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1、棒阳极X射线管的创新技术 应用于航空发动机焊缝的X射线无损检测作者：Thorsten FROBA, Dr. Jens Peter Steffen地址：X-RAY WorX GmbH, Siemensstrae 26, D-30827 Garbsen, Germany,www.x-ray-摘要：根据工业标准（如ASTM 1）的要求，航空发动机焊缝的X射线无损检测需要使用高强度长时间曝光的X射线，棒阳极X射线管的最大挑战在于其耐用性，为了增强棒阳极X射线管可靠性和耐用性，不仅要改进其机械设计，而且要引进创新的冷却技术。此文献概述了微焦点棒阳极X射线管的安装及应用，特别是在航空航天工业中。文中讨论了
2、不同的技术难点，如散热、冷却的改进、以及密闭的冷却回路，并讲述了X-RAY WorX公司的研发团队是如何解决这些关键问题，最终为航空发动机检测领域集成了一套紧凑、耐用的棒阳极X射线管。新的棒阳极X射线管的技术，使设备更稳定，减少故障率并为发动机制造商提供了优化的X射线检测方案。1. 应用领域射线照射及射线透视技术广泛应用在无损检测领域中，在普通的射线检测系统中，一般将X射线源放置在被检测物的前面，一个X射线感光胶片或探测器放置在被检测物的后面，用以接收穿透被检测物后残余的射线，但是许多被检测物的缺陷所处的位置非常不适用于这种检测方式。那些带有很多孔腔或很厚的管璧的检测样品，由于射线穿透后分辨率
3、以及对比度的问题，导致检测结果非常不理想。例如中空的样品2和热交换器3，管板上焊接许多管子，这种焊缝的检测就需要一个狭长的X射线源，伸进管子内部，如热交换器的管子内部，标准的X射线管都不能满足这种检测方式。图1. 使用普通的X射线管进行焊缝检测类似的难点在航空发动机零部件的检测中很常见，X射线源必须非常靠近焊接点（the weld），同时胶片及探测器需要放置在焊接处的另一侧，使用普通的X射线管，不可能将X射线源靠近缺陷处，而且不可避免的需要穿透很厚的管壁（如图1），穿透双壁厚度导致分辨率和对比度降低，而且会产生重叠分辨被检测区域的现象。为了解决上述检测难点，研制了棒阳极X射线管，X射线窗位于阳
4、极棒的顶端，阳极棒可以探入孔洞内部，图2展示了使用棒阳极X射线管检测的基本原理，相对于普通的从被检测物外部透照检测方式，使用棒阳极X射线源，可以减少透照壁厚，可以获取更高的分辨率。图2.使用棒阳极检测焊缝随着产品质量及安全标准的越来越严格，允许焊缝的缺陷大小也越来越小，电子束焊接可能出现的漏焊深度必须小于50m4，这会直接影响到在检测中所使用的X射线源，要求X射线焦点尺寸更小，焦点尺寸大小指的是X射线源内部辐射的区域直径，针对高放大倍数及高分辨率的X射线图像是关键要求的领域，微焦点X射线源为此提供了解决方案。2. 微焦点棒阳极X射线管 微焦点棒阳极X射线管结合了微焦点和阳极棒两个特点，如图3先
5、进的微焦点棒阳极X射线管，可以生成非常小的焦点尺寸，同时可以探入孔洞内部非常靠近缺陷的位置进行检测。图3先进的微焦点棒阳极X射线管棒阳极X射线管的焦点在靶极生成，如图5，阳极靶位于阳极棒顶端，根据靶的不同形状，可以产生不同形状的X射线束，参考图表1表示了4种不同特点的X射线束。周向靶（Panoramic）通常被用在管状结构或航空发动机的检测中，反射式靶(Reflection)可用在管板的焊缝检测中，透射式靶（Transimission）可以用在容器的检测中。3. 带棒阳极X射线管的微焦点射线检测难点优化的生产工艺意味着保证高质量的同时节省更多的时间，在检测焊缝时，减少检测时间，意味着减少胶片或
6、探测器的X射线曝光时间，为保证焦点尺寸在一定范围内，可以通过增加X射线轻度来实现。增加X射线的强度，就需要增加射线管的运行电流，电流越高，作用到棒阳极和靶上的热量就越大，这就引起了微焦点X射线技术的核心问题，即靶和密封件的散热问题。 O-型密封垫圈是为了保证射线管内的真空度，热量过高会引起钨层靶以及密封垫圈的老化，所以热量是影响微焦点X射线源稳定及耐用程度的关键。普通的微焦点X射线管的靶冷却是在棒阳极管头顶端带有冷却介质，这样使得操作很不便利，因为冷却介质是作用于靶的背面（如图4），所以靶和O型垫圈的冷却效果很不理想，而且容易引起连续运行时真空度的不稳定。图4. 带外部冷却的普通的棒阳极X射线
7、管4. 内部液体冷却以改善性能 微焦点棒阳极X射线管的创新水冷技术，采用内部液体循环通道，将冷却介质直接作用到O型密封垫圈和靶上（如图5），这样有利于操作并固定棒阳极，并且保证稳定的真空环境。图5.优化的棒阳极X射线管的内部冷却 先进的冷却技术，可以是管功率增加至100W，可以增加X射线强度，缩短检测时间，而且可以有效改善O型密封垫圈的使用寿命，从而可以降低棒阳极射线管的维护成本，增强了棒阳极的耐用性。 如图6.，采用内部液体冷却，可以减少棒阳极的直径，可以进入更小的孔洞。图6：棒阳极创新设计参考文献1 ASTM E1032 - 06 Standard Test Method for Radi
8、ographic Examination of Weldments2 Schrder, G., Pauly, F., Untersuchung von Verbindung und Struktur geschweiter Aluminium-Strangpressprofile, Berichte des Forschungszentrum Jlich, 3944, S.11 ff (http:/juwel.fz-juelich.de:8080/dspace/bitstream/2128/2590/1/Juel_3944_Schroeder.pdf)3 Ding, K., Chen, G.,
9、 Shou, B., Zhang, X., Huang, D., Digital Radiographic Imaging Inspection System on The Tube to Tube Sheet Welding Joints of Heat Exchanger, Proceedings of the WCNDT 2008, Shanghai.(http:/ )4 Kumar, A. and Kumar, S., X-Ray Radiography of EB Welded Joints in India, Proceedings of the National Seminar
10、on Non-Destructive Evaluation, 2006, Hyderabad (http:/ of Rod Anode Tubes for X-ray Inspection of Aircraft Engine WeldingsThorsten FRBA*, Dr. Jens Peter STEFFEN*X-RAY WorX GmbH, Siemensstrae 26, D-30827 Garbsen, Germany,www.x-ray-Abstract. One of the major challenges for rod anode tubes used in micr
11、ofocus X-ray inspection of aircraft engine parts is endurance. Industry standards like ASTM 1 require long exposure times of X-ray films at high X-ray intensity. To increase reliability and endurance of rod anode tubes new mechanical designs had to be developed and new cooling techniques needed to b
12、e applied.This paper gives an overview over the general setup and application of microfocus rod anode tubes in industry with a special focus on aerospace industry. It discusses different technical challenges like heat reduction, improvement of the cooling process as well as the integration of sealin
13、gs into the cooling circuit. It shows how the development team of X-RAY WorX solved the major issues to assemble a compact and durable rod anode tube for use in aircraft engine inspection. The new design of the rod anode tube decreases down times of the equipment and thus optimizes the process of X-
14、ray inspection of the engine manufacturer.1. Areas of ApplicationRadiography and radioscopy are common and widely accepted techniques for non-destructive testing. In a standard test setup an X-ray source is placed in front of the inspected part. An X-ray sensitive film or detector is placed behind t
15、he part to collect the remaining radiation that penetrated the part. In many setups the region of interest is found at positions that are inappropriate for this procedure.Parts that have several cavities and high overall wall thickness may only be penetrated with insufficient results in terms of resolution or contrast. Examples are hollow chamber profiles 2 and heat exchangers 3, where several tubes are welded on a tube sheet. Inspecting the welds requires a narrow X-ray source that needs to be
