1、X 射线检测工艺中的材料等效值及应用研究汪荣华1，2，刘文波1(1.南京航空航天大学，江苏 南京 210000；2.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241000)摘要：针对飞机修理射线检测工艺中的不同材料等效系数开展研究，通过对不同材料等效厚度的理论推导得到了材料等效系数与衰减系数的关系，并使用钢与钛合金在不同管电压下进行了等效系数测量实验。结果表明，管电压在70 kV和90 kV时材料等效系数与衰减系数理论值和实测值能很好的对应，但因为散射线等因素，在100 kV以上时材料等效系数与衰减系数实验值与理论值之间有一定偏差。在射线检测中，在一定管电压范围内合理采用等效值应用到实际检测过程中，将有利于
2、射线检测的实施。关键词：射线检测；工艺；材料；等效系数中图分类号：TG115.22+1.3文献标识码：A文章编号：1000-8365(2023)03-0298-05Research on Material Equivalent Value and its Application inX-radiographic Testing TechnologyWANG Ronghua1,2,LIU Wenbo1(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210000,China;2.State-owned Wuhu Machi
3、nery Factory,Wuhu 241000,China)Abstract：The relationship between the material equivalent coefficient and the material attenuation coefficient was obtainedthrough the theoretical derivation of the equivalent thickness of different materials.The equivalent coefficients of steel andtitanium alloy were
4、measured under different tube voltages.The results show that the material equivalent coefficientcorresponds well with the theoretical and measured values of the attenuation coefficient at 70 kV and 90 kV.However,dueto factors such as scattered rays,there is a certain deviation between the experiment
5、al and theoretical values of the materialequivalent coefficient and attenuation coefficient above 100 kV.In X-ray detection,it is propitious to apply the equivalentvalue in a certain range of tube voltages to the actual detection process.Key words：radiographic testing;technology;material;equivalent
6、coefficient收稿日期:2022-01-09作者简介:汪荣华，1990年生，硕士生，工程师.研究方向：飞机维修无损检测技术.电话：15357885145,Email:引用格式:汪荣华，刘文波.X射线检测工艺中的材料等效值及应用研究J.铸造技术，2023,44(3):298-302.WANGRH,LIUWB.Research on material equivalent valueand itsapplication in X-radiographictestingtechnologyJ.FoundryTechnology,2023,44(3):298-302.目前，对于X射线现场检测的
7、一些等效值问题，研究者们开展了相关研究，给出了多种材料的射线透照等效参数、透照方法及评级1。国内学者李衍2指出射线照相灵敏度基本公式是评价射线照相影象质量和检测可靠性的重要手段，同时也拟定了探伤工艺条件和制订方法标准的理论依据。郑世才3在对ASTM E1742标准射线照相质量级别规定的讨论中给出了不同像质计灵敏度转换的理论基础。张小海等4针对不同厚度的典型工件进行了探究，得到应用胶片特性曲线、曝光曲线,从实验角度测量了厚度宽容度。张栋梁等5根据实际情况，使用等效出透照的厚度方法，所摄大厚度差焊接接头底片的黑度和灵敏度均符合标准要求,提高了一次曝光的检测厚度范围,提高了工作效率。飞机修理现场检测
8、中用的像质计以钢材质为主，但对于其他材质工件仍需要像质计进行胶片灵敏度是否达标判定。因此需要对于不同的材质进行工件材质的等效厚度换算6。这些材料如果能够通过理论的推理得到相对于钢材的等效系数，即可通过得到的等效系数将未知的其他材料厚度转换成已知钢材的厚度7。这可以在像质计不全的情况下,使检测进度及检测质量得到可靠的保证。以上所述的问题在射线检测中属于常见问题，并且会影响射线检测的参数选择，同时也会影响工件的射线检测灵敏度8-10，因此开展射线检测的相关等效值的研究对于飞机修理实际检测具有很大的实际意义。本研究DOI：10.16410/j.issn1000-8365.2023.2011铸造技术F
9、OUNDRY TECHNOLOGYVol.44 No.03Mar.2023298 表1几种材料的线衰减系数与射线能量的关系Tab.1 Relationship between the linear attenuation coefficient and ray energy of several materials射线能量/Mev铁铝铅钛铜=7.89 g/cm3=2.7 g/cm3=11.34 g/cm3=4.54 g/cm3=8.89 g/cm30.0609.5470.72940.263.4414.050.0804.7280.54018.831.826.800.1002.8200.44460
10、.001.244.100.1251.9500.38835.000.842.760.1501.5800.36224.400.751.980.1751.2700.33615.400.641.650.2001.1300.32311.800.591.390.2500.9400.2966.5800.521.150.3000.8500.2784.7000.471.01图1材料等效系数透照示意图Fig.1 Transillumination diagram of the material equivalent coefficient设计操作简单、节约成本的实验方案，对不同材料的等效值开展研究。得到相关实验结
11、果后，工作中只需要通过理论推导出其他材料相对于钢材料的等效厚度，就可从钢材料的射线检测拓展到其他不同材料的射线检测。1材料等效值理论分析钢铁材料在工业领域应用比较广泛，也是射线检测最常研究的对象11，因此通常都是针对钢材制作射线的曝光曲线。若需要检测其他材料，可利用射线透照的等效厚度来修正曝光参数。图1为材料等效系数透照示意图。如果在一定条件下，同一射线穿透两种不同材料后的射线强度相同，从而使底片的黑度相同，得到的透照效果一样，对于检测的灵敏度不构成影响，这种现象称为等效，这2种材料的厚度之比称为2种材料的等效系数12。在考虑射线的散射情况下，宽束多色射线强度衰减公式为13-14：I=I0(1
12、+n)e-T(1)若2种材料都满足射线检测透照衰减，则由式(1)可知，当得到穿过工件的射线强度一样时，有如下结果：I0(1+n1)e-1T1=I0(1+n2)e-2T2(2)对式(2)取对数化简得：ln(1+n1)-1T1=ln(1+n2)-2T2(3)若不考虑散射线，材料厚度等效系数：=T1T2=12(4)连续谱X射线在透过材料时是通过材料对射线的吸收和散射2种方式进行衰减的15，所以线衰减系数应等于线吸收系数和线散射系数之和16。在实际情况中，因散射线大量地得到了屏蔽，故散射系数比吸收系数小的多。因此我们常常忽略散射系数，线衰减系数可以近似用吸收系数表示为17-20：KZ33(5)式中，K
13、为一个系数，其在不同的波长范围具有不同的吸收系数；为材料的密度；Z为材料的原子系数；为X射线的波长；I为透射射线强度；I0为初始射线强度；T为穿透物质的厚度；n为散射比。由式(5)得到常见材料的衰减系数，如表1所示。同时，利用上式(5)得到几种材料的射线照相等效厚度系数，列于表2。2实验材料与方法理论分析中得到了关于射线的材料等效系数的理论值。以下实验是对以上理论值进行实验验证。材料的等效系数在理论分析中得到了很多材料的等效系数，由于实验室材料和条件的限制，本次实验验证中使用1Cr18Ni9Ti钢材和TC6钛合金这两种材料进行探究。图2为材料等效系数透照示意图。实铸造技术03/2023汪荣华，
14、等：X射线检测工艺中的材料等效值及应用研究299 验主要是使用射线照相检测技术，用到的实验设备有型号为XY-3010射线机、柯达AA400胶片、铅箔增感屏、各种数字的铅字、观片灯、黑度计等。实验材料有2种材料的阶梯试块。阶梯试块1(钢：厚度为110 mm，等值间隔1 mm变化)和阶梯试块2(钛合金：厚度为114 mm，等值间隔1 mm变化)。图3为材料等效系数实验的实际工件图。实验的主要步骤如下，首先在射线透照前设置好需要透照的工件的透照参数。实验透照参数有：焦距1 000 mm，曝光量30 mA/min(管电流10 mA，曝光时间3 min)，管电压70、90、110和130 kV(本次实验
15、是在不同的透照电压下进行透照得到不同的底片黑度值)。其次是启动射线机电源，进行预热并打开冷却循环水对射线机进行散热。把需要的标记和像质计在工件合适的位置摆放，并全部放置到射线机的曝光场内。再启动射线机的高压，调节射线机的管电压和管电流使满足所需的参数值。透照完成后，曝光好的底片进行暗室处理后晾干。将底片在观片灯下观察影响质量是否符合要求。用黑度计测量每个次透照的底片的不同厚度的黑度值。3实验结果及讨论表34为黑度计测量每个次透照的底片的不同厚度的黑度值。每次不同管电压透照下，可以得到一组关于钢材和钛合金厚度、底片黑度的数据；每组数据都可得到一个材料等效系数。将每组数据通过使用MATLAB的多项
16、式进行近似拟合，每组数据都需得到合适的多项式n的次数。图4为钢和钛合金的拟合曲线，在70130 kV的管电压，曝光量为30 mA/min下的底片黑度数据通过多项式的拟合得到。钢材的拟合选择是五次多项式的拟合，钛合金的拟合选择是三次多项式的拟合。拟合曲线的横坐标为材料的厚度，纵坐标为透照后的底片的黑度值。图中红色为钢的拟合曲线，蓝色图2材料等效系数透照示意图Fig.2 Transillumination diagram of the material equivalentcoefficient图3实际工件图Fig.3 Actual workpiece drawing表2几种材料的射线照相等效厚度系数Tab.2 Radiographic equivalent thickness coefficient of several materialsX射线/kV6080100125150175200250300铁1.001.001.001.001.001.001.001.001.00铝0.080.120.160.200.230.260.280.310.33钛0.360.380.440.430.47
