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工业X射线计算机断层扫描技术:从实验室到生产车间的华丽转身
发布:kittyll   时间:2016/1/4 16:40:07   阅读:617 
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利用工业CT技术对铝铸件进行坐标测量和缺陷分析;图片来源:GE

近年来,X射线计算机扫描技术(CT)由于在速度及精度方面的快速发展,其应用领域正逐渐发生迁移,应用范围也越来越为广泛。
 
二维X射线检测是一种已经被使用了多年的无损检测技术,主要用于电子制造领域及石油和天然气工程领域等;而三维的工业X射线计算机断层扫描技术则一度在很大程度上仅局限于研发环境中使用,在制造业领域内,该技术也仅仅被用来对一些新材料、复杂结构件或者高价值的物件进行结构和缺陷分析等。
 
但是,随着近年来在自动化、速度及精度等方面的发展,工业X射线计算机断层扫描技术已经被引进到生产车间内应用。在生产车间内,该技术作为一种强大的质量控制及过程优化工具,能够为待检测组件提供更加快速、精确的检测;此外,这种技术还能检测利用三坐标测量机和传统的X射线照相技术难以检测的制件。
 
虽然多年以来,医学领域才是X射线照相技术最主要的应用领域,但有趣的是,该技术的第一次演示,是由William Roentgen 本人向他的同事们展示一组放在盒子里的金属的射线照片。尽管首次演示用到的是金属材料,但X射线照相技术直到上个世纪初才开始被视为一种工业检测工具,到1931年才真正第一次得到官方认可,此时也即是美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)制定关于X射线在压力容器焊接中的应用标准的时候。
 
这些标准都是在冲洗胶片技术的基础上制定的,事实上,目前这种技术在一些工厂及近海区域内仍有使用。但是这种技术具有一些不足之处,例如曝光与胶片形成之间耗时较多,需要在远离生产区域、带有保护性措施的环境内进行检测,花费成本高,需要存储射线照片的空间,利用这种技术分享照片十分困难,仅仅只能通过复制胶片的方式。
 
此外,利用这种技术,由于需要手动测量裂缝的尺寸和参考点,因此其检测结果并不十分精确。但所有的这些问题都通过引入数字化X射线照相技术得到了有效解决,数字化X射线照相技术仅需要较少的耗材,数据存储和检索也更容易。二维的X射线照相技术在电子产品制造领域具有非常广泛的应用。
 
电子产品制造领域中的质量控制
 
众所周知,电子产品组件正变得越来越复杂,而电子器件组装的可靠性极大地依赖于焊点质量,而且,其验收标准也主要是基于焊点的外观形状和尺寸之上。
 
先进的大功率、微焦点二维X射线体系能够提供高分辨率、高放大倍数的图像;这种技术能够为所有类型的焊点提供专门的分析和自动化检测。焊点的形状、尺寸等特征都会在图像里展示出来,所有可能会影响到焊点形状的缺陷也都能检测出来。
 
但遗憾的是,二维的X射线照相技术也有它的局限性,尤其是当应用在其他工程学科领域中时更为明显,如在航空航天和汽车行业及一些普通的制造业等等。
 
利用二维的X射线照相技术有时可能会难以检测出如今复杂的工程制件中的缺陷和内部几何构造,并使其可视化。但幸运的是,三维的计算机断层扫描技术能够做到这些。
 
计算机断层扫描技术
 

CT技术工作原理
 
从X射线源发射出来的X射线对在X射线源和检测器之间做平移运动的被检测物体进行扫描,在一次扫描结束后,被检测物体旋转一个角度再进行下一次扫描,如此反复操作,即可得到被检测物体的某一断面的若干组数据。这些信息数据经过计算机计算、处理,重新建立一个完整的断面图像显示在监视器上,而所有的断面就可以组成一个完整的三维立体图像。
 
一般而言,一套CT体系硬件组成通常包括:一个高功率辐射源、机械扫描装置,X射线检测器,以及数据处理和图像重建、显示装置等。获得的原始数据的可靠性及所有后续评估的准确性都极大地依赖于获得的X射线图像的清晰度程度,而X射线图像的清晰度又极大地取决于辐射源、检测器的质量及扫描装置的稳定性和精度等因素。
 
在科学研发领域中,计算机断层扫描技术被用来实现制件内的缺陷、重要痕迹及某些内部特征可视化已经有很多年了。然而,随着近年来的发展,这项技术的应用正逐渐从科研领域转移到了生产车间内;这些发展不仅包括硬件的发展进步,还包括体积重建速度的加快、操作简单化、图像质量的提高、数据存储及检索更加容易等。
 
在过去的15年左右,重要的硬件发展主要有纳米焦点X射线管的发展(这种发展使得人们能够得到更高清晰度的图像)以及高功率X射线源、扫描装置和快速检测器系统等的发展。
 
此外,相关计算软件的进步不仅使得结果的可靠性更高,而且更加易于操作。
 
但是,在计算机断层扫描技术方面取得的最大的实际进展还是在于能够利用这些独立的发展进步应对来自广泛的工业领域中的质量控制问题。
 
计算机断层扫描技术在航空航天中的应用
 

涡轮叶片图像
 
由于航空航天领域中航天部件的复杂性,其制造工艺正不断优化,制造材料种类也不断增多,相应的,对于这些复杂部件的检测要求和检测难度也逐步提高,超出了一些传统检测技术的能力范围,例如传统的二维照相技术、超声检测和涡流检测技术等。
 
航空航天领域中的质量控制过程最终会影响到飞机的安全和使用性能,因此,检测人员迫切需要一种精确的、高性价比的计量和缺陷检测技术。由于计算机断层扫描技术具有检测结果直观、清晰和准确,便于解读和无损分析评价等优点,该技术在航空航天领域内得到了广泛的认可与应用。
 
计算机断层扫描技术在汽车及制造业领域内的应用
 
汽车及制造业的质量控制驱动程序与航空领域稍有不同;尽管产品质量、安全性能仍是重要的参数指标,但是,拥有一套能够实现检测速度更快、检测结果更加准确的质量控制体系也同样重要,越完善的体系越能减少不必要的经济损失。
 
数字化二维放射线照相技术就经常用于这些质量控制体系中,但在一些复杂案例中,仅仅依靠这种技术还是远远不够的;类似的,还有采用传统的机械切割破坏性技术进行失效分析,但是这种技术非常耗费时间。在汽车和一些制造业,也通常采用一些质量控制程序去检测产品质量公差,并将最终成品与原始CAD图形数据进行对比;一般而言,这些测量都是由触觉测量或者光学坐标测量机执行,但有时候这些测量方法并不能对一些成品执行计量检测,尤其是那些具有复杂的、难以触及的内表面的产品以及一些具有柔软内表面,一旦采用触觉测量就会发生变形的产品。而最新的计算机断层扫描技术则能很好地克服这些缺点,检测结果精确可靠,在汽车及制造业领域内也得到了广泛的应用。
 
由于技术的创新发展,工业CT技术已经逐渐被引入到技术生产车间内执行质量控制过程,利用这种技术能够减少产品不合格率,以及产品不合格原因——是因为尺寸原因还是因为结构原因等都能被快速查明,可以节省大量的时间及经济成本。
 
结论

质量控制过程的功能永远都是为制造企业提供更好的质量监督服务,同时寻求解决其面临的新挑战的方法;随着制造工艺的进步,制造材料种类的增多,对于一些复杂结构件的检测和测量工作也越来越困难。工业计算机断层扫描技术作为一种不断发展的技术,能够很好的应对这些挑战,使得生产流程不断优化,生产效率不断提高。
 
译自:qualitymag
来源:材料与测试
译者:vince
 
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