基于激光熱成像方法的奧氏體鋼表面缺陷表征

董寧琛,張志杰,尹武良,趙晨陽(yáng)

(中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,山西 太原 030051)

1 引 言

奧氏體鋼具有良好的抗氧化與耐酸性能,極佳的生物相容性,且能長(zhǎng)期在高溫條件下工作,因而在化工、海洋工程、食品、生物醫(yī)學(xué)、石油化工和其他行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。在奧氏體鋼材料的制造與使用期間,缺陷與損傷的出現(xiàn)不可避免,因此,非常需要無(wú)損檢測(cè)來(lái)防止故障,檢查制造和在役部件的可靠性[4]?，F(xiàn)有許多不同的方法,例如渦流、超聲、磁粉與計(jì)算機(jī)斷層掃描等。這些技術(shù)有它們的特定優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也限制了它們的應(yīng)用環(huán)境。激光熱成像方法作為一種快速、非接觸與缺陷可視化技術(shù)被認(rèn)為非常適合于表面缺陷的表征[1,5],即使在材料制造的惡劣條件下。本文提出一種基于激光熱成像的缺陷表征方法,用于評(píng)估表面缺陷的分布。

目前,國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)于紅外熱成像缺陷分布的表征已經(jīng)做了許多工作。Y.Fedala等人采用調(diào)制激光激發(fā)的光學(xué)鎖相熱成像用于金屬樣品中表面裂紋的定性評(píng)估[6],為了識(shí)別與定位缺陷,對(duì)記錄的紅外圖像序列進(jìn)行了幅度分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定區(qū)域缺陷的定位；Zhanwei-Liu開(kāi)發(fā)了線性激光快速掃描熱成像方法,精確的檢測(cè)到了熱障涂層中的人工脫粘缺陷[7]；M Ziegler采用激光熱成像方法,對(duì)不同溫度下的試樣進(jìn)行裂紋識(shí)別,對(duì)于高溫試樣,激光熱成像也保持著良好的裂紋檢測(cè)能力[8]；金學(xué)元等人針對(duì)脈沖激勵(lì)紅外熱成像的降溫過(guò)程,建立了被檢物熱傳導(dǎo)微分方程[9]。以上研究表明,激光熱成像非常適合用于表面缺陷的表征,相對(duì)于其他無(wú)損檢測(cè)方法也更有競(jìng)爭(zhēng)力。

傳統(tǒng)的紅外熱成像使用鹵素?zé)艋蜷W光燈對(duì)檢測(cè)面均勻加熱,同時(shí)使用紅外熱像儀記錄另一側(cè)的溫度場(chǎng)變化。這樣,可以檢測(cè)導(dǎo)各種各樣的缺陷,例如空隙,孔隙或分層。但由于主要是垂直覆蓋整個(gè)表面的熱通量,因此只能顯示該方向上的熱傳導(dǎo)變化[10-11]。本文采用聚焦后的激光束在相對(duì)于缺陷的固定位置進(jìn)行局部加熱,直到擴(kuò)散的熱量完全覆蓋了缺陷位置。此時(shí),停止加熱,并使用紅外熱像儀記錄散熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化,缺陷位置表現(xiàn)出不同的熱輻射,進(jìn)而完成缺陷的定位表征。

2 激光熱成像缺陷表征原理

激光熱成像用于缺陷表征的原理如圖1所示。驅(qū)動(dòng)裝置為半導(dǎo)體激光器提供激勵(lì)信號(hào),半導(dǎo)體激光器的出射激光經(jīng)過(guò)聚光透鏡進(jìn)行聚焦,試件放置于聚光透鏡焦點(diǎn)位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)試件表面的點(diǎn)激勵(lì),同時(shí),缺陷位于激勵(lì)中心可檢測(cè)范圍內(nèi)。激光束局部激勵(lì)試件表面,能量擴(kuò)散完全覆蓋缺陷區(qū)域后,停止激勵(lì),紅外熱像儀記錄散熱過(guò)程的溫度場(chǎng)分布。

圖1 激光熱成像缺陷表征原理圖

聚焦的激光束局部加熱試件表面,導(dǎo)致球形式的熱擴(kuò)散,在此情況下,缺陷會(huì)影響熱流的分布。在散熱過(guò)程中,由于激光輻射在缺陷內(nèi)部多次反射,每次的能量都被吸收；此外缺陷位置與平坦的表面相比表面積增加,使得缺陷位置的輻射強(qiáng)度增加；這兩種效應(yīng)均會(huì)導(dǎo)致紅外熱像儀在缺陷位置記錄到更高的熱輻射,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)表面缺陷的表征。

激光束對(duì)試件表面固定位置進(jìn)行點(diǎn)激勵(lì),對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)為λ的試件,可由熱擴(kuò)散的定義得到其熱擴(kuò)散系數(shù):

(1)

式中,a是熱擴(kuò)散系數(shù)；γ為試件密度；c為試件的比熱容。

在加熱過(guò)程中,熱流擴(kuò)散到均勻和各向同性材料的半空間中引起的溫度分布T(r,t)可以用下式來(lái)表示:

(2)

式中,r是球面坐標(biāo)系的徑向距離；T0表示室溫；p表示吸收的熱功率,在不考慮熱損耗的情況下可視為激光的輸出功率；ω=2π/ΔT是調(diào)制激光的角頻率,其中ΔT表示激光的激勵(lì)時(shí)間；μ表示熱擴(kuò)散長(zhǎng)度,是材料中熱波可探測(cè)到的距離,可用下式表示:

(3)

可見(jiàn)單次激勵(lì)時(shí)間越長(zhǎng),可研究的范圍越大,從而保證能量擴(kuò)散完全覆蓋缺陷區(qū)域。

在散熱過(guò)程中,其傳播規(guī)律可由傅里葉熱傳導(dǎo)定律給出:

(4)

式中,Q為導(dǎo)熱量;A為導(dǎo)熱面積;T為溫度;x為在導(dǎo)熱面上的坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光熱成像缺陷表征實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)如圖2所示,由信號(hào)發(fā)生器與驅(qū)動(dòng)電路共同給激光器提供激勵(lì)信號(hào),保證加熱結(jié)束時(shí),能量擴(kuò)散完全覆蓋缺陷區(qū)域；輸出激光通過(guò)聚光透鏡中心后,在相對(duì)于缺陷的固定位置處進(jìn)行加熱；加熱結(jié)束后,紅外熱像儀記錄散熱過(guò)程試件表面的溫度場(chǎng)分布。

圖2 激光熱成像缺陷表征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在奧氏體鋼表面制作了電火花侵蝕的槽形缺陷,其表面缺陷的形狀以及分布如圖3所示；激光的輸出功率為87 W,激勵(lì)時(shí)間為2 s；冷卻時(shí)間為5 s,紅外熱像儀的圖像幀頻為50 Hz,整個(gè)過(guò)程可記錄350幀圖像,選取其中的有效圖像來(lái)進(jìn)行結(jié)果分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4展示了針對(duì)電火花侵蝕下的不同槽形缺陷的檢測(cè)結(jié)果,圖像上可以清晰的分辨出缺陷的形狀與分布。此外,由于激光采用單點(diǎn)激勵(lì)的方式,缺陷處靠近激光源的溫度更高,對(duì)其邊界的識(shí)別度也更高。圖5展示了圖4檢測(cè)結(jié)果的表面溫度場(chǎng)分布,其表面位置分布以像素點(diǎn)來(lái)表示。可以看到,在缺陷邊界處溫度迅速下降,且高溫區(qū)域的形狀分布與缺陷的形狀分布接近,因此可通過(guò)溫差對(duì)缺陷的邊界進(jìn)行提取。

圖4 不同形狀缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖5 檢測(cè)結(jié)果的表面溫度場(chǎng)分布

4 邊界提取

4.1 Prewitt算子邊緣檢測(cè)

為了對(duì)缺陷邊界進(jìn)行提取,本文采用Prewitt銳化算子完成邊緣檢測(cè),并與原圖像進(jìn)行融合。

Prewitt銳化算子是一階微分算子的邊緣檢測(cè),利用像素點(diǎn)上下、左右鄰點(diǎn)的灰度差,將方

向差分運(yùn)算與局部平局相結(jié)合,在邊緣處達(dá)到極值檢測(cè)邊緣,去掉部分偽邊緣,對(duì)噪聲具有平滑作用。表達(dá)式如下:

(5)

算子的卷積模板為:

G(i,j)=|Px|+|Py|

(6)

式中:

(7)

式中,Px是水平模板;Py是垂直模板,對(duì)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)使用這兩個(gè)模板進(jìn)行卷積,取最大值作為輸出,最終產(chǎn)生邊緣圖像。

4.2 邊緣檢測(cè)結(jié)果

圖6各圖分別顯示了采用Prewitt算子對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像的邊緣檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)兩個(gè)方向的邊界像素提取,將缺陷的邊界表征出來(lái),從而得到缺陷的形狀與分布。由于在加熱過(guò)程中不能保證能量的均勻擴(kuò)散,測(cè)量視角對(duì)紅外測(cè)溫的影響,以及測(cè)量過(guò)程中的熱噪聲的影響,在缺陷內(nèi)部形成一定程度的溫度差,使得邊緣檢測(cè)算子在缺陷內(nèi)部檢測(cè)到邊界。

圖6 不同形狀缺陷的邊緣檢測(cè)結(jié)果

圖7各圖分別顯示了將檢測(cè)到的圖像邊緣與原圖像融合的結(jié)果,可以看到,圖像邊緣很好的實(shí)現(xiàn)了缺陷的形狀與分布,進(jìn)而完成缺陷的定位表征。

圖7 檢測(cè)邊緣與原圖像融合結(jié)果

5 結(jié) 論

基于激光激勵(lì)的有源熱成像,可利用材料的熱特性完成缺陷的表征。本文以激光熱成像加熱與散熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)電火花侵蝕下的奧氏體鋼表面的槽形缺陷,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在散熱過(guò)程中,缺陷的存在會(huì)使得激光器的熱足跡呈現(xiàn)不對(duì)稱性,且缺陷處的溫度高于周圍區(qū)域。通過(guò)對(duì)原始圖像的邊緣檢測(cè),來(lái)確定缺陷的邊界,并與原始圖像融合,完成缺陷的定位表征。