應用熱波成像技術檢測飛機結構隱蔽腐蝕的實驗研究

趙志昌，姚紅宇，曹大樹，孫延春

（1中國民航科學技術研究院，北京100028；2北京航空航天大學，北京100083）

應用熱波成像技術檢測飛機結構隱蔽腐蝕的實驗研究

趙志昌1，姚紅宇1，曹大樹1，孫延春2

（1中國民航科學技術研究院，北京100028；2北京航空航天大學，北京100083）

對民航飛機結構腐蝕的檢測基本依靠目視檢查。然而飛機結構中有很多部位如果不做大量的拆卸，人的視線就很難到達，如飛機蒙皮內側表面的腐蝕和板材搭接縫中的腐蝕［1］。本工作把鋁合金板材難以接近的一面上的腐蝕稱為隱蔽腐蝕，試圖利用熱波成像技術從板材的另一面（易接近面）進行檢測［2］。

熱波成像技術［3］檢測腐蝕的原理是：對待測板材的易接近面（前表面）均勻地施加一個短暫的加熱脈沖，從而在板材厚度方向上建立起溫度梯度。由于熱擴散，板材本體溫度快速變化。在趨于熱平衡的過程中，板材表面溫場的空間和時間變化方式受到試件內部的不均勻性（如缺陷、損傷）對熱擴散行為改變的影響［4，5］。在缺陷處熱非均勻傳播，發生“熱波（thermal wave）”的散射或反射。這種傳熱過程的局部改變以某種方式在材料表面的溫度場變化上反映出來。利用數字式紅外熱像儀記錄前表面上的溫度分布，分析處理后可以獲得背面上的腐蝕坑信息［6］。

美國韋恩州立大學的研究表明熱波成像技術可以檢測飛機結構的隱蔽腐蝕，并提出了腐蝕坑深度與寬度的定量檢測算法［7，8］。本工作研究了腐蝕產物的殘留與否、試件表面漆層的存在等因素對檢測結果的影響，探索該技術對缺膠、脫膠和剝層腐蝕的檢測效果，并與其他無損檢測技術的檢測結果進行比較。

1 實驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。由計算機觸發的電源控制器讓兩只能量約2.4kJ的閃光燈對試樣進行脈沖加熱，脈沖寬度約2ms。紅外熱像儀為thermaCAM SC3000型，由計算機控制同步拍攝，熱像儀的熱靈敏度小于0.03℃，幀頻60Hz，紅外圖像像素矩陣為320×240pixel。拍攝視場尺寸為370mm×270mm。

1.2 試樣

本實驗所用材料為100mm×50mm×2mm的鋁合金板材。用加速腐蝕方法在板材的一面制作腐蝕坑，或者用機加工方法在板材的一面制作圓形平底坑模擬腐蝕坑。通過選擇不同的加速腐蝕方法可以讓腐蝕坑中有腐蝕產物殘留或沒有腐蝕產物殘留。圖2為試樣經加速腐蝕后的外觀。圖2（a）中兩個腐蝕坑的深度分別為1.2mm和1.0mm，無腐蝕產物遺留。圖2（b）中兩個腐蝕坑的尺寸分別為18mm×17mm×0.75mm和12mm×11mm×0.70mm，有腐蝕產物遺留。為增加鋁合金板對加熱光的熱吸收，檢測前在所有裸金屬板的前表面刷涂臨時性黑色涂料以增加熱能吸收率。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic drawing of experiment device

圖2 加速腐蝕后的試樣外觀 （a）無腐蝕產物遺留；（b）有腐蝕產物遺留Fig.2 Appearance of samples after accelerated corrosion（a）no corrosion product remain；（b）with corrosion product remain

為研究該技術對膠接金屬脫膠、缺膠的檢測能力，在鋁合金板材（圖3中組件后板的前表面）100mm邊長的右側三分之一段涂抹航空維修用密封膠，待膠干燥后再在其左側三分之一段涂抹同樣的膠并立即與另一片相同尺寸的鋁合金板材（圖3中組件前板）粘接，形成如圖3所示的正常膠接區、缺膠區和脫膠區，脫膠面在膠接組件的前板的背面。

為研究該技術對真實飛機結構件腐蝕的檢測，選取了某飛機的一件結構件。該結構件為鋁合金板，2mm厚，板的兩面都帶有原始的綠色底漆和白色面漆。板的背面發生了嚴重腐蝕（圖4），但前表面則基本完好。用閃光燈對該件進行脈沖加熱時直接照射在原始漆層上。

圖3 缺膠、脫膠試樣示意圖Fig.3 Schematic drawing of sample with bond，disbond and lack of sealant

圖4 某飛機鋁合金結構件背面的嚴重腐蝕Fig.4 Severe corrosion of an airframe aluminum part

1.3 其他檢測方法

為驗證熱波成像的檢測結果，對前述真實飛機結構件進行了X射線照相檢測和超聲檢測。

2 實驗結果

2.1 加速腐蝕的腐蝕坑

圖2中試樣的檢測結果如圖5所示，圖像經脈沖相位熱圖（Pulsed Phase Thermography，PPT）法處理［9］。無論有無腐蝕產物殘留，腐蝕坑都清晰可見，并且基本反映了腐蝕坑的原始輪廓。由此可以推定，可以用能夠準確控制尺寸的機加工平底坑來代替腐蝕坑進行研究。

圖5 對圖2中的腐蝕坑的檢測結果圖像 （a）無腐蝕產物遺留；（b）有腐蝕產物遺留Fig.5 Resultant images of the corrosion shown in fig.2（a）no corrosion product remain；（b）with corrosion product remain

2.2 膠接組件

圖6為圖3中的膠結組件的檢測結果，為未經處理原始圖像序列中的最佳幀。圖像的右部為脫膠區，與左部的正常膠接區在灰度上有明顯的區別。脫膠意味著組件前板的背面是空氣，與缺膠相當，因此圖6右部（脫膠）和中部（缺膠）無區別。從組件的背面進行檢測，結果圖像的左右兩端都顯示良好的膠接，而中部的缺膠區則顯示明顯的灰度差異，表明圖3所示組件后板的左右兩端都是良好膠結。為了確認膠接組件內部的膠接狀況，實驗后將組件分解開，發現熱波成像技術對缺膠、脫膠的檢測結果與實際相符，且圖6膠接區（左部）/缺膠區（中部）分界線的形狀符合實際情況。

圖6 圖3中的膠接組件的檢測結果圖像Fig.6 Resultant image of the bonding joint shown in fig.3

2.3 飛機結構件

圖7（a）為對圖4所示的真實飛機結構件的檢測結果，為未經處理的原始圖像中的最佳幀。腐蝕坑的輪廓清晰可見，腐蝕坑的灰度呈現不同的層次，反映出不同的腐蝕深度。對比圖4和圖7（a），可以發現熱波成像檢測出的腐蝕坑的橫向尺寸大于圖4中目視所見的腐蝕坑，其原因在于鋁合金板材發生了剝層腐蝕，用細絲探試，材料分層從目視可見的腐蝕坑邊界沿圖4中的箭頭方向向左下方至少推進了13mm。因此熱波成像檢測出的腐蝕坑尺寸比目視可見的腐蝕坑更真實，反映出了這一技術相比于目視檢查的優勢。

圖7 對圖4所示真實飛機結構件的檢測結果 （a）熱波成像；（b）X射線照相檢測Fig.7 Resultant image of the airframe part shown in fig.4（a）by thermal wave imaging；（b）by X－ray radiography

圖4中的黑色線條為通過超聲波測厚標記出的腐蝕坑邊界，圖7（b）為其X射線照相檢測的結果。將熱波成像的檢測結果（圖7（a））與這兩種技術的檢測結果比較，可以看出它們的結果基本一致，但熱波成像技術比另兩種技術的檢測效率高很多；反映的腐蝕坑深度層次更加豐富；相比于X射線照相檢測，對沒有明顯材料損耗的剝層腐蝕更加敏感。

3 討論

3.1 影響測試結果的因素

實驗結果表明，無論腐蝕坑中有無腐蝕產物殘留，熱波成像技術都能夠很好地檢測腐蝕坑。通常材料的腐蝕區與完好材料之間沒有截然分明的邊界，熱波成像反映的是一個等效的、漸變的邊界，如圖7（a）所示，小于實際腐蝕區的尺寸。熱在缺陷附近橫向傳播分量使得檢測到的腐蝕區的橫向尺寸更加縮小。熱圖像顯示出的結構細節，如圖7（a）中的鉚釘孔的間距，有助于人們對腐蝕坑的橫向尺寸做出判斷。

由于熱在缺陷附近橫向傳播的干擾，腐蝕后的材料剩余厚度對腐蝕坑的可檢性有很大的影響。同時，剩余厚度與材料的原始厚度之比決定了表面溫度差異的大小，因此這兩個厚度參數在很大程度上決定著腐蝕坑的檢測極限。檢測極限還與試樣的表面狀況、腐蝕坑在其他方向上的尺寸、加熱參數、圖像處理方法、視場尺寸、環境溫度等諸多因素有關［10，11］。

熱像儀的景深使得在一定程度上偏離焦平面的試樣仍然可以獲得清晰的圖像。因此，熱波成像技術可以檢測帶有一定曲率或彎折的試樣，這點通過實驗得到了證明。

3.2 對膠結缺陷的檢測

飛機結構搭接縫中通常要求涂抹密封膠。密封膠的缺膠和脫膠因形成縫隙而常常引發縫隙腐蝕，是腐蝕的前兆，對其檢測具有工程意義。鋁合金/膠界面和鋁合金/空氣界面在熱物性上的差異使得熱在界面上的反射出現差異，這個差異最后在鋁合金前表面上形成溫度差異。實驗證明了熱波成像技術對缺膠、脫膠檢測的有效性。

3.3 對時間序列圖像的應用

飛機結構件通常帶有漆層，有的只有底漆，有的在底漆之上還有面漆。實驗結果表明，熱波成像技術可以帶著原有漆層進行檢測，這是該技術的一個重要優勢。從圖6，7還可看出，只要熱像儀的技術參數足夠高，原始圖像就可以滿足需要，無需圖像處理。

由于熱波成像使用的是紅外視頻攝像儀，檢測結果圖像是時間軸上的圖像序列。圖7（a）是開始記錄后0.2s時的圖像，是反映腐蝕情況的最佳幀。早期的結果圖像，比如0.017s的圖像主要反映表面或淺表層的信息。圖像反映了背面嚴重腐蝕幾乎穿孔的微小腐蝕區、前表面漆層差異（顏色、厚度、致密性、漆層疊加），以及前表面上的水跡、污跡、劃道、密封膠殘留等，必須仔細核對表面狀態才能排除假信息，好在這些前表面的狀態都是人眼可以查看的。隨著時間的延續，最表面的狀態細節信息逐漸消失，表面以下的信息逐漸反映出來。腐蝕坑在深度上的變化表現為灰度差異在時間序列上持續存在且面積逐漸擴大，這樣，從一個局部部位的灰度差異在時間序列上的持續存在，以及核對前表面狀態沒有對應的差異，就可以藉此判斷為材料的內部缺陷。因此時間序列比一幅靜態圖像更有助于判斷材料的內部缺陷。

4 結論

（1）熱波成像技術以簡單易懂的圖像方式顯示飛機結構中的隱蔽腐蝕，不受腐蝕產物殘留的影響，圖像僅需簡單處理或不處理。可在結構件原有漆層表面進行檢測，無需去掉漆層，也無需外加涂料。如果檢測對象為裸金屬，則要在其表面涂覆一層黑色吸熱涂層。

（2）在顯現腐蝕坑的同時，能夠顯現鉚釘、孔洞、厚度變化、工件邊界等結構細節，便于核對腐蝕坑的位置和估算腐蝕坑的橫向尺寸。受熱在缺陷附近橫向傳播的影響，檢測出的圖像橫向尺寸小于實際的腐蝕區尺寸。檢測尺寸極限受諸多因素影響。

（3）實驗表明，該技術能夠很好地探測真實飛機結構件的腐蝕，而且對于鋁合金型材特有的、目視檢查難以發現的剝層腐蝕特別有效。

（4）該技術能檢測膠接件內部的缺膠和脫膠，這種缺陷常常誘發腐蝕。

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Experimental Research on Thermal Wave Imaging Inspection for Hidden Corrosion on Airframe

ZHAO Zhi－chang1，YAO Hong－yu1，CAO Da－shu1，SUN Yan－chun2
（1China Academy of Civil Aviation Science and Technology，Beijing 100028，China；2Beihang University，Beijing 100083，China）

利用熱波成像技術，對加速腐蝕試樣和實際飛機結構腐蝕件進行了隱蔽腐蝕檢測的實驗研究。結果表明：這一技術可以很好地檢測出隱蔽腐蝕，不受腐蝕產物殘留與否以及表面漆層的影響，對于剝層腐蝕特別有效；該方法獲得的腐蝕坑的圖像細節豐富、直觀易懂；同時，該技術能夠檢測膠結縫內部的缺膠和脫膠。

無損檢測；熱波成像；腐蝕；飛機結構

With acceleratedly corroded samples and real corroded airframe parts，application of thermal wave imaging technology to hidden corrosion inspection was experimentally studied.The results show that this technology is able to reveal hidden corrosion，especially good for exfoliation corrosion，regardless corrosion product remains or not as well as presence of paint on the surface.The image of corrosion has details and is easy to understand.This technology is able to reveal disbond as well as lack of sealant inside bonded joints.

nondestructive testing；thermal wave imaging；corrosion；airframe

TG115.28

A

1001－4381（2012）04－0072－04

2011－02－25；

2011－09－02

趙志昌（1956－），男，高級工程師，從事航空安全研究，聯系地址：北京市朝陽區西壩河北里甲24號中國民航科學技術研究院（100028），E－mail：zhaozhc@mail.castc.org.cn