小曲率殼狀粘接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷熱波定量檢測(cè)

楊正偉,張 煒,田 干,宋遠(yuǎn)佳,金國(guó)鋒

(第二炮兵工程學(xué)院,西安710025)

小曲率殼狀粘接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷熱波定量檢測(cè)

楊正偉,張 煒,田 干,宋遠(yuǎn)佳,金國(guó)鋒

(第二炮兵工程學(xué)院,西安710025)

采用熱波無損檢測(cè)方法,對(duì)某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼狀鋼殼體/絕熱層試件的脫粘缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。針對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的熱圖存在“非均勻性、噪音大、缺陷顯示對(duì)比度低”等問題,基于自適應(yīng)濾波和分水嶺方法對(duì)熱圖進(jìn)行增強(qiáng)和分割處理,實(shí)現(xiàn)了缺陷位置、大小及深度的定量評(píng)估。結(jié)果表明:熱波技術(shù)能快速地發(fā)現(xiàn)缺陷(幾秒鐘);對(duì)缺陷的定位比較準(zhǔn)確,檢測(cè)結(jié)果直觀;特別適用于復(fù)雜殼狀結(jié)構(gòu)的檢測(cè),很容易檢測(cè)出深度4mm、直徑15mm的脫粘缺陷,能夠滿足固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體粘接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)需求;并且脫粘面積越大越容易檢測(cè),對(duì)缺陷直徑、深度等參數(shù)的估算誤差也越小。

小曲率粘接結(jié)構(gòu);脫粘;熱波檢測(cè);缺陷識(shí)別

固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體為多層粘接結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)在加工、生產(chǎn)及使用過程中容易受到各種工藝因素、人為因素、過載以及環(huán)境等因素的影響,可能導(dǎo)致缺陷和損傷的產(chǎn)生,造成整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的急劇降低,明顯降低了導(dǎo)彈的使用性能,甚至釀成災(zāi)難性的后果[1]。目前,主要采用傳統(tǒng)的射線和超聲波探傷方法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè),射線檢測(cè)方法設(shè)備龐大、成本高、檢測(cè)周期長(zhǎng),而超聲波檢測(cè)效率低、速度慢,均難以滿足導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)應(yīng)用中的快速、大面積檢測(cè)及實(shí)時(shí)評(píng)估的需求。熱波檢測(cè)方法具有檢測(cè)速度快、觀測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀、檢測(cè)設(shè)備便攜等優(yōu)點(diǎn),引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注,并在航空航天、電力、汽車、建筑等領(lǐng)域獲得了很多成功的應(yīng)用[2-9]。

根據(jù)熱激勵(lì)源的不同,熱波方法可分為脈沖加熱[10]、持續(xù)加熱和鎖相加熱[11]等方式。脈沖加熱方式檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)設(shè)備也比較成熟;鎖相法穿透深度比較大、檢測(cè)靈敏度比較高,但對(duì)設(shè)備要求較高;而持續(xù)加熱多用于傳熱性能比較差的材料,如混凝土結(jié)構(gòu)等。針對(duì)粘接結(jié)構(gòu)缺陷的熱波檢測(cè),國(guó)內(nèi)外正在積極開展研究。Henrik Berglind[12]研究并比較了上述三種熱波檢測(cè)方法對(duì)層合木板粘接結(jié)構(gòu)的貧膠缺陷的檢測(cè)效果,發(fā)現(xiàn)脈沖法檢測(cè)速度快,而鎖相法檢測(cè)靈敏度高;Steven M Shperd[7],K Srinivas[8],D P ALMOND[9]等人利用熱波方法分別對(duì)碳纖維,玻璃纖維復(fù)合材料內(nèi)部的脫粘,分層等缺陷進(jìn)行了檢測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)熱波方法非常適用于復(fù)合材料內(nèi)部缺陷檢測(cè);而蔣淑芳[13]則利用脈沖熱激勵(lì)方法對(duì)1.7mm壁厚的某小型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的第一界面脫粘進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,取得了較好的檢測(cè)效果。對(duì)于壁厚較大結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究不多,并且上述研究對(duì)象大部分采用的是平板結(jié)構(gòu),對(duì)于固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的圓柱形粘接結(jié)構(gòu),相關(guān)的研究報(bào)道較少。

因此,本工作針對(duì)固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的小曲率殼狀粘接結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷,利用比較成熟的脈沖熱波方法驗(yàn)證其檢測(cè)的可行性和局限性,并針對(duì)檢測(cè)熱圖中存在的非均勻性、噪音大等問題,研究相關(guān)的分析和處理方法,最終實(shí)現(xiàn)缺陷的定量識(shí)別。

1 熱波技術(shù)的檢測(cè)原理

熱波技術(shù)是一種基于熱波理論的無損檢測(cè)方法,通過對(duì)物體主動(dòng)施加可控?zé)峒?lì)(脈沖、周期等),激發(fā)材料內(nèi)部的缺陷和損傷,采用紅外熱像儀連續(xù)觀測(cè)和記錄物體表面的度場(chǎng)變化,通過對(duì)紅外序列熱圖進(jìn)行采集、分析和處理后,實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部缺陷的快速檢測(cè)和定量識(shí)別[3-6]。熱波檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 熱波檢測(cè)原理框圖Fig.1 The p rincip le sketch map of thermal wave method

利用高能閃光燈對(duì)材料表面施加一脈沖熱流,對(duì)于比較薄的各向同性無限大平板材料,其傳熱微分方程可以簡(jiǎn)化為一維模型:

初始條件:Tt=0=T0,邊界條件:-忽略表面的對(duì)流和輻射換熱。式中:T為溫度;T0為初始溫度;x為橫坐標(biāo);t為時(shí)間;k為材料熱傳導(dǎo)系數(shù);q為施加的脈沖熱流密度。

經(jīng)計(jì)算可得到有限厚度d區(qū)域與無限厚度區(qū)域的溫度差ΔT隨時(shí)間的變化函數(shù)為[2]:

式中:α=k/ρc為材料的熱擴(kuò)散率;ρ為密度;c為比熱。

對(duì)式(2)求極值,在時(shí)間為:

時(shí),溫度差將達(dá)到最大值:

根據(jù)上述理論分析可知:溫度差及溫差最大時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間是很重要的檢測(cè)參數(shù),根據(jù)上述檢測(cè)參數(shù),可以對(duì)缺陷進(jìn)行分析和識(shí)別。如利用公式(3),如果已知最佳檢測(cè)時(shí)間tm,就可以對(duì)缺陷深度進(jìn)行計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)描述

固體導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體一般采取多層粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由內(nèi)至外依次是固體推進(jìn)劑、包覆層、橡膠絕熱層和殼體,目前大部分型號(hào)導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)仍采用的是金屬材料。因此,選擇某型導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的鋼殼體為研究對(duì)象,按照相同的材料和結(jié)構(gòu),制作了相應(yīng)的試件。其中殼體采用的是超高強(qiáng)度的合金鋼(406鋼),絕熱層為三元乙丙橡膠。試件1(見圖2)為殼狀結(jié)構(gòu),弧長(zhǎng)310mm,寬度200mm,弦長(zhǎng)300mm,經(jīng)計(jì)算其外徑約為350mm,曲率約為2.86。鋼殼體厚度為4mm,絕熱層厚度為1mm,絕熱層挖有三個(gè)直徑分別為15,20,16mm的圓形平底孔,用以模擬脫粘缺陷。樣本2(見圖3)為平板結(jié)構(gòu),長(zhǎng)221mm,寬119mm,鋼殼體厚度3mm,絕熱層厚度4mm,缺陷類型有兩種(見圖3(b)):一是在粘接界面利用聚四氟乙烯夾層模擬的長(zhǎng)方形脫粘缺陷(長(zhǎng)寬為100mm×70mm),另外一個(gè)是兩個(gè)平底洞缺陷(直徑14mm)。

圖2 含脫粘缺陷的小曲率粘接結(jié)構(gòu)(試件1) (a)試件正面;(b)試件背面Fig.2 The small curvature structure with debond defects(specimen 1) (a)the front surface; (b)the back surface

圖3 鋼殼體/絕熱層脫粘樣本(試件2) (a)試件正面;(b)試件背面Fig.3 Stell shell and insulation layer with debond defects(specimen 2) (a)the front surface;(b)the back surface

實(shí)驗(yàn)借助于首都師范大學(xué)的紅外熱波實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來進(jìn)行。利用高能量的脈沖閃光燈作為熱激勵(lì)源,脈沖能量調(diào)為最大4800J,脈沖時(shí)間2m s。紅外熱像儀的型號(hào)為FL IR SC3000,該熱像儀采用制冷型量子阱紅外光電探測(cè)器技術(shù),工作波段為8～9μm,提供分辨率為320×240像素的圖像和精確的溫度測(cè)量能力,溫度靈敏度可達(dá)0.03℃,紅外圖像的采集時(shí)間設(shè)為35s,采集頻率60Hz。

3 結(jié)果及分析

初次實(shí)驗(yàn)未對(duì)樣本進(jìn)行表面處理,紅外熱像儀采集到的表面溫度如圖4(a)所示,可以發(fā)現(xiàn)由于樣本表面發(fā)射率不均勻?qū)е录t外熱圖上下亮度不一致,并含有較大的噪音。對(duì)試件表面噴涂可溶于水的黑漆,檢測(cè)結(jié)果如圖4(b)所示。比較圖4(a)和4(b),可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過表面處理后,檢測(cè)效果得到明顯改善,紅外熱圖的噪音也明顯降低。

圖4 試件表面處理前(a)和處理后(b)檢測(cè)熱圖對(duì)比Fig.4 Thermal image contrast befo re treatment (a)and after treatment(b)of surface coating

試件1檢測(cè)表面溫度場(chǎng)不同時(shí)刻的序列熱圖如圖5所示。觀察圖5可知,試件在加熱后大約0.41s時(shí),表面出現(xiàn)了三個(gè)熱斑,隨著時(shí)間的推移,熱斑與周圍的對(duì)比度越來越大,顯示的越來越清晰,大約在1.1s左右,熱斑與周圍環(huán)境的對(duì)比度達(dá)到最大,而后對(duì)比度逐漸降低,最終到30s左右,表面溫度場(chǎng)將趨于均勻,無法觀察到缺陷。

圖6(a)為試件2的檢測(cè)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)噪音比較大,嚴(yán)重影響缺陷的識(shí)別。經(jīng)過微分對(duì)比度增強(qiáng)處理后,如圖6(b)所示,可以看出:由聚四氟乙烯模擬的長(zhǎng)方形脫粘缺陷結(jié)果也近似為長(zhǎng)方形,而平底洞缺陷的檢測(cè)效果相對(duì)較好,近似為圓形,但缺陷邊緣存在著一定的模糊效應(yīng),需要在后期的缺陷分割中加以解決。

圖5 樣本1檢測(cè)表面溫度場(chǎng)不同時(shí)刻的序列熱圖(a)0.41s;(b)0.67s;(c)1.1s;(d)1.7s;(e)2.8s;(f)30sFig.5 Serial thermal images of specimen 1 surface temperature at different time (a)0.41s;(b)0.67s;(c)1.1s;(d)1.7s;(e)2.8s;(f)30s

圖6 樣本2檢測(cè)表面溫度場(chǎng)熱圖(a)和缺陷對(duì)比度增強(qiáng)效果(b)Fig.6 Thermal image of specimen 2 surface temperature(a) and defect contrast enhancement effect(b)

缺陷與基體材料的熱特性的差異導(dǎo)致了冷卻過程中表面溫度場(chǎng)的異常,通過表面的溫度異常(熱斑)即可判斷缺陷的存在,不同的缺陷對(duì)熱波的影響程度也是不同的,因此實(shí)驗(yàn)過程中觀察到熱斑的大小及顯現(xiàn)時(shí)間是不相同的。為更深入研究缺陷與表面溫度場(chǎng)的關(guān)系,以樣本1為例,觀察三個(gè)缺陷中心與無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的表面溫度隨時(shí)間的變化曲線,如圖7所示。可看出,脈沖加熱過后瞬間,試件表面的溫度急劇上升,在很短的時(shí)間內(nèi)上升到40℃左右(為了能夠更好顯示出降溫過程中溫度的變化情況,升溫部分圖中未畫出),隨后溫度開始下降,其中直徑20mm的缺陷下降的最慢,無缺陷區(qū)域下降的最快,因此可以得出:缺陷的存在減緩了表面溫度的下降趨勢(shì),并且缺陷越大,對(duì)表面溫度的下降趨勢(shì)影響也越大。

圖7 缺陷及無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)表面溫度隨時(shí)間變化情況Fig.7 Surface temperature vs time between defect and sound area

圖8為缺陷直徑與表面溫差的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中直徑最大的20mm缺陷對(duì)應(yīng)的最大溫差達(dá)到0126℃,而16,15mm兩個(gè)缺陷的溫差相差不大,基本保持在0.15℃左右,而實(shí)驗(yàn)用的紅外熱像儀溫度靈敏度為0.03℃,基本能夠滿足檢測(cè)的需要。但由于加熱不均、材料表面發(fā)射率不一致以及環(huán)境干擾等因素的影響,使得紅外熱圖中含有較多的噪音,要想準(zhǔn)確地獲取缺陷信息,還需要對(duì)原始熱圖做進(jìn)一步的增強(qiáng)處理。

圖8 不同直徑缺陷對(duì)應(yīng)表面溫差曲線Fig.8 Surface temperature difference curves ofdefect with different diameters

4 圖像降噪和分割處理

4.1 圖像降噪

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,盡管實(shí)驗(yàn)前對(duì)試件表面進(jìn)行了表面處理,有效地抑制了部分噪音,一定程度上增強(qiáng)了缺陷的顯示效果,但熱圖中仍然存在“對(duì)比度低、高背景以及高噪聲”的問題,而且缺陷邊緣比較模糊,不利于缺陷分割。因此,為提取定量的缺陷信息,實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)化識(shí)別,首先需要對(duì)原始熱圖進(jìn)行降噪增強(qiáng)處理。分別采用均值濾波、中值濾波、自適應(yīng)濾波等空域增強(qiáng)方法對(duì)試件1對(duì)比度最大時(shí)刻(約111s)對(duì)應(yīng)的原始圖像進(jìn)行處理,效果如圖9所示。

由圖9可知,均值濾波的效果不是很理想,中值濾波一定程度上抑制了缺陷周圍噪音,而自適應(yīng)濾波效果最為顯著,缺陷周圍的噪音大大降低,缺陷顯示效果得到了增強(qiáng),為定量識(shí)別缺陷提供了基礎(chǔ)。

圖9 幾種濾波方法處理結(jié)果 (a)原始圖像; (b)均值濾波;(c)中值濾波;(d)自適應(yīng)濾波Fig.9 Results of several filter methods (a)the raw image;(b)median filtering;(c)average filtering;(d)self2adap tive filtering

4.2 缺陷分割

要想獲取定量的缺陷信息,特別是缺陷大小,就必須把熱斑從周圍的背景中分割出來。基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分水嶺方法對(duì)圖9(d)進(jìn)行處理,結(jié)果如圖10所示。

圖10 基于分水嶺方法作的圖像分割結(jié)果(a)及三維顯示效果(b)Fig.10 Segmentation effect based on w atershed method(a)and 3D tomogram(b)

結(jié)果表明:盡管分割出的缺陷形狀與真實(shí)缺陷有一定的誤差,但該方法能夠有效地把缺陷從背景中分離出來,能夠初步地對(duì)缺陷的大小進(jìn)行判別,為實(shí)現(xiàn)缺陷的自動(dòng)識(shí)別提供了有益的參考。

5 缺陷的定量識(shí)別

5.1 脫粘大小、位置識(shí)別

根據(jù)上述分水嶺方法分割的熱斑大小對(duì)缺陷進(jìn)行定量識(shí)別,計(jì)算表面熱斑的直徑、面積、周長(zhǎng)及位置信息等,并與缺陷的真實(shí)參數(shù)相比較,結(jié)果如表1所示。由表1可知,缺陷越大,計(jì)算誤差越小。經(jīng)分析主要是因?yàn)槿毕菰叫?所產(chǎn)生的溫差也越小,熱斑邊緣的模糊效應(yīng)也越明顯,這樣在缺陷分割的過程中就可能產(chǎn)生較大的誤差。因此,為提高檢測(cè)準(zhǔn)確度,需要增強(qiáng)信噪比,一方面可以增強(qiáng)檢測(cè)信號(hào),如增大熱激勵(lì)源的強(qiáng)度,采用有效措施增大材料表面的吸收率;另一方面需更深入研究噪音特性,研究更為有效的降噪方法,減少噪音的影響;同時(shí),還可以通過研究熱擴(kuò)散效應(yīng),對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

表1 缺陷參數(shù)計(jì)算結(jié)果與真實(shí)值比較Table 1 Estimating parameters for defects and contrast w ith the real values

5.2 脫粘深度的判斷

6 結(jié)論

(1)對(duì)于導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體小曲率粘接結(jié)構(gòu)(曲率約為2.86),熱波檢測(cè)中均可視為平板結(jié)構(gòu),不需考慮熱加載非均勻的問題。

(2)對(duì)于鋼殼體/絕熱層粘接結(jié)構(gòu)中深度為4mm、直徑為15mm的脫粘缺陷,檢測(cè)效果較好,檢測(cè)速度很快(幾秒鐘)。

(3)金屬材料檢測(cè)前需要對(duì)表面進(jìn)行處理,采用表面噴涂黑漆的措施能夠有效降低噪音,增強(qiáng)檢測(cè)能力。

(4)采用自適應(yīng)濾波圖像增強(qiáng)方法能夠有效降低紅外熱圖的噪音,增強(qiáng)缺陷的顯示效果;基于分水嶺的缺陷分割方法能夠有效把缺陷從背景中分離出來。

(5)存在一個(gè)最佳的檢測(cè)時(shí)間,其對(duì)應(yīng)時(shí)間的熱圖可以用來對(duì)缺陷大小、位置及深度進(jìn)行估算;在工程實(shí)際應(yīng)用中可通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)試件,通過與標(biāo)準(zhǔn)試件相比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量識(shí)別。

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Debond in Small Curvature Adhesion Structure Detected by Thermal Wave Nondestructive Testing

YANG Zheng2wei,ZHANGWei,TIAN Gan,SONG Yuan2jia,JIN Guo2feng
(The Second A rtillery Engineering College,Xi’an 710025,China)

Based on thermal w ave nondestructive technique,the small curvature adhesion structure w ith debond defects between steel shell and rubber insulation layer was investigated.For the p roblem of non2uniformity,high noise and low disp lay contrast of the infrared images obtained by the infrared thermal camera,self2adap tive filtering and watershed segmentation algorithm s were used to enhance the image quality and segment the defect from the background.Finally,the defect location,size and dep th were estimated quantitatively.The results show that thermal wave technique has a high inspec2 tion speed(several seconds),locates defect exactly and has intuitionistic inspection results.It is also very app licable to small curvature adhesion structure.Debond w ith diameter of 15mm at the dep th of 4mm is easy to be detected,w hich could satisfy the inspection requirement for solid rocket motor (SRM).The bigger of the debond area,the easier to be detected and also the lessof the error for esti2 mating defect size.

small curvature adhesive structure;debond;thermal wave inspection;defect identification

TP274

A

100124381(2010)1220039205

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(面上項(xiàng)目51075390)

2009209228;

2010208225

楊正偉(1982-),男,博士研究生,從事地地導(dǎo)彈動(dòng)力系統(tǒng)無損檢測(cè)與故障診斷工作,聯(lián)系地址:陜西省西安市第二炮兵工程學(xué)院203教研室(710025),E2mail:yangzhengw ei1136@163.com