超聲紅外熱成像技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

江海軍，盛 濤，鄭金華，向 蘋

超聲紅外熱成像技術(shù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

江海軍1，盛 濤2，鄭金華2，向 蘋2

（1. 南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210014；2. 上海復(fù)合材料科技有限公司，上海 201112）

超聲紅外熱成像技術(shù)具有選擇性加熱、可檢測復(fù)雜工件裂紋缺陷的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有很大研究價值的無損檢測方法。本文介紹了超聲紅外熱成像技術(shù)原理與系統(tǒng)組成，并對國內(nèi)的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧和總結(jié)。重點(diǎn)針對仿真研究、復(fù)合材料損傷、疲勞裂紋、金屬構(gòu)件裂紋、混凝土零件裂紋應(yīng)用領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后展望了超聲紅外熱成像技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。

超聲激勵；無損檢測；裂紋；超聲紅外熱成像

0 引言

超聲紅外熱成像技術(shù)是將超聲激勵與紅外熱成像相結(jié)合的無損檢測方法，以超聲激勵源（主動激勵源）激發(fā)的高頻超聲（15～40kHz）耦合到試件內(nèi)部[1-2]。超聲波在固體內(nèi)部傳播速度很快，通常速度為數(shù)千米每秒，一般檢測的缺陷在試件內(nèi)部深度為幾毫米以內(nèi)，因此從超聲激勵時刻，幾乎同時可傳播到缺陷位置[3-4]。在超聲波作用下，試件內(nèi)部缺陷由于塑性變形、摩擦、粘彈性效應(yīng)等產(chǎn)生熱量，以熱源的形式表現(xiàn)出來，在超聲持續(xù)激勵下，缺陷內(nèi)部形成的熱源持續(xù)發(fā)熱，正常區(qū)域（無缺陷區(qū)域）基本不發(fā)熱，使得缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域形成明顯的“亮暗”對比[5]，這種明顯的對比效果非常有利于紅外熱像儀的捕捉。超聲激勵與光激勵（如閃光燈、鹵素?zé)?、激光、LED等）不同，光激勵時試件表面都被熱激勵源激勵，試件表面吸收激勵能量后，熱波（變化的溫度場）通過熱傳導(dǎo)方式傳播到內(nèi)部，遇到缺陷時，熱波再反射回試件表面，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測困難；超聲激勵在缺陷位置直接生熱，熱波僅從缺陷位置傳播到試件表面，熱波傳播的距離縮短一半，屬于局部加熱方式，僅缺陷區(qū)域加熱，非缺陷區(qū)域溫度基本不變，超聲激勵不限于試件結(jié)構(gòu)，特別適用于金屬材料表面近表面裂紋缺陷、復(fù)合材料分層或者脫粘缺陷檢測[6]。

1 超聲激勵系統(tǒng)裝置

超聲紅外熱成像系統(tǒng)一般包括超聲激勵源、紅外圖像采集系統(tǒng)、紅外圖像處理系統(tǒng)；超聲激勵源包括超聲電源、超聲換能器、超聲槍，紅外采集系統(tǒng)主要使用紅外熱像儀采集紅外圖像，超聲紅外熱成像系統(tǒng)原理如圖1所示。紅外圖像采集和超聲激勵之間需要同步，當(dāng)超聲槍頭能量注入到試件表面時，紅外熱像儀開始采集圖像，采集紅外圖像包括缺陷升溫過程和降溫過程[7-8]。

圖1 超聲紅外熱成像技術(shù)原理

超聲紅外熱成像檢測技術(shù)最早由美國弗吉尼亞大學(xué)于1979年開始研究[9]，2000年，美國韋恩州立大學(xué)的Lawrence Dale Favro等人首先使用超聲波焊接發(fā)生器作為超聲激發(fā)源進(jìn)行金屬疲勞裂紋檢測[10]。2003年，南京大學(xué)張淑儀等采用超聲紅外熱成像技術(shù)對鋁合金板疲勞裂紋進(jìn)行了檢測研究[11-12]。近年來，國內(nèi)有很多團(tuán)隊(duì)對超聲紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行研究，研究重點(diǎn)包括理論仿真、金屬裂紋檢測、疲勞裂紋檢測、航空發(fā)動機(jī)葉片裂紋檢測、復(fù)合材料沖擊損傷。北京航空航天大學(xué)研究人員主要研究復(fù)合材料脫粘/沖擊缺陷[13-14]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員主要研究金屬表面裂紋以及超聲鎖相紅外熱成像技術(shù)[15-16]；陸軍裝甲兵學(xué)院研究人員主要研究仿真、超聲激勵參數(shù)（預(yù)緊力，夾具，激勵方式，激勵位置）對檢測結(jié)果的影響，并將該技術(shù)引入到裝甲設(shè)備缺陷檢測[17-19]；湖南大學(xué)研究人員主要對復(fù)合材料平底孔缺陷以及沖擊損傷缺陷進(jìn)行研究[20-21]；火箭軍工程大學(xué)主要研究合金鋼裂紋缺陷、復(fù)雜型面裂紋缺陷、復(fù)合材料沖擊損傷[22-23]；福州大學(xué)研究人員主要研究超聲激勵參數(shù)（不同方向、頻率、幅值）對金屬焊縫裂紋缺陷的影響[24]；西南交通大學(xué)研究人員主要研究超聲激勵對混凝土板裂紋的檢測[25]；南京水利科學(xué)研究院研究人員主要研究激發(fā)頻率、功率、預(yù)緊力、聲波吸收能力對混凝土裂紋檢測的影響[26-27]；中國南方航空工業(yè)有限公司和南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司研究人員主要研究航空發(fā)動機(jī)噴涂前和噴涂后葉片裂紋檢測[28-30]；武漢理工大學(xué)研究人員主要研究復(fù)合材料的螺栓連接件裂紋缺陷和分層缺陷的檢測[31]。超聲紅外熱成像系統(tǒng)的核心是預(yù)緊力單元和夾具單元，預(yù)緊力單元一般靠機(jī)械彈簧或者氣動系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)緊力；夾具單元需要根據(jù)檢測試件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，夾具單元采用醫(yī)用膠帶或者剛性耦合方式把超聲耦合進(jìn)試件中，從而會使得各研究機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)裝置有所差異，圖2展示了部分研究機(jī)構(gòu)的超聲紅外熱成像系統(tǒng)裝置。

2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 仿真研究

金國鋒[32]對不同曲率復(fù)合材料裂紋缺陷進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明構(gòu)件曲率越大，溫升階段斜率越大，缺陷信號越容易被激化。田干等[33]用數(shù)值仿真方式研究了多模式超聲激勵形態(tài)，仿真結(jié)果表明多模式激勵方法對于消除駐波非常有效，同時產(chǎn)生更為豐富的次諧波和高次諧波，可有效提高超聲激勵紅外熱成像技術(shù)的檢測能力。徐歡等[34]采用ANSYS和ABAOUS仿真軟件對裂紋進(jìn)行三維仿真，結(jié)合模態(tài)和諧響應(yīng)分析手段，可以獲取裂紋試件固有頻率，對超聲激勵頻率和裂紋生熱提供了相關(guān)理論依據(jù)。郭怡等[35]對寬度為10mm鈦合金裂紋進(jìn)行了檢測，并采用ANSYS模擬數(shù)值分析，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。蔣雅君[36]采用ANSYS對混凝土板裂紋進(jìn)行仿真，為混凝土裂紋檢測提供了理論依據(jù)。

2.2 復(fù)合材料損傷

復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、耐腐蝕、耐老化、耐熱性的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、新能源、建筑、汽車、體育等領(lǐng)域。復(fù)合材料在低速沖擊下，承載能力弱、抗沖擊性能差，容易出現(xiàn)基體開裂、分層、斷裂等。J. Rantala、G. Busse等[37]最早采用超聲紅外熱成像技術(shù)檢測復(fù)合材料內(nèi)部缺陷。田干等[38]采用超聲紅外熱成像技術(shù)對航空復(fù)合材料進(jìn)行數(shù)值仿真研究，建立含裂紋缺陷復(fù)合材料的有限元模型。金國鋒、張煒等[39-40]通過數(shù)值計算和試驗(yàn)研究了超聲紅外熱成像技術(shù)對復(fù)合材料沖擊損傷檢測的適用性；吳昊等[41]對復(fù)合材料螺栓連接件損傷檢測，分析了螺栓預(yù)緊力對螺栓孔損傷生熱特性的影響。李胤等[42]研究了復(fù)合材料在不同沖擊能量（24J和29J）的沖擊損傷情況，檢測結(jié)果與C掃進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲紅外熱成像技術(shù)具有檢測速度快、檢測精度高、結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)。楊正偉等[43]研究復(fù)合材料在不同沖擊能量（15J和30J）沖擊下，復(fù)合材料分層損傷情況，檢測結(jié)果與超聲C掃進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲C掃損傷檢測誤差在30%，超聲紅外熱成像損傷檢測誤差在5%。圖3為作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)在不同低速沖擊能量（10～50J）下，復(fù)合材料沖擊損傷檢測圖像，從圖中可以看出沖擊能量越大，損傷區(qū)域面積越大，且對于編織型復(fù)合材料，損傷裂紋具有延展性。

2.3 疲勞裂紋

閔慶旭等[44]驗(yàn)證了超聲紅外熱成像技術(shù)可用于金屬疲勞裂紋的檢測；高治峰等[45]對航空航天7075鋁合金疲勞裂紋進(jìn)行檢測，模擬和試驗(yàn)研究了激勵參數(shù)和生熱關(guān)系，并研究了檢測參數(shù)對檢測效果的影響；激勵源距離裂紋15mm時，檢測效果最佳，側(cè)面激勵和正面激勵都可以檢測出7075鋁合金疲勞裂紋，但側(cè)面激勵效果好于正面激勵。郭偉等[46]對噴涂層下基體疲勞裂紋進(jìn)行檢測研究，涂層厚度為300～400mm，該方式可用于拉-拉疲勞載荷的二次拉伸制備的疲勞裂紋。韓夢等[47]模擬裂紋開口寬度（5～30mm）對激勵后最高溫度影響，開口寬度增加導(dǎo)致裂紋面接觸降低和摩擦作用的減弱，導(dǎo)致開口寬度越大，最高溫度反而越低，最后通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示制作的寬度為20mm疲勞裂紋以及檢測結(jié)果。

2.4 金屬構(gòu)件裂紋

金屬構(gòu)件，特別是異形結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)件，其內(nèi)部或者表面裂紋缺陷采用光激勵紅外熱成像技術(shù)檢測都難以實(shí)現(xiàn)檢測。Guo等[48]檢測重型鋁制飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對閉合裂紋的探測效果良好。李贊[49]等對金屬構(gòu)件裂紋發(fā)熱情況開展研究，研究表明當(dāng)激勵于最佳位置時，裂紋發(fā)熱最高。江濤[50]等對汽車輪轂裂紋進(jìn)行了檢測，同時采用磁粉檢測技術(shù)進(jìn)行對比研究，對比研究發(fā)現(xiàn)超聲紅外熱成像技術(shù)可以更好檢測出輪轂內(nèi)部裂紋以及看出裂紋延伸方向。敬甫盛等[51]對35kg重量的鐵路機(jī)車鉤舌進(jìn)行裂紋檢測，檢測出中部L型裂紋和角端裂紋。馮輔周[52]等對裝甲車底板裂紋展開研究，表明該技術(shù)能夠在3.5s內(nèi)實(shí)現(xiàn)對裝甲車底板裂紋快速檢測。作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)對8kg鍛鋼塊進(jìn)行裂紋檢測，裂紋位于試件端面，如圖5所示，圖5(a)為試件整體外觀，圖5(b)為試件端面圖像，可以看出有一條無分叉的裂紋；檢測結(jié)果如圖6所示，展示了激勵前后檢測到圖像的變化，對比激勵前后圖像可知，有一條裂紋信息，并且裂紋分叉了，存在一條隱裂紋，圖6(c)中圈出部分，表明該技術(shù)可以探測到人眼看不見的裂紋信息。

圖4 金屬疲勞裂紋檢測[47]

圖5 鍛鋼塊試件

2.5 航空發(fā)動機(jī)葉片裂紋

航空發(fā)動機(jī)葉片在交變拉應(yīng)力、熱腐蝕、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、高速沖擊等復(fù)雜載荷的作用下，葉片容易生成裂紋。服役過程中，葉片裂紋在大應(yīng)力作用下，小裂紋會擴(kuò)展為大裂紋從而危害飛行安全。航空發(fā)動機(jī)葉片復(fù)雜，傳統(tǒng)無損檢測在復(fù)雜葉片時有各自的局限。借助超聲紅外熱成像對試件形狀不敏感的特點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者廣泛開展了研究工作。Bolu[53]等采用超聲紅外熱成像技術(shù)對60個渦輪葉片進(jìn)行檢測，評估該技術(shù)對葉片裂紋檢測的可靠性?？芄饨躘54]等采用ANSYS仿真模擬了合金鋼葉片裂紋生熱過程，采用激光切割預(yù)制裂紋進(jìn)行檢測，并分析了預(yù)緊力對檢測效果的影響。蘇清風(fēng)[55]對導(dǎo)向葉片和工作葉片服役過程中產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行檢測，并測試預(yù)緊力對檢測結(jié)果的影響。習(xí)小文[28]等對航空發(fā)動機(jī)工作葉片進(jìn)行研究，同時采用滲透檢測進(jìn)行比對，試驗(yàn)結(jié)果表明超聲激勵紅外熱成像可以檢測出裂紋寬度為0.5mm的裂紋信息，滲透檢測無法檢出，表明該技術(shù)對微小裂紋檢測有優(yōu)勢。袁雅妮等[29]針對2塊無涂覆層和3塊帶涂覆層空腔葉片進(jìn)行檢測，并用熒光檢測進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熒光檢測對于涂覆層空腔葉片容易出現(xiàn)漏檢，表明超聲紅外熱成像技術(shù)對受到葉片結(jié)構(gòu)及涂覆層影響更小，能夠檢測含涂覆層空腔葉片裂紋。圖7為作者采用超聲紅外熱成像系統(tǒng)對航空發(fā)動機(jī)工作葉片進(jìn)行檢測，同時采用滲透檢測進(jìn)行對比，圖7(a)為工作葉片光學(xué)圖像，圖7(c)為超聲紅外熱成像檢測結(jié)果，可以看到葉片中部有一個裂紋，圖7(b)為滲透檢測結(jié)果，除了葉片中部裂紋，在葉片四周由于清洗滲透劑不干凈，導(dǎo)致葉片邊緣也會出現(xiàn)零星亮點(diǎn)區(qū)域。

圖7 工作葉片裂紋檢測

2.6 混凝土零件裂紋

混凝土結(jié)構(gòu)常見的缺陷是混凝土裂紋，裂紋嚴(yán)重削弱了混凝土結(jié)構(gòu)的承載水平，加速了結(jié)構(gòu)的老化程度，并嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。裂紋很難避免。一般來說，這項(xiàng)工作的主要目的是檢測和處理裂紋。謝春霞等[56]基于紅外熱像檢測方法推導(dǎo)出了混凝土缺陷深度的定量計算公式；胡振華等[57]以混凝土結(jié)構(gòu)缺陷為檢測目標(biāo)，采用超聲紅外熱成像檢測技術(shù)對其進(jìn)行了檢測分析，證明了超聲紅外熱成像缺陷檢測技術(shù)對混凝土試件中肉眼不能發(fā)現(xiàn)的微小裂紋或隱裂紋的檢測能力。Jia Yu等[26]使用振動熱成像技術(shù)檢測混凝土零件中的裂縫，開發(fā)了聲激勵設(shè)備（聲波和超聲以及低功率和高功率激發(fā)設(shè)備），并研究了激發(fā)頻率，功率和預(yù)緊力對聲吸收能力的影響。Jia Yu等[27]預(yù)制了充滿標(biāo)準(zhǔn)微裂紋的預(yù)裂混凝土標(biāo)本，以量化裂紋的可檢測性，結(jié)果表明，超聲激發(fā)熱成像可以有效地檢測出寬度為0.01～0.09mm的混凝土裂縫。任榮[58]采用ANSYS仿真研究V形裂縫混凝土板裂紋生熱機(jī)理，并對激勵位置、激勵時間、激勵頻率等影響因素進(jìn)行了模擬分析，圖8所示為混凝土裂紋檢測圖像，圈出部分為裂紋區(qū)域。

圖8 混凝土裂紋檢測[58]

3 發(fā)展趨勢

超聲紅外熱成像技術(shù)在金屬材料中可識別0.5mm寬度的裂紋，在復(fù)合材料中可識別1.0mm的裂紋，在混凝土材料中可識別10mm量級的裂紋[59]。超聲紅外熱成像技術(shù)具有選擇性加熱的特點(diǎn)，僅對裂紋區(qū)域加熱，正常區(qū)域不加熱，可檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)試件，非常適合于金屬裂紋、混凝土裂紋、航空航天葉片裂紋、復(fù)合材料損傷等材料的檢測。超聲激勵方式與光激勵方式不同，光激勵方式系統(tǒng)比較統(tǒng)一；超聲激勵方式由于試件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時需要夾具固定試件并對激勵頭施加預(yù)緊力，例如金屬疲勞裂紋夾具、航空發(fā)動機(jī)工作葉片夾具、航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片夾具都不同，需要根據(jù)試件制作各自合適的夾具，系統(tǒng)比較復(fù)雜與多樣，但如果針對同一類型的試件，可以制作統(tǒng)一的夾具、形成標(biāo)準(zhǔn)化的檢測流程，因此超聲紅外熱成像技術(shù)具有廣闊發(fā)展前景，未來的研究重點(diǎn)包括以下3個方向：

1）激勵裝置的優(yōu)化。激勵裝置需要具備夾具單元和預(yù)緊力單元，夾具單元需要根據(jù)檢測試件單獨(dú)設(shè)計，預(yù)緊力單元有機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動結(jié)構(gòu)。機(jī)械結(jié)構(gòu)體積小、設(shè)計簡單，但施加/釋放預(yù)緊力需要手動旋轉(zhuǎn)手柄；氣動結(jié)構(gòu)體積大、設(shè)計復(fù)雜，但可設(shè)計為自動施加預(yù)緊力和釋放預(yù)緊力，從而可以實(shí)現(xiàn)集超聲激勵、自動裝配、紅外圖像采集、紅外圖像處理一體化集成的超聲紅外熱成像系統(tǒng)，以便適用于工業(yè)領(lǐng)域裂紋檢測。

2）檢測標(biāo)準(zhǔn)化。超聲激勵與光激勵具有很大不同，超聲激勵與檢測人員經(jīng)驗(yàn)有關(guān)，超聲激勵位置、超聲激勵時間、超聲耦合效率都會影響檢測結(jié)果。因此針對該技術(shù)形成統(tǒng)一檢測規(guī)范和技術(shù)，可以加速該技術(shù)工程實(shí)踐應(yīng)用。

3）缺陷檢測自動化識別。超聲紅外熱成像需要采集數(shù)百幀序列圖像，從采集數(shù)百幀序列圖像中識別出缺陷信息，相比于自動視覺檢測，該方式需要人工判斷、準(zhǔn)確度依賴于檢測人員主動判斷，容易導(dǎo)致缺陷識別出現(xiàn)誤檢、漏檢等情況。隨著人工智能深度學(xué)習(xí)的興起，深度學(xué)習(xí)模型具有圖像特征信息感知能力，在大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，更容易實(shí)現(xiàn)缺陷的自動檢測。

4 結(jié)語與展望

超聲紅外熱成像技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在生熱特性、仿真研究、缺陷可檢測性和檢測材料應(yīng)用領(lǐng)域取得了突出進(jìn)展，但是在工業(yè)應(yīng)用方面落后于光激勵紅外熱成像技術(shù)；閃光燈紅外熱成像技術(shù)已形成國家標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在飛機(jī)復(fù)合材料膠接質(zhì)量、航天飛機(jī)耐熱保護(hù)層脫粘檢測、熱障涂層缺陷檢測等，并且有成熟的工業(yè)檢測設(shè)備。目前超聲紅外熱成像技術(shù)還基本處于實(shí)驗(yàn)室階段，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)特別是航空航天對裂紋檢測需求的提高，超聲紅外熱成像技術(shù)也會從實(shí)驗(yàn)室逐步進(jìn)入到工業(yè)、航天航天應(yīng)用領(lǐng)域。

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Research Status and Development of Ultrasonic Infrared Thermography in China

JIANG Haijun1，SHENG Tao2，ZHENG Jinhua2，XIANG Ping2

(1. Novelteq Co., Ltd., Nanjing 210014, China;2. Shanghai Composite Material Science＆Technology Co., Ltd., Shanghai 201112, China)

Ultrasonic infrared thermography is a nondestructive testing method with significant research value and has the advantages of selective heating and detection of complex workpiece cracks. We introduce the principles and system composition of ultrasonic infrared thermography technology, and its development history and current situation in China is reviewed and summarized. The status of simulation research, composite material damage, fatigue crack, metal component crack, and concrete parts crack in application fields is discussed in detail. Finally, future development trends in ultrasonic infrared thermography technology are discussed.

ultrasonic excitation, nondestructive testing, crack, ultrasonic infrared thermography

TH878

A

1001-8891(2023)10-1020-09

2022-12-27；

2023-02-22.

江海軍（1988-），男，碩士，研究方向?yàn)榧t外無損檢測技術(shù)及圖像處理。E-mail: hjiang@novelteq.com。