

10,13513514

1,2

4,444444444

1,2

5,217391304

1,5

8,021390374

6,756756757

3,703703704

4,347826087

1,3

6,951871658

0,6

4,054054054

0,6

2,608695652

1,1

5,882352941

4

2

3

2

3

2

3

3

4

4

4

4

5

1

5

1

5

5

6

6

6

6

Ступень 4, толщина 10,6 мм Ступень 5, толщина 6,6 мм Ступень 6, толщина 2,5 мм

Порядковый номер лунки Глубина лунки Порядковый номер лунки Глубина лунки Порядковый номер лунки Глубина лунки

мм %

1 2,5 23,58490566 1 2 30,3030303 1 1,5 60

2 1,7 16,03773585 2 1,6 24,24242424 2 1,1 44

3 1,3 12,26415094 3 1,2 18,18181818 3 0,9 36

4 1 9,433962264 4 1 15,15151515 4 0,7 28

5 0,6 5,660377358 5 0,8 12,12121212 5 0,5 20

6 - - 6 0,6 9,090909091 6 - -

При просвечивании образца было получено радиоскопическое изображение (рис. 3). Специальное программное обеспечение радиоскопической установки «Норка» позволяет измерить уровень серого цвета в любой точке радиоскопического изображения или вдоль любой его линии (рис. 4). Результаты измерения приведены в табл. 2.

Рис. 3. Радиоскоиическое изображение ступенчатого клина с лунками

Рис. 4 . Измерение уровня серого цвета в любой точке изображения

Таблица 2

Результаты измерения уровня серого цвета на изображении образца из сплава МЛ5

Условный номер ступени 0 1 2 3 4 5 6

Толщина ступени, мм 27 23 18,7 14,8 10,6 6,6 2,5

Уровень серого цвета, отн. ед.* 80 98 118 149 182 220 238

*Черному цвету соответствует 0 ед. (по шкале градации), белому - 256 ед.

Образцы из стали, сплавов на основе алюминия и титана (см. рис. 2) были исследованы аналогично образцу из сплава МЛ5. Все радиоскопические изображения были получены при оптимальных режимах.

Суть измерения толщины заключается в измерении уровня серого цвета изображения участков объекта с известными значениями толщины - больше и меньше определяемой (рис. 5).

Рис. 5. Определение толщины по величине уровня серого цвета на участках радиоскопи-ческого изображения объекта:

а - сечение объекта; б - радиоскопическое изображение объекта; в - реальная зависимость уровня серого цвета изображения объекта от его толщины

ее линейной зависимостью

Пусть Г и 1+ - измеренные значения толщины объекта, 1;х - толщина объекта в месте, недоступном для измерения, при этом ее значение лежит в пределах 1Т<1;х<1;+. На радиоскопическом изображении определяем уровень серого цвета в соответствующих точках Р+, Р', Рх. Используя точки [Р'; 1Т]и [Р+; 1], можно построить график зависимости уровня серого цвета рентгеноскопического изображения от толщины просвечиваемого материала. Далее, используя полученную зависимость /'=/(1), определяем толщину 1х. Величина погрешности зависит от того, насколько велик диапазон измерения, и от функции аппроксимации.

Определение наилучшей функции аппроксимации зависимости толщины от уровня серого цвета радиоскопического изображения

Зависимости толщины просвечиваемого объекта от уровня серого цвета на радиоскопическом изображении использованы для определения наилучшей аппроксимации. По данным табл. 2 построена зависимость Р=1(1;) для клина из магния (рис. 6).

Поскольку распределение дозы излучения за объектом представляет собой экспоненциальную зависимость от толщины, то наиболее точно представленная кривая должна описываться экспоненциальной функцией. Это подтверждается графиками на рис. 7, на котором сплошная кривая представляет собой экспоненциальную зависимость, пунктирная -линейную, а точки соответствуют экспериментальным данным табл. 2.

Результаты расчета погрешности - отклонение линейной и экспоненциальной кривой от истинных значений функции Р=1(1) - приведены в табл. 3 и на диаграмме (см. рис. 7).

Таблица 3

Погрешности линейной и экспоненциальной аппроксимации_

Условный номер ступени Реальная толщина ступени 1р Погрешности линейной аппроксимации Погрешности экспоненциальной аппроксимации

Измеренная толщина ступени 1Ил Абсолютная погрешность измерений А Относительная погрешность измерений 5, % Измеренная толщина ступени 1;и.э Абсолютная погрешность измерений А Относительная погрешность измерений 5, %

мм мм

0 2,5 2,5 0 0 4 1,5 60

1 6,6 5,25 1,35 20,45455 5,75 0,85 12,87879

2 10,6 10,75 0,15 1,415094 9,75 0,85 8,018868

3 14,8 15,75 0,95 6,418919 14 0,8 5,405405

4 18,7 20,25 1,55 8,28877 19 0,3 1,604278

5 23 23 0 0 23 0 0

6 27 25,75 1,25 4,62963 27,5 0,5 1,851852

ев н

<и «

Я

О и

о а

<и о Л

к

<и «

о £

240

200

5 160 «

120

Толщина 1 мм Рис. 6. Зависимость Р=£(1) для клина из сплава МЛ5

60

% 40

а

и

!з 20 с

0

к Л п П. __ п.

0

1

2 3 4 5 6

Условный номер ступени

Рис. 8. Погрешности линейной (  ) и экспоненциальной аппроксимации ( ) функции

р=ад

о-Т 300

ев

Н <и « Я 250

О и о ч 200 <и

<и о И н о 150

л

Я <1> 100

«

О 50

мм

Толщина 1. Рис. 7. Аппроксимация экспериментальной зависимости

ев н

<и «

Я

О и

о & к

о Л И

<и «

о £

250

200

^ 150

100

50

Хч

N---Л <7

10

15 20 Толщина 1, мм

25

30

) и экспоненциаль-) функции Р=£(1) в диапазоне толщины объекта от 6,6 до 27 мм

Рис. 9. Линейная (---

ная аппроксимация ( —

Анализ диаграммы показывает (рис. 8), что максимальное значение относительной погрешности соответствует наименьшей толщине исследуемого объекта. Минимальная толщина объекта на мониторе радиоскопической установки воспроизводится уровнем серого цвета, равным 238 ед., в то время как предельное значение уровня цвета (белый) радиоскопического изображения составляет 256 ед. Зоны с большой и малой толщиной объекта контроля, воспроизводимые радиоскопической установкой уровнем серого цвета в диапазонах 0^80 и 170^256, соответствуют участкам световой характеристики монитора, описываемым кривой малой крутизны, а потому - с максимальной погрешностью измерений. Уберем из рассмотрения точку, соответствующую толщине 2,5 мм и самой высокой погрешности, и сузим диапазон толщин от 6,6 до 27 мм, для которого построим снова линейную и экспоненциальную аппроксимацию (рис. 9).

Расчет погрешностей уменьшенного диапазона (табл. 4) и анализ диаграмм показывает (рис. 10), что экспоненциальная аппроксимация приводит к значительно меньшей погрешности (5тах~2,5%), чем линейная (5тах>20%), - следовательно, она более точно описывает зависимость Р=А(1;).

Таблица 4

Погрешности линейной и экспоненциальной аппроксимации _для суженного диапазона толщин_

Условный Реальная Погрешности линейной аппроксимации Погрешности экспоненциальной

номер ступени толщина ступени аппроксимации

Измеренная Абсолютная Относительная Измеренная Абсолютная Относительная

толщина погрешность погрешность толщина погрешность погрешность

ступени 1и.л измерений А измерений 5, ступени 11и.э измерений А измерений 5,

мм % мм %

0 2,5 - 0 0 - 0 0

1 6,6 5,25 1,35 20,45455 6,75 0,15 2,2727273

2 10,6 10,5 0,1 0,943396 10,5 0,1 0,9433962

3 14,8 15,5 0,7 4,72973 14,5 0,3 2,027027

4 18,7 19,75 1,05 5,614973 19 0,3 1,6042781

5 23 23 0 0 23 0 0

6 27 25,5 1,5 5,555556 27 0 0

25

20

15

о4

Л Н О

о К

В

и

& 10

[к

1 2 3 4 5 6 7

Условный номер ступени

Рис. 10. Погрешности линейной (  ) и экспоненциальной аппроксимации ( ) функции Р=:ОД для уменьшенного диапазона толщин

Анализ диаграмм показывает (см. рис. 10), что линейная аппроксимация зависимости

Р=Д1) возможна без потери в точности только при небольших диапазонах измеряемых толщин, что подтверждается экспериментом и расчетом. Из сравнения погрешностей линейной и экспоненциальной аппроксимации для диапазонов 6,6^14,8; 10,6^18,7; 14,8^23 и 18,7^27 мм видно, что различия между линейной и экспоненциальной аппроксимацией пренебрежимо малы. В этом случае допустимо использование линейного представления зависимости

р=ад.

Наименьшее количество точек, необходимое для построения функции Р=^) и определения погрешности измерения толщины

Процесс измерения толщины с помощью рентгеноскопической установки заключается в измерении уровня серого цвета, соответствующего известным значениям толщины в крайних точках измеряемого диапазона (см. рис. 5). Для того чтобы измерение было проведено с минимальной погрешностью, необходима достаточно достоверная зависимость Р=А(1;). Ее строят экспериментально по измеряемым точкам, следовательно, она будет тем точнее, чем больше точек участвуют в ее построении. Чтобы процесс не был трудоемок, необходимо определить минимальное количество точек, по которым

можно построить и в дальнейшем использовать зависимость Р=АХ) с удовлетворительной погрешностью. С этой целью был проведен анализ погрешностей при экспоненциальной аппроксимации Р=:1(1;) с различным числом точек построения зависимости Р=1(1;). Его результаты показаны на диаграмме (рис. 11), на которой видно, что для построения кривой Р=:1(1;) достаточно трех точек, причем наименьшая погрешность получается, когда измеряемая толщина находится в центре участка кривой, построенной по трем точкам.

2 4

Условный номер ступени

Рис. 11. Погрешности измерения толщины второй и четвертой ступеней по зависимости Р=:1

Основной недостаток метода радиоскопического измерения толщины

Процесс измерения толщины объекта контроля радиоскопическим методом имеет ограничение. Нестабильность доз излучения, формирующих радиационное изображение, приводит к тому, что значения уровня серого цвета для одной и той же толщины от опыта к опыту будут меняться. Поэтому нужно делать нормировку уровня серого цвета для каждого опыта отдельно. Различие в рентгеновских аппаратах, преобразователях и режимах работы делают процедуру рентгеноскопического измерения толщины сильно привязанной к конкретным условиям контроля и не позволяют применять некоторую универсальную зависимость. Более того, построение такой зависимости даже для одного и того же объекта контроля при использовании одной и

н

Щ

м я

о « и <и о

а я

щ Н

^ О

Л

X

<и

ю

о £

190

150

110

70

5ч

чч к.

N N

* Ч

30

той же радиоскопическои системы контроля (рентгеновский аппарат и преобразователь) также затруднительно. На рис. 12 показаны зависимости Р=1(1), построенные на одной и той же рентгеноскопической системе «Норка», для ступенчатого магниевого клина (см. табл. 1) при троекратном просвечивании (режим: анодное напряжение 80 кВ и анодный ток 80 мкА) -каждый раз с включением и выключением аппарата и настройкой режима контроля заново. Разброс уровня серого цвета составляет 10-20 единиц.

Таким образом, в результате работы были сделаны следующие выводы.

- При измерении толщины участка объекта следует выбирать диапазон таким образом, чтобы значение уровня серого цвета на границе диапазона не выходило за пределы 80^230.

- В широком диапазоне толщин, когда изменение толщины составляет более 40% от средней толщины в рассматриваемом диапазоне, возможно использовать только экспо-

5 10 15 20 25 Толщина объекта, мм Рис. 12. Построение функции Р=1(1) для одного и того же объекта после двух коммутаций рентгеноскопической системы:

---первое измерение; — второе;---третье

ненциальную аппроксимацию зависимости Р=:1(1;). Относительная погрешность будет находиться в пределах 10%.

- Если же в рассматриваемом диапазоне изменение толщины меньше 40% от средней толщины, то возможно использование как линейной, так и экспоненциальной аппроксимации зависимости Р=1(1).

- При измерении толщины объекта необходимо иметь образцы толщиной больше и меньше толщины исследуемого объекта.

К.Г. Мирошин, Е.И. Косарина

МИКРОРАДИОГРАФИЧЕСКИЙ НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Работа многих современных агрегатов, деталей и машин происходит в экстремальных условиях: при высоких температурах и больших силовых нагрузках, которые зачастую имеют не статический, а циклический характер. С каждым годом рабочие условия лишь усложняются, а требования к безопасности работы ужесточаются. Особенно это заметно для такой быстро развивающейся отрасли в мире, как авиация, где подчас требуется проведение 100%-ного контроля деталей в партии, что может обеспечить только неразрушающий контроль (НК). Одним из основных видов НК, широко применяемым в производстве изделий авиационной техники, является рентгеновский, основанный на ослаблении рентгеновского излучения материалами. Степень ослабления зависит от свойств изделия и материала, из которого оно изготовлено: чем выше плотность материала, чем толще слой поглотителя, тем выше степень ослабления рентгеновского излучения. Теневая картина представляет собой распределение экспозиционной дозы или мощности дозы рентгеновского излучения. Поэтому в местах наличия дефектов в объекте контроля (ОК), т. е. в местах нарушения целостности, рентгеновское излучение иначе поглощается - по сравнению с бездефектными участками ОК. Распределение экспозиционной дозы излучения или мощности экспозиционной дозы за ОК называют радиационным изображением, мерой полезной информации которого является радиационный контраст Крад (относительная разница мощности дозы или дозы излучения между участками, соответствующими дефектному и бездефектому местам ОК). Далее радиационное изображение преобразуется в оптическое с контрастом КоПТ, посредством радиографической пленки или другого преобразователя. Соотношение между оптическим и радиационным контрастами изображений определяется градиентом преобразования у:

Копт У * Крад ,

где у=3-4 - для рентгенографического метода; у=1 - для радиоскопического метода при непосредственном наблюдении изображения; у>1 - для радиоскопического метода при использовании телевизионной системы [1].

Рентгенографический метод НК - метод неразрушающего контроля, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта в радиографический снимок или запись этого изображения на запоминающем устройстве с последующим преобразованием в световое изображение. Основным преобразователем излучения при рентгеновском методе контроля является радиографическая пленка.

Радиоскопический метод НК - метод неразрушающего контроля, основанный на преобразовании радиационного изображения контролируемого объекта с помощью флуоресцирующего экрана, сцинтилляционного монокристалла или электронно-оптического преобразователя.