中国工业检验检测网
第26卷第10期2004年10月
ｗｗｗ．ｉｎｄｕｓｔｒｙｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．ｃｏｍ
ＱＱ：５９６７０５３４９
Vol. 26 No. 10Oct . 2004
无损检测ND T
红外热波无损检测技术及其进展
王 迅, 金万平, 张存林1) , 沈京玲1) , 郭广平2) , 杨党纲2) , 吴东流3) , 李建伟3) , 郭兴旺4)
(北京维泰凯信新技术有限公司, 北京 100054)
摘 要:综述了红外热波无损检测技术的基本原理、技术特点, 给出了一些典型的应用试验结
果, 介绍了国内外相应研究的发展状况和进展。
关键词:红外热波; 无损检测; 热波检测 中图分类号:TG 115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004) 1020497205
ACTUAL IT Y &EV OL VEMENT OF INFRARED THERMAL WAVE
N ON DESTRUCTIVE IMAGING TECHN OLOG Y
WANG X un , JIN W an 2ping , ZHANG Cun 2lin 1) , SHEN Jing 2ling 1) , GU O G u ang 2ping 2) , YANG Dang 2gang 2) ,
WU Dong 2liu 3) , L I Jian 2w ei , GU O Xing 2w ang 4)
(Beijing Waiteksin Advanced Technology Co. , L TD , Beijing 100054, China )
Abstract:The principle and concept about thermal wave NDT technology was briefly introduced. Authors concentrate on discussing the technology πs applications and latest developments at home and abroad.
K eyw ords :Infrared ; Nondestructive testing ; Thermal wave imaging
红外热波无损检测技术(简称热波检测) 是一门跨学科的技术。它的研究和应用, 对提高航空航天器, 多种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。美国多家大公司(如GE 、GM 、波音、福特、洛克西德和西屋等) 及政府机构(如NASA 、FAA 、空军、海军) 等已经在广泛应用和推广该技术[1～4]。
2003年9月该项技术的应用研究也列入了我
国国家863高科技发展计划, 同时还获得了211工程重点学科建设经费等的支持。
1 热波检测原理
热波(Thermal Wave ) 理论及应用的研究重点是研究热源, 特别是变化性热源(如周期、脉冲、阶梯函数热源) 与媒介材料及其几何结构之间的相互作
收稿日期:2004207227
基金项目:国家863计划资助项目(2003AA333090)
1) 首都师范大学物理系, 北京 100037
2) 北京航空材料研究院无损检测室, 北京 100095
3) 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证委员会秘书处,
用。被加热后, 不同媒介材料表面及表面下的物理
结构特性和边界条件将影响热波的传输并将影响媒介表面的温场变化。通过控制热激励方法和测量材料表面的温场变化, 可以获取材料表面及其表面以下的结构信息, 从而达到检测的目的。
红外热波检测的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件, 设计不同热源(如高能闪光灯、超声波、电磁、热风等) 并用计算机控制进行脉冲式加热, 同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行数据采集, 采用专用软件进行实时图像信号处理(图1) 并显示检测结果。热波无损检测采用了主动式控制热激励的方法, 与传统的被动式红外热成像检测是有区别的。
不同被测物、检测环境和条件, 需要采用大功率闪光灯、超声波、激光、THz 波、热风、电磁感应、电流、机械振动等不同方式的热激励手段及相应的机械装置、控制装置及编制控制和图像数据处理软件。
2 主要应用和技术特点
2. 1 主要应用
北京 100028
4) 北京航空航天大学, 北京 100083
红外热波技术可应用于①检测航空/航天器铝
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美国、俄罗斯、法国、加拿大等国已把红外热波
检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国还把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测,Atlas 空间发射舱复合材料的脱粘检测,A3火箭无损检测[1]。美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持, 处在该领域研究的最前沿, 取得了很多实际的研究成果。在FAA1998,1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中, 此技术击败包括
图1 高能闪光灯热激励系统的热波检测原理示意图
X 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜
蒙皮加强筋开裂与锈蚀, 机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。②火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。③新材料(特别是新型复合结构材料) 的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用研究的整个过程中进行无损检测和评估; 加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。④多层结构和复合材料结构中, 脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。⑤各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。⑥各种粘接、焊接质量检测, 涂层检测, 各种镀膜、夹层的探伤。⑦测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。⑧表面下材料和结构特征识别与表征。⑨运转设备的在线、在役监测。2. 2 技术特点
热波检测具有如下特点, 即①适用面广, 可用于所有金属和非金属材料。②速度快, 每个测量只需几十秒钟。③观测面积大, 根据被测对象和光学系统, 一次测量可覆盖至平方米量级。对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。④直观, 测量结果用图像显示、直观易懂。⑤定量, 可以直接测量到缺陷深度、厚度, 并能作表面下的识别。⑥单向非接触, 加热和探测在被检试件同侧, 且通常情况下不污染也不需接触试件。⑦设备可移动、探头轻便, 十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。
出。并逐渐被NASA 、美国空军和海军、波音、洛克
希德, 各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。自20世纪90年代中期以来, 这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室, 用于研究解决各自独特的无损检测问题[2～5]。
据介绍, 中国目前从事与无损检测技术相关工作的人员约有25万人, 涉及无损检测技术应用、科研、教学与培训、经销、技术咨询、工程服务等的专业单位在5000个以上。截止2002年10月份, 中国无损检测器材设备的制造单位大约有400家, 分布在25个省、自治区和直辖市。据调研结果显示, 目前国内对此项技术的研究与应用与国外的差距甚大, 仅有一些技术介绍和综述文章, 以及初步试验。
必须指出, 由于被检物在材质、尺寸、制造工艺、形状等方面存在不同, 所含缺陷也千差万别, 因此没有一种无损检测的方法是万能的。通常选择使用的检测手段都是有针对性和个性化的。热波检测技术应被视为是对一些传统方法的补充、替代与进步, 也可与各种现有的成功检测办法互为验证和参考。作为一种综合性应用技术, 无损检测技术经历了从无损探伤(NDI ) , 到无损检测(ND T ) , 再到无损评价(NDE ) , 并且向自动无损评价(ANDE ) 和定量无损评价(QNDE ) 发展。在航空领域, 损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论。无损检测不但应能检测出已经存在的缺陷, 而且应能对缺陷(裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳缺陷) 的发展规律进行监测, 以保证损伤容限理论的正确实施[6]。
热波检测技术正是顺应了这种发展趋势, 从功能上看, 非常适合检测和监测裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳损伤的发展性缺陷; 从性能上看, 具有快速、观测面积大、直观、准确、非接触等特点优势, 适合于外场应用、在线在役检测。因此, 此项技术在某种程
3 国内外发展概况
1990年以来, 国际上积极开展红外热波无损检
测技术的研究。美国无损检测协会组织编写的无损检测手册红外与热检测分册里, 有大量的篇幅论述
红外热像无损检测在航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用。
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王 迅等:红外热波无损检测技术及其进展表1 红外热波检测与常规无损检测技术比较
技术性能检测对象
X 射线
常规无损检测方法
超声波表面、内部缺陷
磁粉表面、近表面缺陷
渗透表面开口缺陷
涡流 表面和近表面缺陷
红外热波无损检测技术
可以测量损伤深度、材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及表面下的材料和结构特性的识别
内部缺陷
适用范围
铸件、焊接件、非金属制品和复合材料等
锻件、焊接件、胶接接头和非金属材料
对缺陷敏感, 获得结果迅速, 缺陷定位方便
铁磁性材料各种非疏松材质导电体材料用于金属和非金属材料
优点 不受材料、几何形状限制, 能保持永久性记录。射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感
采用磁粉探伤方法检验铁磁性材料的表面缺陷比采用超声波探伤或射线探伤灵敏度高, 而且操作简便, 结果可靠, 显示直观
原理简明易懂, 设备简单, 操作简便, 灵敏度高。显示缺陷直观。对大型工件和不规则零件的检查以及现场机件的检修检查, 更能显示其特殊的优点
设备自动化程度高, 不必清理试件表面, 省时, 不需耦合剂
快速。每个测量一般只需数秒钟; 观测面积大。一次测量可覆盖面积近一平方米; 直观。测量结果用图像显示, 直观易懂; 准确。可以直接测量到深度、角度、面积等; 非接触。多数情况不污染也不需接触试件
局限性
设备投资大; 不易发现与射线垂直方向上的裂纹; 不便给出缺陷深度; 对安装及安全方面有严格要求, 不适于现场在线检测; 检测周期长; 胶片照相法胶片消耗大, 成本高
对小、薄及复杂零件难以检测; 需耦合剂耦合; 粗晶材料散射严重; 形状复杂的结构难以检测; 速度慢, 检测周期长。目前尚不能做三维检测
只限于铁磁性材料, 定量测定缺陷深度困难。对于有色金属、奥氏体钢、非金属与非导磁性材料, 不能采用磁粉探伤的方法检验缺陷
工艺程序复杂, 试液易挥发, 只能检测表面开口缺陷; 不能检测表面多孔性材料
对零件几何形状、突变引起的边缘效应敏感, 容易给出虚假的显示
对外形复杂的结构件要确定缺陷的深度时, 需要更有效的数学计算模型; 检测深度还不够深
(受限于加热设备的能
量) ; 对缺陷的分辨率还不如超声C 扫描高。用于某些金属时, 表面需进行抗反射处理
度上势将取代一些传统的检测技术。
红外热波检测技术与超声、磁粉、涡流、渗透、X 射线等五大常规检测技术的比较见表1[7,8]。
4 我国红外热波检测技术研究的初步进展
为了执行国家863项目, 首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院在首都师范大学物理系建立了一个联合红外热波实验室, 现在基本实验条件已经具备, 并且获得了一些初步的实验结果。4. 1 红外热层析检测方法原理实验利用“平底孔”模型试验方法, 可实现用脉冲加热法测量损伤深度和材料厚度。此方法是热波检测技术试验和应用研究的有效手段, 是热波探伤技术的重要方面。
实验所采用的设备原理示意如图1所示。
图2为实验用铝试件可见光照片,
由北京航空
图2 平底孔铝试件照片
材料研究院提供, 尺寸为30cm ×20cm ×2cm (煮
黑) , 背面有6个
另外还选用了玻璃钢试件, 形状缺陷与平底孔铝试件相同。图5为从红外热像仪所摄该试件表面热图序列中选出的特征图像。图6为该热过程的微分图像。
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图3
平底孔铝试件表面热序列时序图
图6 平底孔玻璃钢试件表面热过程的微分图像
制在材料表面所显示的温差和显现时间是完全不同
的。通过对整个热过程的热波理论计算和图像处理将可得到试件的热层析图。
在对新的一类检测对象进行检测前, 制备其基底材料的各种平底孔试件并重复试验可以使检测人员预先掌握被测对象的材料特性, 特别是材料的传热特性, 用以优化实验条件。平底孔试件的另一重要用途是可直接作为检测试验的深度和线度测量的标定试件。
4. 2 钢筒内侧绝热层脱粘的检测
图4
平底孔铝试件表面热过程的微分图像
固体燃料发动机筒试件由北京航空航天大学提供。
实验检测发动机钢筒壳内外模拟绝热层界面粘
图5 平底孔玻璃钢试件表面热序列时序图
选择铝和玻璃钢材料作为实验样件是为了突显热波探伤技术广泛的适用性。无论金属还是非金属材料, 也无论材料的传热特性好坏, 都可使用此技术。实际操作中, 可根据材料和缺陷的特性调整热像仪的采样频率和光源强度。从图3,4和5,6的实验结果可以看出,
不同深度的缺陷对加热脉冲的调
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图7 钢筒内侧绝热层脱粘的检测
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接状况, 获得初步结果。图7a 为试件外观和内部预制模拟缺陷的可见光照片, 图7b 为在试件外端用热波检测仪每转动60°拍摄一次并处理后的热图。4. 3 碳纤维复合材料板试件
北京航空材料研究院提供的碳纤维复合材料板试件, 厚3mm , 内埋9个不同深度, 不同厚度和不同形状的模拟缺陷。模拟缺陷的具体细节不详。
通过高能闪光灯脉冲加热和高速图像处理, 所有9个不同深度, 不同尺寸和形状的预埋模拟缺陷都清晰显现, 且通过对图像序列的处理, 完整的热过程也得到了直观的描述(图8) 。图9为热过程的微分图像。在更加深入地描述热过程的同时, 受调制的温场变化得到凸显, 显现了更多细节
。
5 结语
红外热波无损检测技术是一项通用技术, 具有很强应用性和可拓展性。可以应用于多种材料、结构和检测环境。该技术的应用既可作为产品评价的依据, 也为工艺分析提供参考信息, 可用于改进材料的产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及使用的各个阶段。参考文献:
[1] 刘 莹, 张记龙. 材料的红外无损检测技术及其进展
[J].华北工学院测试技术学报,2001,15(4) :275.[2] Xavier PV Maldague , Patrick O Moore. Nondestructive
Testing Handbook Infrared and Thermal Testing [M ].American S ociety for Nondestructive Testing ,2001. [3] Favro LD , Newaz GM , Thomas RL , et al. Progress in
thermosonic crack detection for nondestructive evaluation [C ].DARPA Prognosis Bidder πs Conference , USA , 2002. 25-26.
[4] Wang XUN. Pulse 2echo thermal wave imaging of metals
and composite [D ].Master Thesis , Wayne State Univ. (Applied Physics , 2001) .
[5] Sun G , Wang Xun , Feng Z J , et al. Imaging and
quantitative
measurement
of
corrosionin
painted
automotive and aircraft structures [M ].Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation[C].Chimenti :2000.603-607.
[6] 耿荣生, 郑 勇. 航空无损检测技术发展动态及面临的
图8
碳纤维复合材料试件及时序温场处理结果热图
挑战[J].无损检测,2001,24(1) :1-5.
[7] 李家伟, 陈积懋. 无损检测手册[M ].北京:机械工业出
版社,2002.
[8] 王仲生. 无损检测诊断现场实用技术[M ].北京:机械
工业出版社,2002.
图9 碳纤维复合材料试件的微分图像结果
欢迎订阅2005年《中国锅炉压力容器安全》
《中国锅炉压力容器安全》是由国家质量监督检
验检疫总局主管, 中国特种设备检测研究中心、中国锅炉压力容器检验协会和中国锅炉水处理协会主办, 国内外公开发行的综合性技术刊物。主要报道锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施等设备有关监察、检验、安全、试验研究、标准及国内外特种设备行业的信息与动态。
《中国锅炉压力容器安全》为双月刊, 大16开
64页, 精美印刷, 逢单月30日前出版, 定价:8元/
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帐号:[***********]; 开户名:中国锅炉压力容器安全杂志社。
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无损检测ND T
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(北京维泰凯信新技术有限公司, 北京 100054)
摘 要:综述了红外热波无损检测技术的基本原理、技术特点, 给出了一些典型的应用试验结
果, 介绍了国内外相应研究的发展状况和进展。
关键词:红外热波; 无损检测; 热波检测 中图分类号:TG 115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2004) 1020497205
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WANG X un , JIN W an 2ping , ZHANG Cun 2lin 1) , SHEN Jing 2ling 1) , GU O G u ang 2ping 2) , YANG Dang 2gang 2) ,
WU Dong 2liu 3) , L I Jian 2w ei , GU O Xing 2w ang 4)
(Beijing Waiteksin Advanced Technology Co. , L TD , Beijing 100054, China )
Abstract:The principle and concept about thermal wave NDT technology was briefly introduced. Authors concentrate on discussing the technology πs applications and latest developments at home and abroad.
K eyw ords :Infrared ; Nondestructive testing ; Thermal wave imaging
红外热波无损检测技术(简称热波检测) 是一门跨学科的技术。它的研究和应用, 对提高航空航天器, 多种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。美国多家大公司(如GE 、GM 、波音、福特、洛克西德和西屋等) 及政府机构(如NASA 、FAA 、空军、海军) 等已经在广泛应用和推广该技术[1～4]。
2003年9月该项技术的应用研究也列入了我
国国家863高科技发展计划, 同时还获得了211工程重点学科建设经费等的支持。
1 热波检测原理
热波(Thermal Wave ) 理论及应用的研究重点是研究热源, 特别是变化性热源(如周期、脉冲、阶梯函数热源) 与媒介材料及其几何结构之间的相互作
收稿日期:2004207227
基金项目:国家863计划资助项目(2003AA333090)
1) 首都师范大学物理系, 北京 100037
2) 北京航空材料研究院无损检测室, 北京 100095
3) 国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证委员会秘书处,
用。被加热后, 不同媒介材料表面及表面下的物理
结构特性和边界条件将影响热波的传输并将影响媒介表面的温场变化。通过控制热激励方法和测量材料表面的温场变化, 可以获取材料表面及其表面以下的结构信息, 从而达到检测的目的。
红外热波检测的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件, 设计不同热源(如高能闪光灯、超声波、电磁、热风等) 并用计算机控制进行脉冲式加热, 同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行数据采集, 采用专用软件进行实时图像信号处理(图1) 并显示检测结果。热波无损检测采用了主动式控制热激励的方法, 与传统的被动式红外热成像检测是有区别的。
不同被测物、检测环境和条件, 需要采用大功率闪光灯、超声波、激光、THz 波、热风、电磁感应、电流、机械振动等不同方式的热激励手段及相应的机械装置、控制装置及编制控制和图像数据处理软件。
2 主要应用和技术特点
2. 1 主要应用
北京 100028
4) 北京航空航天大学, 北京 100083
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美国、俄罗斯、法国、加拿大等国已把红外热波
检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国还把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测,Atlas 空间发射舱复合材料的脱粘检测,A3火箭无损检测[1]。美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持, 处在该领域研究的最前沿, 取得了很多实际的研究成果。在FAA1998,1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中, 此技术击败包括
图1 高能闪光灯热激励系统的热波检测原理示意图
X 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜
蒙皮加强筋开裂与锈蚀, 机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。②火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。③新材料(特别是新型复合结构材料) 的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用研究的整个过程中进行无损检测和评估; 加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。④多层结构和复合材料结构中, 脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。⑤各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。⑥各种粘接、焊接质量检测, 涂层检测, 各种镀膜、夹层的探伤。⑦测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。⑧表面下材料和结构特征识别与表征。⑨运转设备的在线、在役监测。2. 2 技术特点
热波检测具有如下特点, 即①适用面广, 可用于所有金属和非金属材料。②速度快, 每个测量只需几十秒钟。③观测面积大, 根据被测对象和光学系统, 一次测量可覆盖至平方米量级。对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。④直观, 测量结果用图像显示、直观易懂。⑤定量, 可以直接测量到缺陷深度、厚度, 并能作表面下的识别。⑥单向非接触, 加热和探测在被检试件同侧, 且通常情况下不污染也不需接触试件。⑦设备可移动、探头轻便, 十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。
出。并逐渐被NASA 、美国空军和海军、波音、洛克
希德, 各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。自20世纪90年代中期以来, 这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室, 用于研究解决各自独特的无损检测问题[2～5]。
据介绍, 中国目前从事与无损检测技术相关工作的人员约有25万人, 涉及无损检测技术应用、科研、教学与培训、经销、技术咨询、工程服务等的专业单位在5000个以上。截止2002年10月份, 中国无损检测器材设备的制造单位大约有400家, 分布在25个省、自治区和直辖市。据调研结果显示, 目前国内对此项技术的研究与应用与国外的差距甚大, 仅有一些技术介绍和综述文章, 以及初步试验。
必须指出, 由于被检物在材质、尺寸、制造工艺、形状等方面存在不同, 所含缺陷也千差万别, 因此没有一种无损检测的方法是万能的。通常选择使用的检测手段都是有针对性和个性化的。热波检测技术应被视为是对一些传统方法的补充、替代与进步, 也可与各种现有的成功检测办法互为验证和参考。作为一种综合性应用技术, 无损检测技术经历了从无损探伤(NDI ) , 到无损检测(ND T ) , 再到无损评价(NDE ) , 并且向自动无损评价(ANDE ) 和定量无损评价(QNDE ) 发展。在航空领域, 损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论。无损检测不但应能检测出已经存在的缺陷, 而且应能对缺陷(裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳缺陷) 的发展规律进行监测, 以保证损伤容限理论的正确实施[6]。
热波检测技术正是顺应了这种发展趋势, 从功能上看, 非常适合检测和监测裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳损伤的发展性缺陷; 从性能上看, 具有快速、观测面积大、直观、准确、非接触等特点优势, 适合于外场应用、在线在役检测。因此, 此项技术在某种程
3 国内外发展概况
1990年以来, 国际上积极开展红外热波无损检
测技术的研究。美国无损检测协会组织编写的无损检测手册红外与热检测分册里, 有大量的篇幅论述
红外热像无损检测在航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用。
・498・
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ＱＱ：５９６７０５３４９
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技术性能检测对象
X 射线
常规无损检测方法
超声波表面、内部缺陷
磁粉表面、近表面缺陷
渗透表面开口缺陷
涡流 表面和近表面缺陷
红外热波无损检测技术
可以测量损伤深度、材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及表面下的材料和结构特性的识别
内部缺陷
适用范围
铸件、焊接件、非金属制品和复合材料等
锻件、焊接件、胶接接头和非金属材料
对缺陷敏感, 获得结果迅速, 缺陷定位方便
铁磁性材料各种非疏松材质导电体材料用于金属和非金属材料
优点 不受材料、几何形状限制, 能保持永久性记录。射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感
采用磁粉探伤方法检验铁磁性材料的表面缺陷比采用超声波探伤或射线探伤灵敏度高, 而且操作简便, 结果可靠, 显示直观
原理简明易懂, 设备简单, 操作简便, 灵敏度高。显示缺陷直观。对大型工件和不规则零件的检查以及现场机件的检修检查, 更能显示其特殊的优点
设备自动化程度高, 不必清理试件表面, 省时, 不需耦合剂
快速。每个测量一般只需数秒钟; 观测面积大。一次测量可覆盖面积近一平方米; 直观。测量结果用图像显示, 直观易懂; 准确。可以直接测量到深度、角度、面积等; 非接触。多数情况不污染也不需接触试件
局限性
设备投资大; 不易发现与射线垂直方向上的裂纹; 不便给出缺陷深度; 对安装及安全方面有严格要求, 不适于现场在线检测; 检测周期长; 胶片照相法胶片消耗大, 成本高
对小、薄及复杂零件难以检测; 需耦合剂耦合; 粗晶材料散射严重; 形状复杂的结构难以检测; 速度慢, 检测周期长。目前尚不能做三维检测
只限于铁磁性材料, 定量测定缺陷深度困难。对于有色金属、奥氏体钢、非金属与非导磁性材料, 不能采用磁粉探伤的方法检验缺陷
工艺程序复杂, 试液易挥发, 只能检测表面开口缺陷; 不能检测表面多孔性材料
对零件几何形状、突变引起的边缘效应敏感, 容易给出虚假的显示
对外形复杂的结构件要确定缺陷的深度时, 需要更有效的数学计算模型; 检测深度还不够深
(受限于加热设备的能
量) ; 对缺陷的分辨率还不如超声C 扫描高。用于某些金属时, 表面需进行抗反射处理
度上势将取代一些传统的检测技术。
红外热波检测技术与超声、磁粉、涡流、渗透、X 射线等五大常规检测技术的比较见表1[7,8]。
4 我国红外热波检测技术研究的初步进展
为了执行国家863项目, 首都师范大学、北京维泰凯信新技术有限公司、北京航空材料研究院在首都师范大学物理系建立了一个联合红外热波实验室, 现在基本实验条件已经具备, 并且获得了一些初步的实验结果。4. 1 红外热层析检测方法原理实验利用“平底孔”模型试验方法, 可实现用脉冲加热法测量损伤深度和材料厚度。此方法是热波检测技术试验和应用研究的有效手段, 是热波探伤技术的重要方面。
实验所采用的设备原理示意如图1所示。
图2为实验用铝试件可见光照片,
由北京航空
图2 平底孔铝试件照片
材料研究院提供, 尺寸为30cm ×20cm ×2cm (煮
黑) , 背面有6个
另外还选用了玻璃钢试件, 形状缺陷与平底孔铝试件相同。图5为从红外热像仪所摄该试件表面热图序列中选出的特征图像。图6为该热过程的微分图像。
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图3
平底孔铝试件表面热序列时序图
图6 平底孔玻璃钢试件表面热过程的微分图像
制在材料表面所显示的温差和显现时间是完全不同
的。通过对整个热过程的热波理论计算和图像处理将可得到试件的热层析图。
在对新的一类检测对象进行检测前, 制备其基底材料的各种平底孔试件并重复试验可以使检测人员预先掌握被测对象的材料特性, 特别是材料的传热特性, 用以优化实验条件。平底孔试件的另一重要用途是可直接作为检测试验的深度和线度测量的标定试件。
4. 2 钢筒内侧绝热层脱粘的检测
图4
平底孔铝试件表面热过程的微分图像
固体燃料发动机筒试件由北京航空航天大学提供。
实验检测发动机钢筒壳内外模拟绝热层界面粘
图5 平底孔玻璃钢试件表面热序列时序图
选择铝和玻璃钢材料作为实验样件是为了突显热波探伤技术广泛的适用性。无论金属还是非金属材料, 也无论材料的传热特性好坏, 都可使用此技术。实际操作中, 可根据材料和缺陷的特性调整热像仪的采样频率和光源强度。从图3,4和5,6的实验结果可以看出,
不同深度的缺陷对加热脉冲的调
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图7 钢筒内侧绝热层脱粘的检测
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接状况, 获得初步结果。图7a 为试件外观和内部预制模拟缺陷的可见光照片, 图7b 为在试件外端用热波检测仪每转动60°拍摄一次并处理后的热图。4. 3 碳纤维复合材料板试件
北京航空材料研究院提供的碳纤维复合材料板试件, 厚3mm , 内埋9个不同深度, 不同厚度和不同形状的模拟缺陷。模拟缺陷的具体细节不详。
通过高能闪光灯脉冲加热和高速图像处理, 所有9个不同深度, 不同尺寸和形状的预埋模拟缺陷都清晰显现, 且通过对图像序列的处理, 完整的热过程也得到了直观的描述(图8) 。图9为热过程的微分图像。在更加深入地描述热过程的同时, 受调制的温场变化得到凸显, 显现了更多细节
。
5 结语
红外热波无损检测技术是一项通用技术, 具有很强应用性和可拓展性。可以应用于多种材料、结构和检测环境。该技术的应用既可作为产品评价的依据, 也为工艺分析提供参考信息, 可用于改进材料的产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及使用的各个阶段。参考文献:
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图9 碳纤维复合材料试件的微分图像结果
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