基于紅外無損檢測技術的蜂窩夾層缺陷檢測研究

摘" 要：該文針對金屬蒙皮蜂窩夾層結構釬焊缺陷研究紅外熱成像檢測方法的可行性。采用便攜式紅外熱成像檢測系統在蜂窩夾層結構人工缺陷對比試塊上進行檢測，分析不同采集時間、不同處理算法下得到的圖像質量，并采用超聲相控陣檢測方法進行結果驗證，結果表明，采用紅外無損檢測設備可以有效檢測出蜂窩板焊接不良缺陷。

關鍵詞：紅外無損檢測；蜂窩夾層結構；熱激勵；焊接；熱成像檢測方法

中圖分類號：TB302.5" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0048-05

Abstract： In this paper， the feasibility of infrared thermal imaging inspection method for brazing defects in metal-skinned honeycomb sandwich structures is studied. A portable infrared thermal imaging inspection system was used to detect artificial defect contrast test blocks of honeycomb sandwich structures. The image quality obtained under different acquisition times and different processing algorithms was analyzed， and the results were verified by ultrasonic phased array inspection method. The results show that bad welding defects of honeycomb plates can be effectively detected by using infrared nondestructive testing equipment.

Keywords： infrared non-destructive testing; honeycomb sandwich structure; thermal excitation; welding; thermal imaging testing method

紅外熱成像檢測[1-4]技術（IRNDT）是一種建立在傳熱學理論基礎上的無損檢測技術，是非接觸式檢測技術，對被測物體沒有任何影響，可以進行遠距離檢測，設備便攜、檢測結果直觀可靠、使用安全、檢測范圍廣，特別適用于金屬蒙皮蜂窩夾層結構釬焊現場檢測[5-7]。未釬合、脫焊缺陷[8-11]主要產生在蜂窩夾層區，蜂窩與梁、肋腹板釬焊區等區域。采用超聲波檢測存在異型表面耦合困難問題，且易劃傷制件表面。紅外熱成像檢測技術是非接觸檢測技術，對制件表面形狀要求不高，但因金屬蒙皮[11-14]熱傳導率大，表面光反射率高，影響紅外熱成像檢測靈敏度，本文主要采用人工缺陷對比試塊論證采用紅外熱成像檢測方法檢測此類金屬蒙皮蜂窩結構制件的可行性，可靠性。

1" 紅外無損檢測技術原理

1.1" 原理

紅外無損檢測技術采用主動式熱激勵技術，采用主動式熱激勵源對試件進行熱激勵，熱激勵結束后，熱波（變化的溫度場）開始向試件內部進行傳播，隨著熱波的傳遞，熱波逐漸傳播到缺陷位置，缺陷位置處的熱波產生反射，反射的熱波傳遞到試件表面，利用紅外熱像儀記錄試件表面的異常，從而可以實現對試件內部缺陷的檢測，通過采集試件表面的溫度異常信息檢測出試件內部的缺陷信息。紅外無損檢測技術主要是通過主動熱激勵技術打破試件原有的溫度平衡，通過熱波的傳播，動態的檢測出試件內部的缺陷信息。紅外無損檢測技術按照熱激勵源與紅外熱像儀的位置分為單面檢測和雙面檢測。當紅外熱像儀與熱激勵處于同一面時就是單面檢測，分別位于兩面時就是雙面檢測。在本研究中采用的是單面檢測法對蜂窩試件進行無損檢測。單面檢測與雙面檢測原理示意圖如圖1所示。

1.2" 圖像序列處理算法

紅外無損檢測的數據采集過程如圖2所示，首先采集圖像背景信息，再進行熱激勵，熱激勵完成后，開始采集紅外圖像序列。通過紅外熱像儀采集的原始熱圖序列顯示了近表面以及淺層的缺陷，但是原始圖像比較模糊，且缺陷周圍對比度不強，深層的缺陷特征不容易觀察到，通過對原始熱圖序列進行處理，得到一階導圖像，一階導圖像比原始圖像細節更多，圖像缺陷位置對比度更強。

由一維熱傳導模型可知，無缺陷區域表面溫度變化函數和有限厚度d處表面溫度變化函數分別為

式中：C=為施加在表面單位面積的熱量與單位體積存儲熱量的比值，a為熱擴散率，t為時間。

對上式取雙對數后求導，得到

對ln（t）求導數得到

從上式可以得到無缺陷和含缺陷的曲線圖，如圖3所示。無缺陷區域的雙對數曲線是一條斜率為-0.5的直線；缺陷區域雙對數曲線會在某一個時刻出現偏離，偏離的時刻與材料熱導率、缺陷深度有關，圖中可以看到深度2 mm和4 mm的缺陷偏離時刻不同；缺陷越深，偏離時刻越靠后，缺陷越淺，偏離時刻越靠前。

對雙對數曲線進行多項式擬合，即

曲線多項式擬合，系數n的選擇非常關鍵，n過小，容易無法擬合出曲線信息，n過大容易造成曲線尾部振蕩，通常系數n選擇為6。

再將擬合的數據進行重新計算，就可以得到重建數據，即

重建的數據比原始數據具有更好的濾波功能，對重建數據進行求一階導，可以獲得更加清晰的數據信息。

2" 試驗設備和蜂窩板試件

2.1" 試驗設備

采用ThermIR C320便攜式紅外無損檢測設備，紅外熱像儀分辨率為640×512，幀率為50 Hz，采用鹵素燈激勵，激勵功率為3 200 W。設備如圖4所示。

紅外熱圖像采集、熱激勵源、圖像顯示都需要軟件進行控制與處理，基于Windows操作系統開發，穩定可靠，系統采用自主開發軟件，界面清晰、簡單易用、觸屏控制、操作方便，利用該軟件對系統進行控制及圖像處理。軟件各個模塊見表1。軟件可以完成熱激勵能量、同步觸發、熱像儀采集時間、采集頻率、采集背景燈試驗條件控制及對紅外圖像的處理、分析等。

2.2 蜂窩板試件

制作了一個蜂窩板試件，蜂窩板尺寸為430 mm×220 mm×13 mm，如圖5所示，蜂窩板由上下2層金屬材料及中間蜂窩結構夾層組合而成，分為A面；另一表面為B面。蜂窩板試件內部做了6處焊接不良缺陷。

3" 檢測結果與分析

3.1" 紅外熱成像檢測結果

采用便攜式紅外無損檢測設備對蜂窩試件進行熱激勵，熱激勵時間為1 s，采集時間為5 s，采集頻率為50 Hz，共采集250幀數據，采集到的紅外圖像序列如圖6所示，圖像中間2個黑色圓斑是試件上面貼的標簽。熱激勵時間為1 s，蜂窩試件表面吸收能量后開始向內部傳播，第一幀圖像只能看到黑色標簽，看不到任何缺陷信息，但蜂窩金屬板下面的蜂窩狀結構清晰可見。隨著熱傳導的進行，熱波（變化的溫度場）逐漸向內部傳播，熱波傳播到缺陷位置后，反射回試件表面，從而能在試件表面看到內部的缺陷信息，0.5 s時可以看到2列共6個缺陷信息，1.8 s時第三列缺陷逐漸出現，到2.7 s時第三列缺陷更加清晰，4.7 s時6個缺陷信息都可以清晰看到。

采用上文所述的圖像序列處理算法對原始紅外圖像序列進行處理，分別對原始的紅外圖像序列每一個像素點進行雙對數曲線擬合操作，重建出原始數據圖像，再進行求一階導。從而實現一階導圖像，一階導圖像如圖7所示。從圖像中可以看出，一階導圖像比原始圖像更加清晰，圖像細節更加明顯。圖像中可以看到全部的6處缺陷信息，缺陷標注信息如圖8所示。

3.2" 相控陣超聲檢測結果

為了對比研究紅外無損檢測技術的檢測效果，采用相控陣超聲設備對蜂窩試件進行了檢測，相控陣超聲設備為多浦樂Novascan便攜式相控陣檢測儀。試驗中選用中高頻輪式探頭。探頭如圖9所示。

蜂窩板由上下2層金屬材料及中間蜂窩結構夾層組合而成。當焊接良好時，聲波正常穿過釬焊層，可直觀掃出下層蜂窩結構，當焊接不良時，釬焊層與蜂窩層存在間隙，聲波無法正常穿過，故蜂窩層結構異常，如圖10中的黑色圓圈區域，檢測結果如圖11所示，可以看到蜂窩試件的6處缺陷位置。

3.3" 對比分析

采用便攜式紅外無損檢測設備對蜂窩板試件進行檢測，發現蜂窩板6處焊接不良缺陷，為了進一步研究紅外無損檢測的效果，同時采用相控陣超聲設備對該蜂窩板進行了檢測，依然發現蜂窩板6處焊接不良缺陷位置，與紅外無損檢測結果一致，2種檢測方法都可以準確檢測出蜂窩板焊接不良缺陷信息。紅外無損檢測設備檢出的圖像相對比較模糊，主要是因為熱波是一種衰減波，從缺陷位置到試件表面，熱波已經進行了衰減，從圖像上看就是圖像變得模糊。另一方面，紅外無損檢測對于蜂窩試件的檢測速度快，采集時間為5 s，總共時間不超過10 s。

4" 結束語

蜂窩夾層結構可以有效降低試件的重量，但焊接不良會給蜂窩夾層結構帶來嚴重的影響，容易使得結構件服役壽命降低。為了保證蜂窩夾層結構的安全，將蜂窩結構焊接不良區域檢測出來，本文采用紅外無損檢測技術對蜂窩夾層的焊接不良試件進行了研究，制作了6處焊接不良的蜂窩板試件，采用便攜式紅外無損檢測設備對蜂窩板試件進行檢測，成功檢測出6處焊接不良區域，同時采用相控陣超聲對蜂窩板進行了復檢，同樣是檢測出6處焊接不良區域。試驗結果表明，采用紅外無損檢測設備可以有效檢測出蜂窩板焊接不良缺陷。

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