超聲紅外熱像技術在金屬裂紋檢測中應用

劉繼英 陶祥賀

摘 要：針對現有傳統無損檢測技術對金屬裂紋檢測效果不理想以及超聲紅外熱像技術生熱特性研究不充分的問題，將超聲紅外熱像技術引入到金屬裂紋的檢測，簡要介紹了該技術的基本原理和系統組成，分析了實驗中裂紋生熱的特點，進一步探索了激勵參數和耦合材料對裂紋生熱的影響，研究結果表明：超聲紅外熱像技術非常適合金屬裂紋等接觸界面型缺陷的檢測，檢測效果很好。研究成果為超聲紅外熱像技術檢測規范的制定奠定了理論基礎。

關鍵詞：超聲紅外；金屬裂紋；激勵參數；耦合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.001

當前，各種新型設備不斷更新換代，其結構復雜化和材料多樣化使得傳統檢測手段難以滿足檢測需求。因此，迫切需要新的檢測技術的應用推廣。超聲紅外熱像技術是一種新型的無損檢測技術[1]，它以其具有的檢測速度快、檢測范圍廣、使用方便等優勢受到了國內外研究人員的高度重視。目前，國內外學者在超聲激勵下缺陷生熱特性方面開展了不同程度的研究。X. Han等人通過熱能計算工具分析了紅外數據，基于實驗分析，探索了不同耦合材料對紅外熱信號的影響[2]。鄭江等人研究了超聲源的位置對激發裂紋熱成像的影響，通過試驗觀察到當超聲源激發的位置改變時，裂紋區域的溫度升高加熱明顯不同[3]。馮輔周等人對超聲激勵條件下微裂紋生熱進行了試驗研究，揭示了微裂紋生熱與被測試件厚度之間的關系[4]。然而，上述研究都局限于的考慮單一因素對缺陷生熱的影響，而且對于缺陷生熱特性研究并不深入，研究成果很難指導檢測紅外熱像技術的檢測應用。

為了探索超聲紅外熱像技術在金屬裂紋檢測中的效果，同時深入研究裂紋生熱特性以及激勵參數、耦合材料等多種因素對裂紋生熱的影響，本文以金屬疲勞裂紋為研究對象，引入超聲紅外熱像檢測技術，探索超聲激勵下裂紋生熱特性，進一步，揭示激勵強度和激勵時間等激勵參數、耦合材料等因素對裂紋生熱的影響，研究將為超聲紅外熱像技術檢測規范的制定提供理論依據，最終指導該技術走向工程實踐應用。

1 基本原理和系統組成

超聲紅外熱像技術在檢測過程中包含超聲激勵的產生與傳播、裂紋生熱以及熱量的擴散、試件表面溫度分布獲取等過程。其檢測的基本原理是：以超聲發生器產生超聲脈沖作為激勵源，作用于被測對象并將超聲波傳遞到被測對象內部，進而傳播至缺陷區域， 由于缺陷區域的摩擦、塑性變形、粘彈性效應[5]等使得周圍溫度升高，進一步利用紅外熱像儀獲取被測對象表面溫度分布情況，通過溫度變化達到缺陷識別的目的。

超聲紅外熱像系統主要由激勵發生裝置、紅外熱像儀、計算機和被測對象四部分構成[6]，其系統示意圖如圖1所示。具體來說，激勵發生裝置包括超聲電源和超聲發生器兩部分組成，超聲電源為超聲發生器提供電源；而超聲發生器是產生超聲激勵的核心部件，能將電能轉化為機械能；紅外熱像儀主要用來采集紅外熱圖像；計算機用于控制系統的運行以及數據處理；被測試件的材料選擇合金鋼，尺寸為200mm×100mm×3mm，在其長邊預制一長度為5mm的裂紋缺陷，其結構示意圖如圖2所示。

2 裂紋生熱特性分析

圖2中虛線框內區域為紅外熱像儀的采集區域，由此可以獲取被測平板表面溫度分布情況，如圖3所示。圖中可以看出：裂紋區域生熱明顯高于其他區域，由此可以實現裂紋缺陷的識別，說明了該方法對于金屬裂紋缺陷檢測的有效性。進一步計算將裂紋區域溫升平均值，觀察其隨激勵時間的變化情況，如圖4所示。圖中曲線表明：裂紋區域溫升隨激勵時間呈現出逐漸升高的趨勢，激勵停止（2s時刻），溫升逐漸降低，在上升階段溫升增長率越來越小，而在下降階段溫升下降率越來越大。

3 裂紋生熱的參數影響

參數影響研究超聲紅外熱像技術的重要內容，也是進行檢測條件優化研究的必要基礎，其研究成果將為超聲紅外熱像技術檢測規范的制定提供理論指導。本文引入激勵時間、激勵強度和耦合材料三個參數作為變量，探索不同參數對裂紋生熱的影響，旨在對比分析不同參數對裂紋生熱的影響規律，為后續檢測條件優化奠定理論基礎。

3.1 激勵時間的影響

為探索激勵時間對裂紋生熱的影響，設置1s到5s五組不同的激勵時間，在其他條件不變的情況下，進行實驗分析。選取裂紋區域溫度的平均值變化曲線作為研究對象，觀察不同時刻溫度變化的趨勢。圖中表明：雖然進行了5次試驗，但是5條曲線的起點和變化軌跡也基本相似。隨著激勵時間的增加，裂紋區域溫度平均值逐漸增大，但是增長率逐漸降低。其主要原因是由于裂紋生熱速率與時間的傳熱速率之間相互作用的結果。在激勵開始到1s時刻，裂紋區域溫度上升的趨勢比較明顯，之后溫度上升趨勢趨于平緩，在5s時刻溫度上升的趨勢已經非常小，同時在整個激勵過程中，裂紋區域溫度增長率在逐漸降低。說明了激勵時間對裂紋生熱的影響是一個逐漸變小的過程，由此可以預測在其他因素不變的情況下，存在一個激勵時間的臨界值使得裂紋生熱達到平衡。

3.2 激勵強度的影響

激勵強度用激勵發生裝置的輸出功率表示，單位為W。和激勵時間的影響類似，設置激勵強度為550W、600W、650W、750W和850W，選擇裂紋區域平均溫升為研究對象，其變化曲線如圖6所示。圖示得到：隨著激勵強度的增大，裂紋區域平均溫升呈現出逐漸增大的趨勢。然而在實際檢測過程中，過大的激勵強度會對被測對象表面造成沖擊損傷，并不是激勵強度越大越好。由此可以看出，在其他條件不變的情況下，存在一個激勵強度的合理值，使得裂紋生熱能夠被有效檢測到同時又不會造成被測試件的損傷。

3.3 耦合材料的影響

前面探索了激勵參數對裂紋生熱的影響， 除此之外，影響裂紋生熱的因素還有很多，耦合材料就是其中之一。耦合材料是位于被測對象和激勵發生器中間，起到將超聲激勵更加有效地傳遞到被測對象中的一種材料。如圖7所示，本文中選擇了膏藥、熱縮管、皮革以及名片等四種材料，觀察不同的耦合材料對裂紋生熱的影響。圖8所示為耦合材料影響裂紋生熱的結果，圖中表明：名片的耦合效果遠遠好于其他三種材料，而皮革的耦合效果最不好。其原因是：名片材料比較硬，超聲波傳遞過程中損失比較少，而皮革材料則起到了減振作用，吸收了大部分超聲波。由此可以看出，慎重選擇耦合材料可以有效促進裂紋生熱效果。

4 結論

本文以含裂紋缺陷的合金鋼平板為研究對象，引入了超聲紅外熱像技術，探索了超聲激勵下裂紋生熱特性以及裂紋生熱的參數影響，得到的主要結論如下：

（1）生熱特性分析表明：裂紋區域生熱明顯高于其他區域，由此可以識別出裂紋缺陷，說明了超聲紅外熱像技術對于金屬裂紋缺陷檢測的有效性。

（2）激勵參數影響分析表明：隨著激勵時間的增加，裂紋區域溫升呈現出逐漸增大，但增長率逐漸降低的趨勢，而隨激勵強度呈現出逐漸增大的趨勢。

（3）耦合材料對裂紋生熱影響差異很大，名片的耦合效果遠遠好于其他三種材料，而皮革的耦合效果最不好，慎重選擇耦合材料可以有效促進裂紋生熱效果。

雖然本文在參數影響方面取得了一些成果，然而，對于多種因素的共同影響、交叉影響以及建立缺陷生熱與多種影響因素之間的定量關系等方面仍需進一步探索。

參考文獻：

[1]L.D.Favro，Xiaoyan Han.Infrared imaging of defects heated by a sonic pulse[J].Review Of Scientific Instrumments，2000（06）：2418-2421.

[2]Xiaoyan Han， Rui Yu.Studying the effect of coupling materials in sonic IR imaging[C].Masayoshi Tomizuka.Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical，and Aerospace Systems 2007.San Diego，CA，USA：SPIE，2007.

[3]鄭凱，鄭江.超聲源的位置對激發裂紋熱成像的影響[J].無損檢測，2009，31（12）：946-949.

[4]馮輔周，張超省，張麗霞等.超聲激勵條件下微裂紋生熱的有限元分析及試驗研究[J].裝甲兵工程學院學報，2011，25（05）：79-83.

[5]RENSHAW J，CHEN J，HOLLAND S，et al.The sources of heat generation in vibrothermography [J].NDT&E; International， 2011（44）：736-739.

[6]金國鋒，張煒，楊正偉等.基于超聲熱波方法的鋁合金應力腐蝕裂紋檢測與識別[J].科學技術與工程，2013，13（07）：1900-1904.

作者簡介：劉繼英（1989-）女，山東單縣人，本科，專利審查員，研究方向：光電領域發明專利。