基于紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的纖維金屬層板缺陷檢測(cè)研究

邱 花

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空材料工程學(xué)院）

20 世紀(jì)80 年代， 紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展， 主要用于探測(cè)裝置的研發(fā)；20 世紀(jì)90 年代，該技術(shù)已逐步應(yīng)用于航空航天、電氣工程及國(guó)防等領(lǐng)域。 近年來(lái)，學(xué)者們也對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，Legrand A C 等在紅外熱波無(wú)損檢測(cè)激勵(lì)技術(shù)上取得較大突破，研制出可有效濾除噪聲的裝置，并對(duì)該裝置進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化［1］；Meola C 等發(fā)現(xiàn)，在焊接構(gòu)件的過(guò)程中，紅外熱波無(wú)損檢測(cè)發(fā)射頻率參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在一定的影響［2］；Maierhofer C 等運(yùn)用紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料拉伸后的缺陷檢測(cè)［3］；Berthe J 和Ragonet M 實(shí)現(xiàn)對(duì)碳/環(huán)氧樹(shù)脂指壓板中間裂紋的檢測(cè)［4］；楊小林等使用高能閃光燈作為熱激勵(lì)源，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)機(jī)垂尾翼尖玻璃纖維層面的缺陷檢測(cè)［5］；劉慧搭建了超聲紅外鎖相熱像檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷試件表面裂紋的檢測(cè)并進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估［6］；卜遲武和唐慶菊在紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的理論基礎(chǔ)之上，建立有限元模型，發(fā)現(xiàn)試件表面溫度會(huì)隨著裂紋的出現(xiàn)而改變［7～9］；Montinaro N 等將激光作為激勵(lì)源，成功檢測(cè)出層板內(nèi)部的人造缺陷區(qū)域［10］。 在此，筆者在紅外熱波無(wú)損檢測(cè)的理論基礎(chǔ)之上，自主搭建紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，制備纖維金屬層板試件并對(duì)表面進(jìn)行特殊處理，通過(guò)檢測(cè)分析缺陷幾何尺寸和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，得到最適宜的缺陷檢測(cè)條件。

1 紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)（圖1）主要由熱激勵(lì)系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析系統(tǒng)3 部分組成。 其工作原理是通過(guò)激勵(lì)樣本表面的溫度熱流， 使得熱流在樣本內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)平穩(wěn)的傳遞，如果樣本內(nèi)部存在缺陷，則會(huì)使得缺陷周?chē)臒醾鬟f過(guò)程發(fā)生改變，從而使得該區(qū)域的樣本表面溫度不均勻，同時(shí)紅外熱像儀就會(huì)將樣本表面的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)研究缺陷部位與無(wú)缺陷部位的表面溫度差異，從而達(dá)到缺陷檢測(cè)的目的。

圖1 紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)

熱激勵(lì)系統(tǒng)是紅外熱波無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)， 由鹵素?zé)簟?數(shù)據(jù)采集卡和調(diào)光器3部分組成。其中鹵素?zé)纛~定功率為1 000 W、額定電壓為230 V，具有穩(wěn)定的輸出以及成本低、功率大等優(yōu)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為USB-6259，其傳輸速率為1.25 m/s， 具有16 差分的輸入通道、2 個(gè)計(jì)數(shù)器和4 條輸入輸出線(xiàn)路，可同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備，具有安全可靠、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)；調(diào)光器額定功率為8 000 W，輸出電流為12 A，其主要作用是改變輸入光源熱激勵(lì)的電流有效值，從而改變輸出光熱強(qiáng)度，具有抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。

成像系統(tǒng)通過(guò)光電設(shè)備將紅外光波信號(hào)轉(zhuǎn)換成人眼可見(jiàn)并直觀顯示的可見(jiàn)圖像。 本實(shí)驗(yàn)中使用紅外熱像儀探測(cè)實(shí)驗(yàn)物體表面的紅外光波輻射，從而建立輻射與物體表面溫度信號(hào)之間的關(guān)系。 實(shí)際測(cè)量時(shí)，將紅外熱像儀放置于升降臺(tái)上，使得被觀測(cè)對(duì)象和熱像儀鏡頭中心位于同一高度。與紅外熱像儀搭配使用的是ResearchIR 軟件，并作為此次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集部分。

2 試件制備及實(shí)驗(yàn)流程

金屬層選用6061-T4 鋁合金材料， 具有比剛度、比強(qiáng)度、柔韌性和抗疲勞強(qiáng)度高的特點(diǎn)；纖維層選用高強(qiáng)度、高剛度和高熱穩(wěn)定性的復(fù)合材料S2 玻璃纖維。

首先在未成形的纖維金屬層板上制備出圓柱形的沉孔以模擬脫粘缺陷，并用高溫陶瓷對(duì)玻璃纖維缺陷處進(jìn)行填充。 鋁合金厚度為0.5 mm，S2 玻璃纖維厚度為0.3 mm，試件為90 mm×70 mm×2.1 mm 的長(zhǎng)方體，如圖2 所示，各缺陷具體尺寸見(jiàn)表1。由于試件表面反光嚴(yán)重，會(huì)影響數(shù)據(jù)的采集，所以將試件整體涂成黑色。

表1 缺陷尺寸mm

圖2 試件尺寸及缺陷位置分布

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，其中實(shí)驗(yàn)樣本與空氣發(fā)生了對(duì)流換熱現(xiàn)象。 按照器材的擺放、安裝樣本、連接線(xiàn)路、焦距的調(diào)節(jié)、設(shè)置參數(shù)、背景采集、表面數(shù)據(jù)采集、測(cè)試數(shù)據(jù)保存、缺陷鑒定及結(jié)束等步驟進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)操作，以研究不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 升/降溫階段對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)輸出功率1.8 kW、脈沖帶寬5 mm、采樣頻率30 Hz、 采樣時(shí)間30 s， 得到的樣本對(duì)比度（即樣本范圍內(nèi)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差） 變化曲線(xiàn)如圖3所示。 由圖3 可以看出，隨著幀數(shù)的增加，缺陷與無(wú)缺陷樣品對(duì)比度均呈快速增加模式，當(dāng)幀數(shù)為130 時(shí)，對(duì)比度達(dá)到峰值，隨著幀數(shù)的繼續(xù)增加對(duì)比度逐漸降低，當(dāng)幀數(shù)為200 時(shí)，對(duì)比度數(shù)值變化趨于穩(wěn)定。

圖3 樣本對(duì)比度變化曲線(xiàn)

圖4 為升溫階段和降溫（冷卻）階段下缺陷試件與無(wú)缺陷試件對(duì)比度差值變化曲線(xiàn)。由圖4a可以看出，升溫階段對(duì)比度差值隨溫度的升高而逐漸增大， 并且在100～150 幀范圍內(nèi)達(dá)到最大值，因此在此范圍內(nèi)進(jìn)行缺陷檢測(cè)能夠得到較好的效果。 由圖4b 可以看出，冷卻階段初期對(duì)比度差值下降迅速，在700 幀以后差值處于平緩變化狀態(tài)，800 幀以后樣本處于熱平衡狀態(tài)，對(duì)比度差值幾乎為0， 此刻進(jìn)行缺陷檢測(cè)無(wú)法達(dá)到較好的效果。 綜上，在升溫階段進(jìn)行缺陷部位檢測(cè)，可以得到較好的檢測(cè)結(jié)果。

圖4 不同階段缺陷試件與無(wú)缺陷試件對(duì)比度差值變化曲線(xiàn)

3.2 熱源輸出功率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)脈沖帶寬5 mm、采樣頻率30 Hz、采樣時(shí)間30 s，缺陷深度1.6 mm。 圖5 為不同缺陷直徑β 下熱源輸出功率對(duì)缺陷對(duì)比度峰值FCRP的影響。 由圖5 可以看出，當(dāng)熱源輸出功率小于0.9 kW 時(shí)，缺陷直徑10、12 mm 的對(duì)比度峰值幾乎相同，實(shí)現(xiàn)了缺陷的初步識(shí)別，但對(duì)于內(nèi)部特征無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的判斷。 當(dāng)熱源輸出功率大于1.0 kW 時(shí)， 各缺陷幅值的對(duì)比度峰值有較大區(qū)別，缺陷特征容易辨識(shí)，說(shuō)明此時(shí)缺陷檢測(cè)效果較好。 可見(jiàn)，若要得到較好的缺陷檢測(cè)結(jié)果，可以選擇輸出功率較高的光熱激勵(lì)源。

3.3 缺陷直徑對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

輸出功率1.8 kW、脈沖帶寬5 mm、采樣時(shí)間30 s、采樣頻率30 Hz。通過(guò)紅外線(xiàn)的照射，得到缺陷區(qū)域的紅外熱圖如圖6 所示。 通過(guò)對(duì)缺陷區(qū)域的選取并計(jì)算對(duì)比度，得到缺陷直徑與FCRP 的關(guān)系曲線(xiàn)如圖7 所示。 從圖7 可以看出，F(xiàn)CRP 隨缺陷直徑的增加呈增大趨勢(shì)，當(dāng)缺陷直徑為11 mm時(shí)，F(xiàn)CRP 達(dá)到最大值，之后缺陷直徑再增大FCRP呈回落趨勢(shì)，由此可知，缺陷直徑為11 mm，時(shí)，檢測(cè)效果最好。

圖6 缺陷區(qū)域的紅外熱圖

圖7 缺陷直徑與FCRP 的關(guān)系曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者依據(jù)紅外熱波無(wú)損檢測(cè)理論，自主搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)制備纖維金屬層板試件，分析缺陷幾何參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)纖維金屬層板缺陷檢測(cè)結(jié)果的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在實(shí)驗(yàn)升溫過(guò)程中調(diào)整輸出功率和缺陷直徑等參數(shù)，當(dāng)輸出功率大于1.0 kW、 缺陷直徑為11 mm 時(shí)，缺陷檢測(cè)效果最佳， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果為相關(guān)樣品缺陷檢測(cè)提供了依據(jù)。