激光掃描紅外熱波成像技術(shù)在無損檢測中的應用

江海軍，陳 力，張淑儀

（1.南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，南京 210038；2.南京大學 聲學研究所，南京 210093）

得益于紅外熱像儀的快速發(fā)展，紅外熱波成像無損檢測技術(shù)已經(jīng)在歐美等先進國家得到廣泛應用，特別是在航空航天及國防軍工等領(lǐng)域［1］。該技術(shù)具有檢測速度快、非接觸、非破壞、檢測面積大、便于在線在役檢測、結(jié)果直觀易懂等優(yōu)點，可對金屬、非金屬、復合材料中存在的脫粘、裂紋、銹蝕、損傷等缺陷進行檢測，已日益成為保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全運行的重要手段［2］，具有廣闊發(fā)展前景。近年來，國內(nèi)一些研究機構(gòu)在跟蹤研究紅外無損檢測技術(shù)［3－6］方面做出了很多重要工作，但是在實際應用方面和國外的差距還是很大。主要原因之一在于國內(nèi)的檢測系統(tǒng)大多依靠進口設(shè)備，導致成本很高，很難進行推廣應用［7－8］。

紅外熱波成像檢測技術(shù)的兩大關(guān)鍵技術(shù)為高能量、短脈沖熱激勵和高幀頻紅外圖像采集，對于檢測高導熱率的材料和近表面缺陷十分重要。目前國際上都是采用大功率閃光燈作為高功率短脈沖熱激勵，高幀頻紅外熱像儀進行圖像采集，該設(shè)備不僅功能有很多局限性，而且成本很高，同時高幀頻熱像儀的分辨率會隨幀頻的提高而大幅降低。

激光掃描熱波成像技術(shù)可以有效地解決上述兩個難題。其利用線狀連續(xù)激光束在樣品表面進行掃描，形成高功率密度的脈沖熱激勵，再通過控制激光束與熱像儀之間的掃描時序關(guān)系，達到快速檢測的目的，可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的熱波層析成像。該技術(shù)使得設(shè)備的功能得到大幅提升，而成本卻大幅下降。

1 方法論述

1.1 激光掃描熱波成像系統(tǒng)

紅外熱波成像技術(shù)采用熱激勵源對樣品表面進行加熱并形成向樣品內(nèi)部傳播的熱波，樣品中的缺陷，如脫粘、裂紋、銹蝕、損傷等，會影響熱波的擴散，從而引起材料表面溫度場的變化，采用熱像儀對樣品表面的紅外輻射進行檢測便可以得到樣品內(nèi)部缺陷的信息。

如圖1所示，激光束通過聚焦成線狀光斑，大幅提高了功率密度。當該光斑在樣品表面進行掃描時，樣品表面上的每個固定點都經(jīng)受一次短周期脈沖加熱。同時通過控制光斑掃描和熱像儀掃描之間的相位關(guān)系，可以實現(xiàn)高速熱波信號的采集。

圖1 激光掃描紅外熱波成像無損檢測技術(shù)原理

圖2所示為激光掃描紅外熱波成像檢測設(shè)備，其主要由控制系統(tǒng)、掃描檢測單元、測試平臺組成。掃描檢測單元由激光器及冷卻系統(tǒng)、掃描振鏡、熱像儀及光路系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)激光對樣品表面的掃描。熱像儀完成紅外圖像的采集。掃描控制系統(tǒng)用于控制熱像儀和激光掃描振鏡之間的同步?？刂葡到y(tǒng)用于硬件控制、系統(tǒng)監(jiān)測、圖像分析與處理等。

圖2 激光掃描紅外熱波成像檢測設(shè)備

激光掃描熱波成像技術(shù)與目前國際上普遍采用的閃光燈激勵熱波技術(shù)相比，具有很多優(yōu)勢，它們的部分主要性能的比較如表1所示。

另外，由于激光掃描過程中熱波會沿著樣品表面?zhèn)鞑?，因此可以對近表面的垂直裂紋進行檢測，這在工業(yè)界具有十分重要的應用。

表1 激光掃描熱波無損檢測與閃光燈激勵熱波無損檢測技術(shù)比較

1.2 激光掃描熱波成像系統(tǒng)理論模型的驗證

當線狀激光束在樣品表面掃描時，熱波將沿著激光束前進方向x和垂直樣品表面方向z傳播，樣品內(nèi)部的溫度場由2－D 理論模型來描述［9］。根據(jù)這個模型，推導出樣品表面溫度場分布為：

式中：I為激光功率；L為激光半長度；l為激光半寬度；k為樣品熱導率；a為樣品熱擴散速率；v為激光掃描速度；d為樣品的厚度。

圖3所示的是一組不同厚度的碳素鋼樣品測試結(jié)果和理論數(shù)值的比較（橫坐標為對時間取自然對數(shù)，縱坐標為對溫度取自然對象）。選取了3，4，12mm 厚度的樣品進行測試，激光掃描速度為3cm／s。12mm 的碳素鋼對于熱波，信號屬于熱學意義上的厚樣品，即信號接近于半無限空間狀況，溫度－時間曲線在雙對數(shù)坐標中，其斜率為－0.5的直線。

從圖3看出，理論曲線與試驗結(jié)果整體趨勢相同，對于12 mm 厚的樣品，試驗曲線斜率為－0.5左右，與理論基本一致。對于3，4mm 厚的樣品，試驗曲線和理論結(jié)果也非常相似，信號在加熱后的某個時刻與無限厚的樣品信號曲線發(fā)生分離，3 mm缺陷約在135ms時刻出現(xiàn)分離，4mm 約在165ms時刻出現(xiàn)分離，與理論值基本接近。另外試驗結(jié)果的溫度衰減比理論曲線快，這是因為理論模型沒有考慮樣品表面的輻射與熱傳導等因素。

圖3 碳素鋼樣品的溫度－時間的理論與試驗曲線

2 試驗與驗證

2.1 試驗方法——延遲校正

與閃光燈系統(tǒng)同時進行熱激勵不同，激光掃描紅外熱波成像技術(shù)采用激光束對樣品表面掃描的方式，樣品表面并不是同時進行激勵的，因此圖像在處理和顯示前需要進行延遲校正。采用碳素鋼樣品為例，圖4為其可見光背面圖像，缺陷大小及深度在圖中標明。

圖5（a）與圖5（b）所示為激光掃描過程中采集的兩幀紅外圖像，激光掃描速度為3cm／s。在第132幀時，剛掃描完第一排孔，所有孔清晰可見。到第296幀時掃描完第二排孔，由于碳素鋼熱擴散速率相對較快，第一排孔已基本不清晰。因此如果不經(jīng)過延遲校正，其紅外圖像不能正確顯示不同區(qū)域的缺陷，并且影響后續(xù)的圖像處理。通過延遲校正功能，圖像中所有點的信號與該點熱激勵之間的延遲一致，相當于整個樣品表面都是同一時刻受到熱激勵，如圖5（c）所示。同樣可從圖5（c）中看出，缺陷越深，信號越弱，這是因為熱波在樣品中的衰減較快。對于同一深度缺陷，缺陷面積越小，信號也越弱，這是因為熱波在傳播過程中的橫向擴散所引起。

圖4 碳素鋼樣品背面可見光圖像

圖5 激光掃描碳素鋼樣品表面紅外圖像

2.2 試驗驗證

為了驗證設(shè)備的性能，對某有機涂層和某特殊涂層的人工缺陷樣品進行了測試。

有機涂層樣品在1mm 的涂層下有三排圓孔缺陷，分別為直徑2mm，深度0.35mm 的缺陷；直徑4mm，深度0.9mm 的缺陷；直徑6mm，深度1.4mm的缺陷，其可見光圖像和紅外圖如圖6所示。從圖6中可看出，這些缺陷都可以清晰地被檢測出來。

圖6 有機涂層樣品的可見光圖像和紅外圖像

特殊涂層樣品的涂層厚度在0.6 mm 左右，下面有三排方形2～5mm 的缺陷，其可見光圖像和紅外圖像如圖7所示，可看出，樣品的缺陷都可以清晰地被檢測出來。目前激光掃描紅外熱波成像檢測設(shè)備已應用于各種類型的樣品，包括復合材料、蜂窩材料及不同膜層厚度等的檢測，取得了良好的結(jié)果。

圖7 特殊涂層樣品的可見光圖像和紅外圖像

3 結(jié)論

相對于目前主流的閃光燈激勵波技術(shù)，激光掃描紅外熱波成像檢測技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢，用試驗的方式驗證了激光掃描紅外熱波成像檢測技術(shù)的可行性。試驗結(jié)果表明，當激光掃描速度在一定范圍內(nèi)，樣品表面溫度場的變化服從一維熱傳導模式，主要表現(xiàn)為厚樣品的溫度－時間曲線在雙對數(shù)坐標中為斜率－0.5的直線，與理論模型的結(jié)果相符合。通過對兩種特殊涂層的人工樣品進行檢測，驗證了激光掃描紅外熱波成像設(shè)備的有效性。

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