Промышленная рентгеновская вычислительная томография

Производство ответственных изделий современного машиностроения: автомобильных и авиационных двигателей, вертолетных лопастей, охлаждаемых турбинных лопаток, ракетных сопел, рулей, корпусов и обтекателей, противотанковых боеприпасов, авиационных и газоперекачивающих гидромеханических систем, тормозных колодок, теплообменников и каталитических нейтрализаторов - немыслимо без использования высоко-информативных средств технической диагностики и неразрушающего контроля качества.

К сожалению, традиционные методы неразрушающего контроля, незаменимые при исследовании наружной поверхности или изделий простейшей формы типа листов или труб, не обеспечивают в необходимой степени контроль внутренней структуры сложных, пространственно развитых деталей и сборок.

Для этих целей разработаны и выпускаются промышленные рентгеновские вычислительные томографы, способные количественно исследовать внутреннюю пространственную структуру изделий любой сложности. Чем сложнее изделие, тем ярче проявляются уникальные информационные возможности вычислительных томографов.

Достаточно сравнить приведенные выше изображения рентгенограммы (слева) и томограмм одной и той же головки блока цилиндров ВАЗ, полученные на одном и том же томографе ВТ-500 при одинаковом напряжении рентгеновской трубки 420 кВ.

На рентгенограмме головки блока цилиндров тени сложной структуры полностью маскируют друг друга, а тем более мелкие дефекты.

На томограмме - все наоборот. Сложная внутренняя структура литья воспроизводится без наложений, как на чертеже сечения. Дефекты в виде мелких пор и включений отчетливо обнару живаются, где бы они не прятались внутри сложной структуры. Материалы разной плотности и состава отчетливо различаются. Размеры любой недоступной полости и стенки могут быть измерены с точностью до 0,05 мм. Трещины с раскрытием в 100 - 50 мкм обнаруживаются вне зависимости от их ориентации.

По чувствительности к локальным дефектам, малым отклонениям геометрии и плотности внутри изделий со сложной внутренней структурой томографы на два порядка превосходят возможности традиционных средств неразрушающего контроля.

И все это без разрушения изделия, без использования и проявления рентгеновской пленки, сидя за столом у компьютера. Для размещения вычислительного томографа, типичный внешний вид которого представлен на рис. 2, достаточно обычного рентгеновского бокса; а для работы на томографе необходим всего один оператор.

Каждая томограмма («слоеграмма») обычно содержит от 250 тысяч до миллиона 16-разрядных цифровых значений, отражающих изменение плотности материалов в исследуемом сечении или выбранной оператором отдельной зоне такого сечения (локальная томограмма).

Результат исследования представляется в виде изображения на экране монитора, графиков и распечаток внутренней структуры, позволяющих обнаружить и измерить геометрические отклонения, дефекты в виде разноплотностей, пор, трещин, включений и т. п. Это действительно аппаратура конца двадцатого века, объединившая четко сформулированную математическую идею, хорошо изученную и освоенную физику рентгеновского просвечивания с удивительными достижениями современной вычислительной техники.

В упрощенном виде принцип работы рентгеновского вычислительного томографа состоит в реконструкции (восстановлении) трехмерного распределения плотности материалов в объеме объекта контроля по совокупности интегральных теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании изделия в различных направлениях. Подобно тому, как Вы рассматриваете с разных сторон треснувший стакан, с той лишь разницей, что объект томографического контроля непрозрачен, а число необходимых углов (направлений) просвечивания обычно превышает 500. Если учесть, что обычный рентгеновский снимок - это только аналоговая запись одной из таких 500 проекций, то станет понятным, почему вычислительные томографы - это сложное и достаточно дорогостоящее устройство.

Современный промышленный вычислительный томограф обычно имеет в своем составе прецизионную трехкоординатную сканирующую систему с подвижным столом, на котором закрепляется контролируемое изделие, мощный и высокостабильный рентгеновский аппарат с минимальными размерами фокусного пятна, многок анальный блок детекторов рентгеновского излучения, сменные коллиматоры и фильтры, быстродействующий вычислительный комплекс с накопителями большой емкости, поддерживаемый специализированным программным обеспечением, высококачественные монитор и цветной принтер. Кроме того, в состав томографа входят элементы биологической защиты, стандартные образцы для юстировки и проверки метрологического состояния, а также многочисленные электронные подсистемы, обеспечивающие совместную работу всех частей томографа под управлением компьютера и оператора.

Универсальные вычислительные томографы обычно поддерживают несколько режимов неразрушающего контроля: цифровую рентгенографию, обзорную и локальную томографию выбранного сечения (рис.1), многослойное сканирование с трехмерной реконструкцией объемной структуры изделия (рис. 3), низко- и высокочастотную томографию (рис. 4) и др.

Для интерактивной расшифровки цифровых результатов томографического контроля предусмотрен широкий спектр современных математических методов обработки, визуализации и документирования. Неограниченное время хранения цифровых томограмм (в неизменном виде) создает качественно новые возможности проведения функциональной диагностики и исследования малых изменений внутренней структуры на протяжении всей «жизни» ответственных изделий: на последовательных стадиях изготовления, при хранении, в процессе эксплуатации, при ремонте и испытаниях, под влиянием внешних воздействий (механических, тепловых, радиационных, влаги и т. п.). Регулярное архивирование томограмм при серийном производстве однотипных изделий позволяет контролировать технологическую дисциплину, качество исходных материалов и износ технологического оборудования.

Для повышения уровня разработок и технологии бывает полезно без разрушения детально изучить особенности внутреннего устройства изделий-аналогов, выпускаемых конкурентами, подобно тому, как это представлено на рис. 4.

Вычислительные томографы незаменимы при отработке технологии, дефектоскопии и сертификации сложного литья из легких сплавов, ответственных деталей и сборок, металло - диэлектрических многослойных конструкций, сложных сварных и паяных соединений, ответственных изделий из композитов и керамики.

В автомобилестроении - это прежде всего головки блоков цилиндров, поршни и каталитические нейтрализаторы.

На приведенных на рис. 5 томограммах отчетливо видны все особенности конструкции: сварной корпус из двух стальных полуцилиндров, керамический блок с квадратной решеткой миллиметровых каналов, уплотняющий вибро- и теплоизоляционный матик. Но самое важное - надежно выявляются основные недостатки технологии нанесения катализатора (белые более плотные участки на нижних томограммах). Капиллярные силы при осаждении катализатора из жидкой фазы образовали утолщения в узлах керамического носителя, а основная поверхность каналов покрыта плохо и существенно более тонким слоем к атализатора. В нижней части рис. 5 приведены фрагменты томограмм двух катализаторов, изготовленных ведущими конкурирующими изготовителями. Преимущество технологии катализатора, представленного на рисунке справа, очевидны.

Сегодня наука не располагает другим методом с подобным информационным потенциалом при неразрушающем исследовании сложной объемной структуры твердых тел.

Самые широкие возможности применения томографии связаны с аэрокосмической промышленностью и судостроением, где проблемы обеспечения надежности сложных ответственных конструкций из металлических сплавов и новых композиционных материалов стоят наиболее остро.

Повышение достоверности неразрушающего контроля за счет использования рентгеновской томографии (с целью измерения толщины стенок и обнаружения скрытых внутренних дефектов) обеспечивает рост качества и надежности охлаждаемых турбинных лопаток (рис. 6) и двигателя в целом. Аналогично - для агрегатов топливно-регулирующей автоматики авиационных двигателей и гидромеханической системы.

Использование уникальных информационных возможностей вычислительной томографии особенно важно для всей технологической цепи создания ответственных композитов (рис. 7), так как информация о локальных характеристиках внутренней структуры замыкает причинно-следственную связь между технологией, структурой и эксплуатационными свойствами изделий из композитов. С помощью вычислительного томографа удается измерить распределение плотности, содержание отдельных компонентов, фактическую структуру пространственного армирования, выявить расслоения и другие технологические дефекты или подтвердить их отсутствие.

Накоплен обширный опыт применения вычислительной томографии в энергетике, электротехнике, радиоэлектронике (рис. 8), при производстве с овременных боеприпасов и систем вооружения, в геологии и добыче полезных ископаемых.

Несмотря на уникальные информационные возможности вычислительных томографов, для многих руководителей предприятий, конструкторов и технологов, они еще не стали привычным элементом технологии. Этой цели и служит настоящая публикация. Теперь Вы знаете, что сложность внутренней структуры изделия - не препятствие, а повод ощутить красоту метода вычислительной томографии.


Список файлов
 Рассрочка_на_рентгеновский_генератор.pdf2012-07-17 17:31:57261.67 KB1925
 Рентгеновские генераторы XXG.pdf2012-07-17 17:30:181.17 MB1555

Просмотров: 4215

Дата: Пятница, 06 Июля 2012

Новости