二维三维X射线技术在工业无损检测中的应用

文章来源：骅飞科技XRAY 发布时间： 2024-09-13

X射线技术在检测和质量控制中具有许多优势。二维和三维X射线技术是最有用的无损检测方法之一。它们可以在不拆解样品或破坏部件的情况下检查物体的内部特征。许多基于X射线的技术最初应用于医学领域，随后逐渐在工业应用中找到了用武之地。
Xray设备检测电路板

如今，X射线技术越来越多地被应用于质量控制进行无损分析和三维成像，涵盖航空航天、汽车、电子、医疗设备、塑料部件和3D打印等行业。

可用于无损检测的X射线技术包括放射摄影、层析摄影、计算机断层扫描（CT）、有限角度断层扫描和计算层析摄影。

这些技术有助于确定被测物品的空洞/孔隙、缺陷、裂纹、夹杂物，以及对制造部件进行几何尺寸和公差分析。

根据Research and Markets的最新报告，全球工业X射线检测技术（包括X射线计算机断层扫描、放射摄影和基于胶卷的系统）的市场预计将在2024年超过7.224亿美元。

二维X射线成像技术

第一个也是仍广泛使用的X射线技术是放射摄影，其目的是将物体内部结构的图像投影到探测屏上。工业放射摄影的应用包括焊缝和电子元件的检测。从发光二极管、混合封装、电力器件、多层线键合封装到超细间距器件等不同类型的封装，都可以用来检查其封装要求或缺陷行为。

通过在多个角度拍摄2D放射图像，可以辨别电子组件的特征和层次。典型的检测是在印刷电路板（PCB）上——检查封装的空洞、集中区域、焊料桥、焊盘对齐等情况，并查找故障迹象，如线条扫痕、短路、接头中焊料过多/不足、裂纹、尺寸不合适的元件和缺失的组件。

通过高倍率，可以清晰地可视化和量化球栅阵列（BGA）中的形状和空洞，并利用现代分析软件提供公差分析。

通过将探测器与样品分离并在拍摄多个放射图像的同时旋转样品，可以利用所谓的“层析摄影”（也称为“运动断层扫描”）构建部件的3D模型。（X射线计算机断层扫描（CT）是一种3D测量技术，可以以无损方式创建扫描对象的整个体积的3D模型。）

三维（3D） X射线成像技术

CT技术允许使用横截面图像可视化和分析内部结构。它能够生成几何数据，以检测出材料结构和检测裂纹或缺陷。用于工业应用的X射线CT机主要配备了X射线源管和探测器，被检样品可以安装在旋转台上，在不同角度位置记录放射图像。射线源发出的线束通过样品，X射线光子与样品材料的相互作用会衰减射线的强度。

因此，穿过样品的X射线将以不同的强度衰减，探测器随后测量这些衰减。收集从样品周围多个不同角度拍摄的若干放射图像后，通过重建算法，可以重建出详细的能够显示所有内部和外部特征的3D图像。

在X射线CT检测中，重建算法生成的3D图像代表了一个体积密度图——可视化为灰度级（尽管通过分割过程可以将假色添加到不同部分）——显示了样品沿X射线光子路径的平均X射线吸收系数。该灰度图不仅依赖于样品材料的密度和成分，还依赖于穿过样品的X射线光子的能量。每个灰度级包含了X射线沿着源和探测器之间整条线穿透的材料信息，从而揭示了物体的外部和内部结构。

尽管这种技术没有直接定义物体的外表面，但可以通过表面提取算法从重建的体积灰度图中提取出表面轮廓。一旦确定了这些轮廓，并进行适当的校准，CT分析就可以提供部件的尺寸测量。
xray射线源探测器检测样品中

尺寸计量与缺陷分析

在尺寸计量领域，CT可以获得通常无法通过坐标测量机（CMM）获得的内部特征尺寸。因此，部件不仅可以进行合格/不合格的检查，还可以进行制造精度的量化测量。

此外，CT通过将3D重建模型转换为立体CAD模型来实现逆向工程，这些CAD模型可以用于3D打印和计算机辅助制造。

可以使用基于X射线的技术测量不同大小和复杂度的部件。通过改变样品，射线源和探测器距离/位置，可以实现不同的放大倍率，并调整扫描的分辨率可以获得特定区域的高分辨率特写视图。使用高分辨率扫描可以进行准确测量，而较低放大倍率则可以实现更快的采集。如果时间有限，可以容许图像成像质量下降到一定程度来缩短扫描时间。不过扫描时间减少几分钟也可能只会导致降低几微米的测量精度。

根据应用的不同，缩短扫描时间到30秒一般是可以接受的。CT数据的质量取决于X射线图像的质量，这部分取决于射线源的质量、探测器中的信噪比以及操控系统的精度和稳定性。

凭借提升产品质量、降低检测和分析成本、提高生产效率的技术属性，二维（2D）和三维（3D） X射线技术现在正快速地在被应用于3D打印、汽车、电子、航空航天、医疗设备、铸造材料和注塑等行业。

X射线技术在质量控制中具有许多优势，主要是因为它允许以无损的方式提取内部特征。能够看到产品内部，方便了零件的验证、设计问题的识别、差异的调查、缺陷和内部缺陷的定位以及尺寸检测。

现如今比较常见的是，X射线技术多用于检测各种聚合物/塑料、陶瓷、铸造和轻金属（如铝）、纤维、复合材料以及机械和电子组件的组合部件。