玻璃纖維復合材料分層缺陷的紅外熱波檢測

王 焰,張 煒,楊正偉,孟獻策

(1.第二炮兵工程學院,西安 710025;2.211廠,北京 100000)

玻璃纖維復合材料廣泛應用于火箭發動機、飛機等大型先進武器及民用設備中。由于其結構和工藝上的特殊性,在制造、加工和使用過程中,其內部容易產生諸如脫粘、分層、裂紋等缺陷,且在斷裂或損壞前幾乎沒有征兆,具有突然性,往往對結構造成致命威脅,成為安全隱患[1]。傳統的無損檢測手段如超聲、射線等無法對此類缺陷進行深入、快速、高效的檢測,如超聲波探傷對火箭發動機絕熱涂層、復合結構、復合材料及導彈發射筒內壁平行裂紋、脫焊等導彈武器系統中常見的重大問題均無法作出準確檢測[2]。

新型紅外熱波技術適用于金屬、非金屬材料的檢測,特別適用于復合材料的在線、在役檢測。具有速度快、觀測面積大、直觀、非接觸等傳統無損檢測所不能比擬的優點。

筆者通過紅外熱波系統對纖維復合材料的分層缺陷進行檢測試驗,并進行深入分析。

1 紅外熱成像檢測原理[2]

熱波檢測的理論基礎是熱傳導理論和熱輻射的普朗克定律。對試件進行主動加熱,利用被測材料內部熱學性質差異,熱傳導的不連續反映在物體表面溫度的差別上,即物體反映在物體表面溫度差別上,物體表面的局部區域產生溫度梯度,表面紅外輻射能力發生差異,再借助紅外熱像儀探測被測試件的輻射分布,反映到熱像圖序列就可推斷出內部缺陷情況[3]。

在脈沖熱流加熱條件下,對于厚度比較薄的無限大材料,可以把熱傳導方程簡化為一維模型,則其導熱微分方程(無內熱源)為：

式中α=k/ρc;k為熱導率;ρ為密度;c為比熱容。α值越大,通過物體的熱擴散越快。數學模型如圖1所示。

圖1 含缺陷材料一維傳熱計算模型

初始條件：Tt=0=T0

為材料表面外加一脈沖熱流密度。

缺陷與材料界面,滿足溫度連續條件：

能量守恒條件：

假定材料為無限厚,把脈沖熱流密度q看作δ的函數,則方程的解為：

故在材料表面x=0處,溫度場分布函數為：

在對有限厚度的介質利用鏡像法滿足邊界條件的情況下,得到表面溫度為：

式(5)減去式(4),就可以得到有缺陷與無缺陷處對應的表面溫度差隨時間的變化關系為：

對上式求導并且令其等于0,就可以得到出現最大溫差的時間為：

2 試驗

2.1 試驗設備

熱波檢測系統如圖2所示。其硬件系統主要包括一套高性能計算機、一臺高分辨率紅外熱像儀、熱激勵源、控制系統和電源等。其軟件主要包括快速檢查規范和判別程序、系統圖像處理軟件、系統數據庫及其管理系統等內容。

圖2 熱波檢測系統框圖

該系統使用脈沖閃光燈作為熱激勵源,其最大輸出功率為4.8kJ,紅外熱像儀型號為FLIRThermaCAMTMSC3000,采用320×240像元的焦平面探測器,工作波段8～9μm,溫度靈敏度在室溫下為0.02K,熱像儀鏡頭為40的廣角鏡頭,在固定檢測工作距離42cm時的檢測面積為24cm×32cm。

2.2 試件

所用試件由兩層玻璃纖維壓制而成,長251mm,寬251mm,厚 5mm,人工模擬圓形缺陷是夾在玻璃纖維層壓板中的聚四氟乙烯層壓片,用以模擬分層缺陷。試件的材料參數如表1所示。人工缺陷尺寸見表2。圖3是玻璃纖維試件實物照片,其中三個圓圈表示三個不同直徑和深度的預埋缺陷。

表1 材料的熱學參數

表2 缺陷具體參數

圖3 含分層缺陷的玻璃纖維殼體試件

2.3 試驗過程

試驗中采樣頻率設為60Hz,時間為40s。為提高閃光燈加熱效率和試件的紅外發射率,在試件表面涂上一層專用漆。在室溫下進行試驗。

首先進行熱像儀的溫度標定和設置,根據被測試件的熱傳導特性和多次試驗選定合適的實驗條件,然后脈沖閃光燈加熱試件表面,同時紅外熱像儀實時記錄表面溫度場,最后計算機軟件對實時圖像信號進行處理,在計算機上得到試件的紅外熱圖序列。

3 試驗結果與分析

3.1 紅外熱圖的分析

試件表面吸收光脈沖后,熱能沿溫度梯度方向在試件內傳導,當遇到缺陷時,由于聚四氟乙烯的熱導率比玻璃纖維低,熱波在這里反射較大,于是試件表面對應的部位溫度相對其他非缺陷部位較高,開始時溫度差不明顯,隨時間延長,溫度差將逐漸增大,熱斑逐漸顯示出來并逐漸擴大。在熱圖中呈現亮色的區域為溫度相對較高的區域,即為缺陷區域表面。圖4是原始熱波序列圖。

圖4 試件原始熱波序列圖

從圖中可以清晰地看出：①直徑最小的缺陷所對應的亮斑最先顯現,也最先消失,這是因為最小的缺陷距離表面最近;持續時間最長的亮斑為直徑最大的,這也說明直徑越大的缺陷越容易被檢測到。由此可以得出：缺陷深度越淺,直徑越大,越容易被檢測到。②該檢測過程是一個非穩態傳熱過程。從缺陷的依次顯現、范圍的擴大到消減、然后依次消失,這也正是熱量在試件傳導的過程,最終內部達到熱平衡,從而試件內部不再有溫度差,當然此時熱像儀也便無法分辨出缺陷區域。③右側兩個缺陷附近出現一個長方形的溫度異常區域,根據經驗可以判斷是由于制作試件過程中的工藝所造成的,由此說明熱波檢測技術不僅僅可以快速高效地檢測缺陷,還能夠對復合材料制造工藝進行評估和識別,這對于復合材料來說具有非常重要的意義。

3.2 紅外熱圖的處理

在計算機上得到試件的紅外熱像序列圖。由于脈沖加熱的不均勻、設備本身結構、功能特性以及外部環境影響等原因,使得熱圖具有低對比度、高背景以及高噪聲等特點,為此,需將熱圖像進行校正、濾波增強、分割等處理,以求得到試件的最佳數字圖,為后續的缺陷大小與深度等定量識別奠定基礎。

圖5依次為紅外熱圖原圖、基于銳化增強處理后的圖像、基于閾值分割后的圖像?？梢?經過一些處理過程后,對比度得到增強,且缺陷邊緣清晰,易于后續的定量識別。

圖5 紅外熱圖的圖像處理過程

3.3 缺陷深度和大小的計算

3.3.1 缺陷深度的計算

缺陷深度是指試件缺陷距表面的深度,其測量的基本原理有兩種：

(1)借助于之前的分析結論,即缺陷深度與最大溫差出現的時間tmax之間的關系式tmax=2h2/α,找出tmax便可求出缺陷深度;

(2)用缺陷參數已知的標準試件進行標定后,通過將待測試件的熱像圖時間序列與同種材料標準試件的熱像圖時間序列進行比較,得到待測缺陷的深度[4]。

筆者采用第(1)種方法來對缺陷深度進行計算,結果如表3所示。

表3 缺陷深度的識別

從計算結果可以看出：對于比較小、深度較淺的缺陷,計算結果誤差比較大,這主要是因為該公式由一維理論模型導出,模型中既沒有考慮缺陷的橫向分布,也沒有考慮熱流在缺陷內部的傳導。因此,利用該公式只能定性地判斷缺陷的深度,與定量研究缺陷還有一定的距離。

3.3.2 缺陷大小的計算

缺陷尺寸和位置的確定是缺陷定量識別的重要內容,處理方法比較多。筆者利用二值鏈碼技術,計算圖像的區域屬性,這些屬性包括測量指定圖像區域的面積、重心和周長等參數,如表4所示。圖6為紅外探傷缺陷長徑大小,在實際傳導過程中由于三維熱擴散的影響,測得的缺陷尺寸比缺陷的實際尺寸要大一些。

表4 紅外探傷原始圖像的缺陷參數

圖6 缺陷長徑大小

4 結論

針對玻璃纖維分層缺陷,對其進行了紅外熱波無損檢測,深入分析了整個試驗過程以及處理方法。結果表明：此技術能夠快速、高效、直觀地檢測出試件的分層缺陷,并能對缺陷的尺寸、深度等進行較為準確的定量識別,取得了較好的效果;同時為后期對發動機殼體、噴管進行紅外熱波檢測奠定了基礎。

[1]耿榮生.飛機復合材料粘結質量評價的新方法研究[J].無損檢測,2001,23(11)：461-464.

[2]楊正偉,張煒,田干,等.導彈發動機的熱波無損檢測[J].無損檢測,2009,31(1)：7-9.

[3]李艷紅,張存林,金萬平,等.碳纖維復合材料的紅外熱波無損檢測[J].激光與紅外,2005(4)：262-264.

[4]蔣淑芳,郭興旺,沈京玲,等.固體火箭發動機絕熱層脫粘的紅外熱波無損檢測[J].激光與紅外,2005,8(8)：584-586.