線激光掃描熱成像無損檢測參數(shù)仿真

王祿祥，張志杰，陳昊澤，譚 丹

線激光掃描熱成像無損檢測參數(shù)仿真

王祿祥，張志杰，陳昊澤，譚 丹

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 038507）

線激光掃描熱成像無損檢測技術(shù)使用線形激光作為熱激勵源，采取掃描加熱方式，在碳纖維復(fù)合材料無損檢測方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。在分析線激光掃描紅外熱成像檢測原理以及復(fù)合材料特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了掃描方向、掃描速度、激光功率等3個可能影響檢測效果的參數(shù)。建立線激光掃描檢測復(fù)合材料的仿真模型，選取缺陷表面中心點(diǎn)和無缺陷處表面溫度的最大溫差作為檢測效果的特征量，分析了上述參數(shù)對檢測效果的影響，并對激光功率、掃描速度與檢測效果之間關(guān)系進(jìn)行了擬合，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)時兼顧檢測效率和檢測效果的參數(shù)選取原則。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；線激光掃描熱成像；無損檢測；仿真研究；參數(shù)分析

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer, CFRP）作為熱固性樹脂基復(fù)材的代表，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良性能[1]。因此被廣泛用于火箭殼體，飛機(jī)的主翼、機(jī)體、發(fā)動機(jī)艙、整流罩等關(guān)鍵部件的輕量化設(shè)計(jì)[2]，以提高火箭運(yùn)載能力、降低飛機(jī)運(yùn)營成本。而且其在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)之一[3]。然而CFRP產(chǎn)品質(zhì)量受制造工藝影響大，容易產(chǎn)生空洞和富膠缺陷；此外，使用過程中的老化、腐蝕和機(jī)械損傷等也會造成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受損，產(chǎn)生脫粘。這些缺陷會極大降低材料強(qiáng)度和使用壽命，造成巨大安全隱患。因此，缺陷無損檢測這一至關(guān)重要的環(huán)節(jié)要融入復(fù)合材料從生產(chǎn)到使用的全過程。

紅外熱成像法具有檢測面積大、無需耦合等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料缺陷無損檢測領(lǐng)域具有獨(dú)到優(yōu)勢。線激光掃描熱成像無損檢測利用線形激光作為熱激勵源，采取掃描加熱方式，單位時間內(nèi)檢測面積更大。相比于超聲檢測[4]、渦流檢測[5]和微波檢測[6]等無損檢測方法具有更高的檢測效率和更廣泛的適用范圍。尤其適用于大尺寸、遠(yuǎn)距離的碳纖維復(fù)合材料無損檢測場景。Masashi等人研究了激光掃描裝置的檢測性能，在距熱源10m處的CFRP試樣中成功檢測到缺陷[7]。Fariba等人將紅外熱像儀和加熱源一起固定在機(jī)械臂上實(shí)現(xiàn)了自動化掃描加熱檢測，結(jié)合熱信號重建（thermal signal reconstruction, TSR）和主成分分析（principal component analysis, PCA）等算法提升了缺陷檢測能力，最深可以檢測到距CFRP樣品表面2.1mm深的缺陷[8]。Divyashree介紹了基于3D激光掃描的復(fù)合材料夾雜物檢測方法，提出了一種基于曲率估計(jì)確定夾雜物所引起的材料厚度變化的方法[9]。江海軍等學(xué)者驗(yàn)證了激光掃描紅外熱波成像系統(tǒng)理論模型，并闡述了該方法在復(fù)合材料、蜂窩結(jié)構(gòu)以及涂層厚度檢測方面的應(yīng)用[10]。汪權(quán)等人的研究證明線激光熱成像對各種尺寸、深度和不同方向拉伸斷裂缺陷具有敏感性，提出紅外熱譜圖和溫度曲線相結(jié)合來判斷缺陷的分析方法[11]。湖南大學(xué)何志藝詳細(xì)介紹了聯(lián)動掃描熱成像檢測機(jī)理，在一維熱傳導(dǎo)模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出線激光掃描激勵的近似模型[12]。以上各項(xiàng)研究將研究重點(diǎn)放在了激光掃描加熱理論模型的推導(dǎo)，以及利用不同算法提升激光掃描熱成像檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性等方面。對于激光掃描檢測系統(tǒng)中激光功率、掃描速度等參數(shù)對檢測效果的影響未進(jìn)行深入分析。如何設(shè)置合適的參數(shù)提升系統(tǒng)檢測效率和檢測準(zhǔn)確性尚需要進(jìn)一步研究。

本文分析了線激光掃描紅外熱成像無損檢測的原理，利用有限元仿真模型探討了CFRP檢測過程中掃描方向、掃描速度、激光功率等參數(shù)對檢測效果的影響；對激光功率、掃描速度與檢測效果之間關(guān)系進(jìn)行了擬合，總結(jié)了實(shí)驗(yàn)時兼顧檢測效率和檢測效果的參數(shù)選取原則。

1 線激光掃描熱成像原理

線激光掃描熱成像無損檢測方法利用激光作為激勵熱源，通過試樣與熱源間的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)掃描加熱。在加熱過程中，試樣內(nèi)部存在的缺陷會破壞正常的熱量傳遞過程，造成試樣表面溫度場不均勻分布。使用紅外熱像儀對表面溫度場進(jìn)行成像，再結(jié)合一定的數(shù)據(jù)和圖像分析方法就可檢測出缺陷。圖1為線激光掃描檢測原理示意圖。

如圖1所示，試件長度設(shè)為，為缺陷埋藏深度，線激光按照恒定的相對速度對試件掃描加熱，光斑寬度為，激光的能量密度分布近似于高斯分布。加熱過程中，試件受到的激勵能量與加熱時刻和激光中心在軸的位置有關(guān)，具體遵循以下公式[13]：

式中：(,)表示時刻試件處接受的能量；lc表示激光中心的能量。對于試件上的任意一點(diǎn)，假設(shè)其坐標(biāo)為，它將在＝/時刻被加熱。

圖1 線激光掃描檢測原理

Fig.1 Diagram of line laser scanning detection

檢測過程中外部環(huán)境保持穩(wěn)定，且固體和空氣間的換熱系數(shù)極低；假設(shè)試樣處于絕熱環(huán)境，則線激光掃描加熱過程中的熱量傳遞以材料內(nèi)部熱傳導(dǎo)為主。任一材料內(nèi)部的熱傳導(dǎo)可以用熱擴(kuò)散方程來描述：

式中：是溫度增量；＝1/(cp)代表材料熱擴(kuò)散率；k、k、k分別為材料在、、方向的熱導(dǎo)率；p為材料比熱容；是材料密度；是材料內(nèi)部熱源，本分析中材料內(nèi)部不存在熱源，故＝0。由于熱傳導(dǎo)過程中熱波衰減速度很快，所以可將所分析的板狀復(fù)合材料無缺陷處視為半無限大介質(zhì)，忽略方向上的熱量傳遞，則時刻材料近表面溫度場分布為[14]：

將式(1)代入式(3)得到坐標(biāo)為的某點(diǎn)在時間和運(yùn)動方向上累積的物體溫度場：

2 掃描參數(shù)仿真研究

根據(jù)上述原理分析，試件上某點(diǎn)的溫度場分布與激光能量和掃描速度有關(guān)。因?yàn)闇囟葓龅牟痪鶆蚍植际桥袛嗳毕菔欠翊嬖诘年P(guān)鍵特征，所以可以認(rèn)為缺陷檢測效果與激光功率和掃描速度存在相關(guān)關(guān)系。此外，碳纖維復(fù)合材料使用碳纖維做增強(qiáng)材料，而且為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度往往將不同層的碳纖維分別按照一定的角度進(jìn)行鋪設(shè)。因?yàn)樘祭w維沿徑向和軸向的熱導(dǎo)率存在較大差異，所以掃描加熱的運(yùn)動方向與碳纖維鋪設(shè)方向的相對關(guān)系也可能會對檢測效果產(chǎn)生影響。利用仿真可深入探究上述因素對檢測效果的影響。

2.1 CFRP建模和仿真驗(yàn)證

與勻質(zhì)金屬材料呈現(xiàn)各向同性不同，碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維增強(qiáng)材料和環(huán)氧樹脂基體復(fù)合而成，呈現(xiàn)各向異性。其層合結(jié)構(gòu)和復(fù)雜多變的纖維鋪設(shè)方式都給碳纖維的準(zhǔn)確建模帶來挑戰(zhàn)。為降低建模難度，選取只有0°～180°單向鋪層的T800型碳纖維層合板作為參考，并將其多層結(jié)構(gòu)近似為、、方向分別具有不同的連續(xù)熱導(dǎo)率的整體來建模。其中方向與碳纖維鋪層方向平行，所以將該方向熱導(dǎo)率設(shè)為纖維徑向熱導(dǎo)率即k＝4.2W/(m×K)，、方向熱導(dǎo)率設(shè)為纖維軸向熱導(dǎo)率k＝k＝0.56W/(m×K)。在紅外熱成像無損檢測研究中，常用人造的圓形平底孔模擬碳纖維復(fù)合材料板脫粘缺陷[15]，仿真按照這一原則構(gòu)造圓形平底孔并在孔內(nèi)填充空氣來模擬實(shí)際缺陷情況。模型的材料參數(shù)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

如圖2(a)所示在Comsol 5.4多物理場仿真軟件中建立CFRP仿真模型，模型尺寸為100mm×80mm×6mm；如圖3所示缺陷為直徑＝10mm的圓形平底孔，缺陷上邊緣到模型上表面的距離為1mm；模型整體采用自由四面體網(wǎng)格劃分方法，并在缺陷處加密網(wǎng)格，在保證準(zhǔn)確性的同時兼顧計(jì)算效率，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 Comsol仿真建模和網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3 缺陷示意圖

激光掃描熱成像無損檢測是利用激光作為熱激勵源，掃描加熱被測物體，根據(jù)物體表面的溫度場分布異常來判斷是否存在缺陷。所以缺陷區(qū)域和無缺陷區(qū)域的表面溫度差異可作為衡量系統(tǒng)檢測能力的一項(xiàng)指標(biāo)，溫度差異越大，熱像儀成像效果越好，缺陷檢測也就越容易。在仿真過程中選取坐標(biāo)為(50,40,0)的缺陷表面中心處溫度0與距離缺陷表面中心10mm坐標(biāo)為(50,50,0)的無缺陷處的溫度r的差值D作為評價檢測效果的參數(shù)，利用控制變量法研究在不同的掃描參數(shù)下0和D的變化規(guī)律，并分別擬合出掃描速度和激光功率兩個檢測參數(shù)和D的關(guān)系曲線。

圖4(a)～(j)為線激光掃描加熱仿真結(jié)果圖，顯示了掃描加熱和冷卻過程的模型表面溫度場變化。此時仿真參數(shù)為：環(huán)境溫度25℃，激光功率20W，掃描速度5mm/s。＝0s時，線激光位于初始位置，開始進(jìn)行掃描加熱；在＝8s時激光中心到達(dá)缺陷中心，這一時間段內(nèi)表面溫差很小，不能直接觀測到缺陷。＝8.5s時可觀測到缺陷邊緣，之后隨著熱源移動缺陷全部顯現(xiàn)。16s之后，熱源停止加熱，檢測過程進(jìn)入降溫階段，可以看到熱量逐漸擴(kuò)散，缺陷與無缺陷區(qū)域溫差變小，兩區(qū)域融合到一起，難以觀測到缺陷。仿真結(jié)果時序圖說明線激光掃描熱成像方式可以檢測出缺陷，而且在激光激勵缺陷后的一小段時間內(nèi)檢測效果最好。此外，降溫階段熱量分布趨于橢圓，也反映了CFRP在不同方向上導(dǎo)熱性的差異。

2.2 掃描方向?qū)z測效果的影響

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中碳纖維具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能而環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱性較差，所以復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能主要取決于碳纖維。由于碳纖維徑向熱導(dǎo)率大于軸向熱導(dǎo)率，所以在使用線激光掃描熱成像方法檢測時，激光掃描方向與碳纖維鋪層方向間的相對位置關(guān)系大概率會影響材料表面的溫度分布。所建模型參考了只有0°～180°單向鋪層的T800型碳纖維層合板，纖維鋪層方向與軸平行，所以方向上的熱導(dǎo)率大于、方向。設(shè)定兩種較為極端的情況即激光按照與纖維鋪層方向平行（0°）和垂直（90°）進(jìn)行掃描加熱。根據(jù)缺陷中心點(diǎn)表面溫度0和溫差D隨時間變化的仿真結(jié)果來對驗(yàn)證掃描方向?qū)z測效果的影響。設(shè)定仿真參數(shù)：環(huán)境溫度25℃，兩種情況下激光初始加熱位置坐標(biāo)分別為(10,40,0)和(50,80,0)，均距缺陷表面中心40mm；掃描速度5mm/s，缺陷直徑＝10mm，＝1mm，激光功率20W，圖5、6分別表示在不同掃描方向下，缺陷中心點(diǎn)表面溫度0和溫差D隨時間變化的仿真結(jié)果。

從圖5中可以看出，在不同掃描方向下，缺陷表面中心溫度隨時間的變化趨勢基本一致。但是0°方向比90°方向的溫升時刻要早，且最大溫度更高。原因可能是碳纖維徑向熱導(dǎo)率大于軸向熱導(dǎo)率，所以0°掃描方向與90°掃描方向相比，熱量傳播速度更快且損耗更小。根據(jù)圖6可以發(fā)現(xiàn)二者溫差最大值接近，但除最大值外，0°掃描方向的溫差均大于90°掃描方向的溫差，顯然溫度差異越大越便于檢測出缺陷。所以為取得更好的檢測效果，線激光掃描加熱方向應(yīng)與纖維鋪層方向平行。

圖5 不同掃描方向缺陷表面溫度曲線

圖6 不同掃描方向下缺陷表面溫差

2.3 激光功率對檢測效果的影響

紅外熱成像檢測中，如果激勵源功率過小，則熱波在材料內(nèi)部傳導(dǎo)過程中可能衰減至0，表面溫度場顯示不出有無缺陷的差異，而功率過大則可能損傷被測試件。探究激光功率與檢測效果間的規(guī)律有助于選擇合適的功率參數(shù)。設(shè)定仿真參數(shù)：激光初始加熱位置坐標(biāo)為(10,40,0)，掃描方向與纖維鋪層方向一致，缺陷直徑＝10mm，＝1mm；掃描速度5mm/s，激光功率分別為10W、14W、20W、24W、30W，圖7、8分別表示在不同的激光功率條件下，缺陷中心點(diǎn)表面溫度0和溫差D隨時間變化的仿真結(jié)果。

從圖7中可以看出，在不同功率下0～6s內(nèi)缺陷表面中心溫度與環(huán)境溫度一致，6s之后溫度開始上升。已知初始時刻激光熱源與缺陷表面中心點(diǎn)距離為40mm，按照5mm/s的掃描速度則在8s時缺陷處才應(yīng)該受熱升溫。這種溫升時刻提前的現(xiàn)象說明在激光掃描方向上也存在熱傳導(dǎo)過程。

此外，圖7、8還說明激光功率越大，缺陷表面中心處的溫度也越高，缺陷處和無缺陷處溫差也越大，功率由小到大對應(yīng)的最大溫差也是由小到大，分別為6.921℃、9.916℃、14.652℃、18.521℃、23.139℃。所以可認(rèn)為線激光掃描功率越大，越容易檢測出缺陷。在保證實(shí)驗(yàn)人員和設(shè)備安全以及不損傷被測物體的情況下，可盡量提高掃描功率來增強(qiáng)檢測效果。

圖8 不同激光功率下缺陷表面溫差

為進(jìn)一步研究激光功率與檢測效果之間的關(guān)系，選取5組激光功率和各功率下對應(yīng)的最大溫差Dmax，同時為消除量綱影響以及減小擬合誤差，對各組數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。其原始值和歸一化數(shù)據(jù)如表2。對表2中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示，激光掃描功率和最大溫差呈線性關(guān)系，其擬合關(guān)系式如式(5)：

表2 激光掃描功率和最大溫差數(shù)據(jù)

圖9 激光掃描功率與最大溫差擬合圖

Fig.9 Fitting curve of laser power and DTmax

2.4 激光掃描速度對檢測效果的影響

激光掃描速度是激光掃描熱成像檢測技術(shù)中的另一個關(guān)鍵參數(shù)。單位時間內(nèi)掃描速度越快，掃過的區(qū)域面積越大，檢測越快速。研究激光掃描速度與檢測效果之間的規(guī)律可以在保證檢測效果的前提下盡可能提升檢測效率。設(shè)定仿真參數(shù)：環(huán)境溫度、激光初始加熱位置、掃描方向、缺陷等相關(guān)參數(shù)與前文保持一致，激光功率設(shè)為20W，掃描速度分別為5mm/s、10mm/s、20mm/s、40mm/s、50mm/s，圖10、11分別表示在不同的激光掃描速度下，缺陷中心點(diǎn)表面溫度0和溫差D隨時間變化的仿真結(jié)果。

圖10、11顯示出這樣的規(guī)律：激光掃描速度越快，溫升開始時刻和缺陷表面最大溫度出現(xiàn)的時刻越早；比較從開始出現(xiàn)溫差到溫差達(dá)到最大，直至溫差變?yōu)?的整個過程的時間跨度，可以發(fā)現(xiàn)掃描速度越快，這一過程越短。所以提升激光掃描速度可以縮短缺陷檢測過程，提升檢測效率。但是，隨著激光掃描速度的提高，缺陷表面最大溫差分別為14.652℃、7.655℃、3.849℃、1.938℃、1.415℃，呈現(xiàn)下降趨勢；這是因?yàn)閽呙杷俣仍娇?，加熱時間就越短，材料吸收的熱量就越少。因此，過高的掃描速度會降低缺陷檢測效果，提升檢測效率必須要在保證檢測效果的前提下進(jìn)行。為準(zhǔn)確分析激光掃描速度與檢測效果之間的關(guān)系，選取5組激光速度和各速度下對應(yīng)的最大溫差Dmax，并做歸一化處理。其原始值和歸一化數(shù)據(jù)如表3。圖12為數(shù)據(jù)擬合圖。

從二者的擬合關(guān)系曲線可以看出掃描速度和最大溫差呈指數(shù)關(guān)系，具體表達(dá)式為：

圖10 不同激光掃描速度下缺陷表面溫度曲線

Fig.10 Defect surface temperature curves at different laser scanning speeds

圖11 不同激光掃描速度下缺陷表面溫差

表3 激光掃描速度和最大溫差數(shù)據(jù)

比較速度由10mm/s增加到20mm/s和由40mm/s增加到50mm/s兩個階段可以發(fā)現(xiàn)：二者速度增量相同，但前者最大溫差下降了0.2598℃，后者僅為0.0357℃。即前期隨著速度增加，最大溫差迅速下降，后期下降趨勢變緩，提高速度造成的溫差下降較小。所以，在不影響檢測效果的前提下，可盡量提高掃描速度；在對檢測效果要求不太高的場景，可犧牲少量的檢測效果大幅提高掃描速度即缺陷檢測效率。

3 結(jié)論

線激光掃描熱成像方法利用激光掃描加熱的方式對被測物體進(jìn)行熱激勵，相比于脈沖熱成像檢測、渦流檢測等，具有獨(dú)特優(yōu)勢。文中在分析線激光掃描熱成像檢測原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了掃描方向、激光功率、掃描速度等3個可能對檢測效果產(chǎn)生影響的參數(shù)。利用Comsol仿真軟件建立仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，并得出以下結(jié)論：

①根據(jù)仿真結(jié)果，線激光掃描紅外熱成像法可以有效檢測出CFRP脫粘缺陷，而且在激光激勵缺陷后逐漸遠(yuǎn)離的一小段時間內(nèi)缺陷最明顯。

②仿真證明，檢測系統(tǒng)中掃描方向、激光功率、掃描速度等3個參數(shù)確實(shí)對檢測效果存在影響。掃描方向與碳纖維鋪層方向相同、激光功率越大、掃描速度越慢，越能提升檢測效果。

③不能無限制增大激光功率，因?yàn)橐ＷC不能損傷被測物體；同樣不能通過無限制降低激光掃描速度來獲得更好的檢測效果，因?yàn)樗俣冗^慢會影響檢測效率?？傊?，參數(shù)選擇要結(jié)合實(shí)際情況具體分析，在保證安全且符合檢測效果要求的前提下才能增加掃描功率和掃描速度來增強(qiáng)檢測效果，提升檢測效率。

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Parameters Simulation in Line Laser Scanning Thermography Nondestructive Testing

WANG Luxiang，ZHANG Zhijie，CHEN Haoze，TAN Dan

(,,038507,)

Line laser scanning thermography is a nondestructive testing technology that uses a line laser as a thermal excitation source and adopts a scanning heating method. It has unique advantages in the nondestructive testing of carbon fiber composites. Here, three parameters that may affect the detection, namely, scanning direction, scanning speed, and laser power, were identified by analyzing the line laser scanning thermography technique and characteristics of composite materials. A simulation model for the detection of composite materials using line laser scanning was established, and the maximum temperature difference between the center point of the defect surface and surface temperature of the defect-free area was selected as the characteristic quantity for detection. The influence of the above parameters on detection was analyzed, and the relationship between the laser power, scanning speed, and detection was fitted. Based on this, the principle of parameter selection considering detection efficiency during the experiment is summarized.

carbon fiber reinforced polymer, line laser scanning thermography, nondestructive testing, simulation study, parameter analysis

TG115.28

A

1001-8891(2023)10-1038-07

2023-02-27；

2023-04-15.

王祿祥（1995-），男，河南上蔡人，碩士研究生，主要從事無損檢測、信號處理和圖像處理方面的研究。E-mail：wanglx16112@163.com。

張志杰（1965-），男，山西五臺人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事動態(tài)測試?yán)碚撆c信號處理、動態(tài)誤差及不確定度等方面的研究。E-mail：zhangzhijie@nuc.edu.cn。