大型复合材料蜂窝夹芯结构X射线数字成像自动化快速扫描检测技术

章清乐，刘松平，2，刘菲菲

（1.中国航空制造技术研究院，北京 100024；2.中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

大型复合材料夹芯结构在航空工业领域有着广泛应用，常用于制作各种壁板、翼面、壳体等大型结构件[1]，主要由复合材料蒙皮和蜂窝芯材构成，其最常见的芯材是芳纶纸蜂窝芯和铝蜂窝芯。蜂窝夹芯结构胶接固化完成后需使用无损检测方法进行检测，以确定蜂窝芯的内部质量是否符合产品质量要求。对于复合材料蒙皮的检测，通常采用超声方法[2–4]，也有激光剪切散斑[5]、红外热波成像、CT 成像[6]方面的研究报道。但是由于超声波在蜂窝芯格内部衰减很大，无法对芯格缺陷进行成像检测；激光剪切散斑、红外热波成像一般只适合于浅表缺陷的检测，也不适合蜂窝芯格内部的缺陷检测；CT检测对于小型结构件检测具有优势，但对于大型结构件，很难实现，所以这些方法不适合大型复合材料蜂窝夹芯结构的蜂窝质量检测。对于蜂窝夹芯结构，通常采用射线方法检测其存在的芯格断裂、芯格压缩、节点分离（脱开）、芯格夹杂、芯格与边缘构件脱粘等缺陷[7]。

射线检测技术作为五大常规无损检测方法之一，已经历了数十年的发展，无论是理论还是检测标准与工艺，已是一项非常成熟、完善的检测方法[8–9]。随着电子技术及机械自动化技术的发展，将射线检测技术由采用胶片为主的方法引向了采用数字成像法[10]，也同时推动了检测过程的自动化和智能化，从而促进了射线检测技术的推广应用[11–12]。正是由于在检测效率及环境节能方面的突出优势，许多用户在配置射线检测设备时，在满足检测要求的情况下，将数字射线作为首选。

数字射线与常规胶片法射线相比具有以下优点：（1）数字探测器面板代替了胶片，节省了检测成本，不产生固废； （2）数字射线照射可直接进行数字成像，不消耗显影液、定影液，节省了检测成本，不产生废液； （3）数字射线检测结果直接进行电脑成像及处理，不需要暗室处理的过程，节省了人工成本，同时提高了检测效率；（4）数字射线检测单幅图像曝光时间短，可连续扫描成像，节省了操作时间，提高了检测效率； （5）数字射线的检测结果可在电脑上进行快速处理分析，尺寸测量、灰度调节、数据的存储及传输等更加方便。

数字射线与常规胶片法射线相比不足有： （1）数字面板探测器由许多个像素单元组成，目前单个像素尺寸虽然达到几十微米甚至更小，但与胶片相比在分辨率上还是有一定的差距； （2）对于结构复杂的零件，数字探测器无法放置在最佳照射部位，甚至无法检测，没有胶片灵活； （3）数字探测器价格昂贵，还需配备相应的机械装置，一次性投入费用高。

由于蜂窝芯的特殊结构特征，在检测透照后得到最理想的检测结果是蜂窝芯格呈规则六边形形态。受射线锥束投影的影响，射线检测图像中蜂窝芯格呈六边形的区域范围很小，尤其是较大厚度的零件，检测图像中有很大部分区域出现蜂窝芯格投影重叠[13–14]。一个大型蜂窝构件，要实现蜂窝芯格投影不重叠成像，往往需要上百次的透照成像，常规的胶片法实施困难，普通的数字射线检测设备也不容易实现，而大型复合材料蜂窝夹芯结构的X 射线自动化扫描成像检测技术是解决该问题的有效手段。X 射线自动化扫描成像检测技术在欧美国家发展很快，技术成熟度高，已广泛应用于航空航天、汽车制造等众多技术领域，智能化和自动化程度较高，其相关标准体系也比较完善；国内目前数字射线成像检测技术处于快速发展阶段，尤其是近几年颁布了关于数字射线成像检测应用的多个标准，如GB/T 35388—2017《无损检测 X 射线数字成像检测 检测方法》[15]等，使得数字射线成像检测的应用更加广泛，但在X 射线数字成像自动化和检测结果智能化评估方面有待进一步提高，在与X 射线数字成像密切相关的高品质射线机和探测器的自主研发方面，与国外先进水平相比，尚有一定的差距。

本文介绍了大型复合材料蜂窝夹芯结构的数字射线自动化设备的设计特点和关键单元的参数选型，提出了一种数字X 射线自动化扫描成像检测方法。利用所研制的大型复合材料蜂窝夹芯结构的数字射线自动化设备和设计制备的大型蜂窝夹芯结构件开展数字射线自动化检测试验研究，确定合理的检测参数，并验证检测效果。

1 X 射线数字成像自动化扫描系统设计

1.1 设备组成

大型复合材料蜂窝夹芯结构数字射线自动化检测设备主要包括射线机系统、自动化运动控制系统、数据采集及处理系统、门机安全控制系统、监控系统、检测工装等，设备构成如图1所示。

图1 大型复合材料蜂窝夹芯结构数字射线自动化检测设备基本组成Fig.1 Illustration of direct radiography automatic testing equipment for large-scale composite honeycomb sandwich structures

1.2 射线照射系统选择

射线照射系统包括铅房、辐射安全系统、射线机。其中铅房及辐射安全系统应符合国家及地方相关法律法规的标准，对于射线机，尽量选择铍窗口的软X 射线机，其指标至少达到以下要求：

（1）具有恒电位工作模式，能够稳定地连续输出X射线；

（2）最低管电压不高于20 kV，调节步进不大于0.1 kV；

（3）管电流不小于2 mA，调节步进不大于0.1 mA；

（4）焦点不大于1.0 mm；

（5）具有冷却系统，具备很好的散热功能。

1.3 自动化扫描系统

自动化扫描系统主要是实现探测器、射线管及被检零件相对位置的移动，主要由机械系统及运动控制系统组成，其中机械系统一般设计成龙门形结构形式，见图2。

图2 大型复合材料蜂窝夹芯结构数字射线自动化扫描系统的基本构成Fig.2 Basic composition of direct radiography automatic testing equipment for large-scale composite honeycomb sandwich structures

1.3.1 机械系统

由于蜂窝芯格成像需使其投影呈六边形，尽量避免投影的重叠，所以要始终保持中心射线束的照射方向与蜂窝芯格轴线一致。机械系统应至少具有8 轴自由度运动控制功能，包括X、C、Z1、Z2、Y1、Y2、A1、A2，每轴的功能如下：

（1）X轴，实现探测器、射线管与零件水平方向的相对位置移动；

（2）C轴，实现探测器、射线管与零件周向方向的相对位置移动；

（3）Z1轴、Z2轴，分别实现探测器、射线管的上下方向的位置移动；

（4）Y1轴、Y2轴分别实现SDD（射线管与探测器的距离）和SOD（射线管与被检零件的距离）的调节；

（5）A1轴、A2轴分别实现探测器、射线管的角度调整；

（6）运动控制精度要求除C轴、A1轴、A2轴外，其他轴的重复定位精度一般不低于0.2 mm，C轴、A1轴、A2轴的重复定位精度不低于0.5°；

（7）A1轴、A2轴应具有相对位置跟踪功能，在Z1轴、Z2轴相对位置变化时，应能自动调整探测器和射线管的角度，使射线与探测器面始终保持垂直状态。

1.3.2 运动控制系统

运动控制系统是实现自动化扫描的关键部分，其设计的优劣直接影响检测的灵活性、高效性及安全性，运动控制系统应能实现如下功能：

（1）各轴相对位置的调整及锁定功能；

（2）各轴相对位置节点编辑功能，可实现手动编辑和自动编辑功能，并能根据已经编好的节点程序自动运动，对于使用过的运动轨迹，系统应有记忆功能；

（3）位置异常报警功能，在运动过程中若出现误操作或机械部位与被检零件碰撞时，能够自动停机并报警；

（4）能实现与成像软件通信功能，并能按照扫描系统的指令进行节点运动。

1.4 数据采集及处理单元

1.4.1 探测器

探测器是数字射线成像的核心部分，其性能直接影响了数字射线的检测结果，在选用探测器时，应选用成像速度快、连续运行稳定性好、分辨率高的探测器，空间分辨率一般不低于2.0 LP/mm。

1.4.2 采集及处理软件

采集及处理软件除具备常规的图像采集、优化、灰度调节、尺寸测量、图像缩放、图像增强、边缘锐化等常规的功能外，还应具有以下功能：

（1）自动扫描控制功能，能与运动控制系统通信，根据已经编制的扫描轨迹进行自动扫描成像，并储存结果；

（2）自动拼接功能，对已经采集的图像，根据采集图像时所处的相对位置、扫描步进，进行检测图像拼接，拼接后的图像应能覆盖被检零件的所有被检区；

（3）具有实时成像和静态成像功能，在进行扫描前，需使用实时成像方法找到蜂窝芯格的轴线方向，并调节机械系统使射线束照射方向与蜂窝芯格轴线一致，然后设置扫描参数，进行自动扫描、静态成像。

1.5 检测图像分辨率

检测图像分辨率是数字射线检测的重要技术指标，为了获得较高的图像分辨率，满足大型复合材料蜂窝夹芯结构检测要求，本文重点考虑以下5 个方面。

（1）焦点尺寸的选择。理论上选用的焦点尺寸越小，工件投影的几何不清晰度越小，获得的图像分辨率越高；但焦点尺寸过小，不利于大型复合材料蜂窝夹芯结构的快速检测，为此，本文在研究中选择了0.4 mm 的X 射线焦点。

（2）电压电流的选择。在保证能够穿透被检测工件的情况下，应选择较低的管电压和较大的管电流，以提高系统的图像分辨率，为此在本文研究中，针对大型复合材料蜂窝夹芯结构的特点，选择了70 kV 以下的软X 射线。

（3）放大倍数的选择。在其他条件一定时，选择合理的放大倍数有助于图像分辨率的改善，在本文研究过程中，通过式（1）[15]计算得出检测系统的最佳放大倍数，并通过调节探测器、被检工件、射线管的相对位置（调节图2中Y1和Y2轴），使检测时的图像放大倍数接近系统的最佳放大倍数，可获得较好的图像分辨率。

式中，Mopt为最佳放大倍数；SRb为系统基本分辨率；d为射线机焦点尺寸。

（4）图像采集模式。使用静态成像模式，即在每个运动节点处，探测器、被检工件、射线管处于相对静止的状态下进行图像采集。虽然实时成像可提高检测效率，但在运动过程中，图像会产生运动不清晰度，不利于检测分辨率的提高，在其他条件一定时，选择相对静止的图像采集模式有助于改善图像分辨率。

（5）在实际检测开始前和结束后，必须对图像分辨率进行测试验证，图像分辨率达到相关标准或技术要求时方可进行图像评定。

1.6 检测工装

检测工装应能将被检测工件固定在探测器与射线管之间，考虑到蜂窝结构的刚性特征，夹持工具的夹持部位应选用柔性材料，避免用力过大损伤零件。在设计检测工装时，应避开机械运动系统的运动范围，以免造成碰撞。

2 试样与设备

2.1 试样

本试验选择某飞机型号的复合材料蜂窝夹芯零件作为实际的检测对象，尺寸为1200 mm×1000 mm×50 mm。其中，蒙皮厚度5 mm，芳纶纸蜂窝厚5～45 mm，芯格尺寸为4 mm。

2.2 设备及工艺参数选择

所用的检测设备为FDR–160 数字射线自动成像检测设备，该设备满足上文设计基本要求，由中航复合材料有限公司刘松平带领团队自主研制（图3）。该设备采用数字探测器面板，像素尺寸为0.2 mm，经放大透照布置，分辨率可达3.2 LP/mm（图4），低对比度分辨力可分辨0.1 mm 聚酯类材料；射线机为铍窗口软X 射线机，电压范围为20～160 kV，电流0.1～11.2 mA，焦点尺寸0.4/1.0 mm 可选；具有11 轴机械系统，可实现复杂结构自动化扫描成像检测，扫描检测范围可达6000 mm×3000 mm×1200 mm。对于复合材料夹芯结构的检测，穿透厚度主要是保证所采用的射线强度能够穿透蒙皮即可，试验中零件的穿透厚度为2 倍的蒙皮厚度，根据复合材料曝光曲线确定使用的电压，具体工艺参数见表1。

表1 蜂窝夹芯零件数字射线自动化检测工艺参数Table 1 Experimental parameters of direct radiography automatic testing for honeycomb sandwich parts

图3 FDR–160X 数字射线自动成像检测系统（来自中航复材及其团队）Fig.3 FDR–160 direct radiography automatic imaging detection system (From ACC)

图4 FDR–160X 数字射线自动成像检测系统分辨率测量结果（3.2 LP/mm）Fig.4 Measured resolution of FDR–160 direct radiography automatic imaging detection system (3.2 LP/mm)

3 结果与分析

3.1 检测结果

某型复合材料蜂窝夹芯结构为数字射线自动化扫描结果如图5和6 所示。其中图5是整个复合材料蜂窝夹芯结构的数字射线检测结果 （其中的垂直黑色灰度分布带为蜂窝拼接区）。

图6是对应图5中区域A～D4 个不同成像区的局部放大图像。

图5 复合材料蜂窝夹芯结构数字射线自动扫描结果Fig.5 Results of direct radiography automatic testing for honeycomb sandwich structures

图6 局部放大结果Fig.6 Local amplification result

3.2 检测结果分析

从图5中的检测结果可以观察整体零件内部结构状况，包括零件内部的结构变化，还可以看出零件在中间部位存在蜂窝芯拼接区。但由于图像显示压缩原因，在图5中难以看出蜂窝区的芯格细节，从而不利于蜂窝芯格缺陷的评判。为此，需要利用图6中局部放大图像进行射线检测结果的评判。

（1）在图6（a）中，蜂窝芯格结构显示清晰，芯格分布均匀，芯格投影未见重叠区域，蜂窝芯格节点粘接良好，发现一处发泡胶与端肋脱粘缺陷，长度约为10.5 mm。

（2）在图6（b）中，蜂窝芯格结构显示清晰，蜂窝拼缝粘接良好，拼缝左部蜂窝变芯格压缩变形明显，压缩变形区域蜂窝芯格壁弯曲变形，蜂窝芯格尺寸变小。图6（b）中黄色区域变形轻微，蜂窝芯格最小尺寸约为正常尺寸的1/2；红色区域蜂窝芯格压缩变形严重，共计两排，经测量，蜂窝芯格压缩变形后的尺寸小于正常尺寸的1/2。

（3）在图6（c）中，蜂窝芯格结构显示清晰，芯格分布均匀，红色区域内存在1 处蜂窝芯格压塌、节点脱开的缺陷，压塌芯格27 个，节点脱开2 个，图像下部出现的蜂窝芯格投影重叠区域，考虑为压塌缺陷产生时，局部蜂窝芯格受力引起了芯格壁方向发生了改变。

（4）在图6（d）中，蜂窝芯格结构显示清晰，芯格分布均匀，芯格投影未见重叠区域，红色区域内存在1处拼接不足缺陷，未粘接蜂窝芯格13 个。拼缝两侧蜂窝芯格投影不呈规则六边形，应为蜂窝芯格受力变形导致。由于蜂窝芯格变形，导致拼缝间距过大，是产生拼接不足缺陷的主要原因。

从检测分析结果可以看出，通过数字射线自动化检测设备进行大型蜂窝件的检测，可以检测出蜂窝芯存在的节点脱开、拼接不足、发泡胶脱粘、芯格压塌等缺陷，不仅自动化程度高，检测结果清晰、可靠，而且由于在检测过程中对产品检测区域进行了节点分配，在发现缺陷时，还可根据缺陷所在的节点信息在零件上进行精确的定位。值得指出的是，在进行大型复合材料蜂窝夹芯结构X 射线数字成像检测时，确定评定区范围需要考虑芯格影像变形区的问题 （图6（c））。一般蜂窝芯格的变形超过1/3～1/2 时的影像区，不宜作为检测结果的有效评定区，所以在进行大型复合材料蜂窝夹芯结构X 射线数字成像检测时，要充分考虑相邻扫描检测区域的影像有效连接的问题。

4 结论

（1）利用所研制的大型复合材料蜂窝数字射线自动化检测设备可以很好地实现大型复合材料蜂窝零件可视化检测，快速得到整体检测结果以及结构变化区分布特征。

（2）利用局部图像分析可以实现被检测零件的细节放大，便于芯格缺陷评判，不仅适用于大型蜂窝夹芯结构，也可兼顾其他夹芯结构和复合材料零部件的检测，其灵活的结构设计及先进的成像评判方法，减少了人为失误，显著提高了检测效率和检测准确度，并且已经在实际检测过程中得到了验证。随着工业生产中自动化、智能化水平的提升，大型蜂窝数字射线自动化检测设备必将得到更加广泛的应用和推广。

（3）试验表明，X 射线数字成像自动化快速扫描检测技术检测分辨率可达3.2 LP/mm，具有非常好的实际检测应用效果。