超聲紅外熱像技術(shù)在金屬裂紋檢測(cè)中應(yīng)用

劉繼英 陶祥賀

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬裂紋檢測(cè)效果不理想以及超聲紅外熱像技術(shù)生熱特性研究不充分的問(wèn)題，將超聲紅外熱像技術(shù)引入到金屬裂紋的檢測(cè)，簡(jiǎn)要介紹了該技術(shù)的基本原理和系統(tǒng)組成，分析了實(shí)驗(yàn)中裂紋生熱的特點(diǎn)，進(jìn)一步探索了激勵(lì)參數(shù)和耦合材料對(duì)裂紋生熱的影響，研究結(jié)果表明：超聲紅外熱像技術(shù)非常適合金屬裂紋等接觸界面型缺陷的檢測(cè)，檢測(cè)效果很好。研究成果為超聲紅外熱像技術(shù)檢測(cè)規(guī)范的制定奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：超聲紅外；金屬裂紋；激勵(lì)參數(shù)；耦合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.001

當(dāng)前，各種新型設(shè)備不斷更新?lián)Q代，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和材料多樣化使得傳統(tǒng)檢測(cè)手段難以滿(mǎn)足檢測(cè)需求。因此，迫切需要新的檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用推廣。超聲紅外熱像技術(shù)是一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[1]，它以其具有的檢測(cè)速度快、檢測(cè)范圍廣、使用方便等優(yōu)勢(shì)受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在超聲激勵(lì)下缺陷生熱特性方面開(kāi)展了不同程度的研究。X. Han等人通過(guò)熱能計(jì)算工具分析了紅外數(shù)據(jù)，基于實(shí)驗(yàn)分析，探索了不同耦合材料對(duì)紅外熱信號(hào)的影響[2]。鄭江等人研究了超聲源的位置對(duì)激發(fā)裂紋熱成像的影響，通過(guò)試驗(yàn)觀察到當(dāng)超聲源激發(fā)的位置改變時(shí)，裂紋區(qū)域的溫度升高加熱明顯不同[3]。馮輔周等人對(duì)超聲激勵(lì)條件下微裂紋生熱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，揭示了微裂紋生熱與被測(cè)試件厚度之間的關(guān)系[4]。然而，上述研究都局限于的考慮單一因素對(duì)缺陷生熱的影響，而且對(duì)于缺陷生熱特性研究并不深入，研究成果很難指導(dǎo)檢測(cè)紅外熱像技術(shù)的檢測(cè)應(yīng)用。

為了探索超聲紅外熱像技術(shù)在金屬裂紋檢測(cè)中的效果，同時(shí)深入研究裂紋生熱特性以及激勵(lì)參數(shù)、耦合材料等多種因素對(duì)裂紋生熱的影響，本文以金屬疲勞裂紋為研究對(duì)象，引入超聲紅外熱像檢測(cè)技術(shù)，探索超聲激勵(lì)下裂紋生熱特性，進(jìn)一步，揭示激勵(lì)強(qiáng)度和激勵(lì)時(shí)間等激勵(lì)參數(shù)、耦合材料等因素對(duì)裂紋生熱的影響，研究將為超聲紅外熱像技術(shù)檢測(cè)規(guī)范的制定提供理論依據(jù)，最終指導(dǎo)該技術(shù)走向工程實(shí)踐應(yīng)用。

1 基本原理和系統(tǒng)組成

超聲紅外熱像技術(shù)在檢測(cè)過(guò)程中包含超聲激勵(lì)的產(chǎn)生與傳播、裂紋生熱以及熱量的擴(kuò)散、試件表面溫度分布獲取等過(guò)程。其檢測(cè)的基本原理是：以超聲發(fā)生器產(chǎn)生超聲脈沖作為激勵(lì)源，作用于被測(cè)對(duì)象并將超聲波傳遞到被測(cè)對(duì)象內(nèi)部，進(jìn)而傳播至缺陷區(qū)域， 由于缺陷區(qū)域的摩擦、塑性變形、粘彈性效應(yīng)[5]等使得周?chē)鷾囟壬?，進(jìn)一步利用紅外熱像儀獲取被測(cè)對(duì)象表面溫度分布情況，通過(guò)溫度變化達(dá)到缺陷識(shí)別的目的。

超聲紅外熱像系統(tǒng)主要由激勵(lì)發(fā)生裝置、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)和被測(cè)對(duì)象四部分構(gòu)成[6]，其系統(tǒng)示意圖如圖1所示。具體來(lái)說(shuō)，激勵(lì)發(fā)生裝置包括超聲電源和超聲發(fā)生器兩部分組成，超聲電源為超聲發(fā)生器提供電源；而超聲發(fā)生器是產(chǎn)生超聲激勵(lì)的核心部件，能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；紅外熱像儀主要用來(lái)采集紅外熱圖像；計(jì)算機(jī)用于控制系統(tǒng)的運(yùn)行以及數(shù)據(jù)處理；被測(cè)試件的材料選擇合金鋼，尺寸為200mm×100mm×3mm，在其長(zhǎng)邊預(yù)制一長(zhǎng)度為5mm的裂紋缺陷，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2 裂紋生熱特性分析

圖2中虛線(xiàn)框內(nèi)區(qū)域?yàn)榧t外熱像儀的采集區(qū)域，由此可以獲取被測(cè)平板表面溫度分布情況，如圖3所示。圖中可以看出：裂紋區(qū)域生熱明顯高于其他區(qū)域，由此可以實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷的識(shí)別，說(shuō)明了該方法對(duì)于金屬裂紋缺陷檢測(cè)的有效性。進(jìn)一步計(jì)算將裂紋區(qū)域溫升平均值，觀察其隨激勵(lì)時(shí)間的變化情況，如圖4所示。圖中曲線(xiàn)表明：裂紋區(qū)域溫升隨激勵(lì)時(shí)間呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，激勵(lì)停止（2s時(shí)刻），溫升逐漸降低，在上升階段溫升增長(zhǎng)率越來(lái)越小，而在下降階段溫升下降率越來(lái)越大。

3 裂紋生熱的參數(shù)影響

參數(shù)影響研究超聲紅外熱像技術(shù)的重要內(nèi)容，也是進(jìn)行檢測(cè)條件優(yōu)化研究的必要基礎(chǔ)，其研究成果將為超聲紅外熱像技術(shù)檢測(cè)規(guī)范的制定提供理論指導(dǎo)。本文引入激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度和耦合材料三個(gè)參數(shù)作為變量，探索不同參數(shù)對(duì)裂紋生熱的影響，旨在對(duì)比分析不同參數(shù)對(duì)裂紋生熱的影響規(guī)律，為后續(xù)檢測(cè)條件優(yōu)化奠定理論基礎(chǔ)。

3.1 激勵(lì)時(shí)間的影響

為探索激勵(lì)時(shí)間對(duì)裂紋生熱的影響，設(shè)置1s到5s五組不同的激勵(lì)時(shí)間，在其他條件不變的情況下，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。選取裂紋區(qū)域溫度的平均值變化曲線(xiàn)作為研究對(duì)象，觀察不同時(shí)刻溫度變化的趨勢(shì)。圖中表明：雖然進(jìn)行了5次試驗(yàn)，但是5條曲線(xiàn)的起點(diǎn)和變化軌跡也基本相似。隨著激勵(lì)時(shí)間的增加，裂紋區(qū)域溫度平均值逐漸增大，但是增長(zhǎng)率逐漸降低。其主要原因是由于裂紋生熱速率與時(shí)間的傳熱速率之間相互作用的結(jié)果。在激勵(lì)開(kāi)始到1s時(shí)刻，裂紋區(qū)域溫度上升的趨勢(shì)比較明顯，之后溫度上升趨勢(shì)趨于平緩，在5s時(shí)刻溫度上升的趨勢(shì)已經(jīng)非常小，同時(shí)在整個(gè)激勵(lì)過(guò)程中，裂紋區(qū)域溫度增長(zhǎng)率在逐漸降低。說(shuō)明了激勵(lì)時(shí)間對(duì)裂紋生熱的影響是一個(gè)逐漸變小的過(guò)程，由此可以預(yù)測(cè)在其他因素不變的情況下，存在一個(gè)激勵(lì)時(shí)間的臨界值使得裂紋生熱達(dá)到平衡。

3.2 激勵(lì)強(qiáng)度的影響

激勵(lì)強(qiáng)度用激勵(lì)發(fā)生裝置的輸出功率表示，單位為W。和激勵(lì)時(shí)間的影響類(lèi)似，設(shè)置激勵(lì)強(qiáng)度為550W、600W、650W、750W和850W，選擇裂紋區(qū)域平均溫升為研究對(duì)象，其變化曲線(xiàn)如圖6所示。圖示得到：隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增大，裂紋區(qū)域平均溫升呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。然而在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，過(guò)大的激勵(lì)強(qiáng)度會(huì)對(duì)被測(cè)對(duì)象表面造成沖擊損傷，并不是激勵(lì)強(qiáng)度越大越好。由此可以看出，在其他條件不變的情況下，存在一個(gè)激勵(lì)強(qiáng)度的合理值，使得裂紋生熱能夠被有效檢測(cè)到同時(shí)又不會(huì)造成被測(cè)試件的損傷。

3.3 耦合材料的影響

前面探索了激勵(lì)參數(shù)對(duì)裂紋生熱的影響， 除此之外，影響裂紋生熱的因素還有很多，耦合材料就是其中之一。耦合材料是位于被測(cè)對(duì)象和激勵(lì)發(fā)生器中間，起到將超聲激勵(lì)更加有效地傳遞到被測(cè)對(duì)象中的一種材料。如圖7所示，本文中選擇了膏藥、熱縮管、皮革以及名片等四種材料，觀察不同的耦合材料對(duì)裂紋生熱的影響。圖8所示為耦合材料影響裂紋生熱的結(jié)果，圖中表明：名片的耦合效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他三種材料，而皮革的耦合效果最不好。其原因是：名片材料比較硬，超聲波傳遞過(guò)程中損失比較少，而皮革材料則起到了減振作用，吸收了大部分超聲波。由此可以看出，慎重選擇耦合材料可以有效促進(jìn)裂紋生熱效果。

4 結(jié)論

本文以含裂紋缺陷的合金鋼平板為研究對(duì)象，引入了超聲紅外熱像技術(shù)，探索了超聲激勵(lì)下裂紋生熱特性以及裂紋生熱的參數(shù)影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）生熱特性分析表明：裂紋區(qū)域生熱明顯高于其他區(qū)域，由此可以識(shí)別出裂紋缺陷，說(shuō)明了超聲紅外熱像技術(shù)對(duì)于金屬裂紋缺陷檢測(cè)的有效性。

（2）激勵(lì)參數(shù)影響分析表明：隨著激勵(lì)時(shí)間的增加，裂紋區(qū)域溫升呈現(xiàn)出逐漸增大，但增長(zhǎng)率逐漸降低的趨勢(shì)，而隨激勵(lì)強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。

（3）耦合材料對(duì)裂紋生熱影響差異很大，名片的耦合效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他三種材料，而皮革的耦合效果最不好，慎重選擇耦合材料可以有效促進(jìn)裂紋生熱效果。

雖然本文在參數(shù)影響方面取得了一些成果，然而，對(duì)于多種因素的共同影響、交叉影響以及建立缺陷生熱與多種影響因素之間的定量關(guān)系等方面仍需進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]L.D.Favro，Xiaoyan Han.Infrared imaging of defects heated by a sonic pulse[J].Review Of Scientific Instrumments，2000（06）：2418-2421.

[2]Xiaoyan Han， Rui Yu.Studying the effect of coupling materials in sonic IR imaging[C].Masayoshi Tomizuka.Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical，and Aerospace Systems 2007.San Diego，CA，USA：SPIE，2007.

[3]鄭凱，鄭江.超聲源的位置對(duì)激發(fā)裂紋熱成像的影響[J].無(wú)損檢測(cè)，2009，31（12）：946-949.

[4]馮輔周，張超省，張麗霞等.超聲激勵(lì)條件下微裂紋生熱的有限元分析及試驗(yàn)研究[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，25（05）：79-83.

[5]RENSHAW J，CHEN J，HOLLAND S，et al.The sources of heat generation in vibrothermography [J].NDT&E; International， 2011（44）：736-739.

[6]金國(guó)鋒，張煒，楊正偉等.基于超聲熱波方法的鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋檢測(cè)與識(shí)別[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（07）：1900-1904.

作者簡(jiǎn)介：劉繼英（1989-）女，山東單縣人，本科，專(zhuān)利審查員，研究方向：光電領(lǐng)域發(fā)明專(zhuān)利。