紅外熱波無損檢測技術應用與進展

李曉麗，金萬平，張存林，沈京玲

（1.北京理工大學光電學院，北京 100081；2.北京維泰凱信新技術有限公司，北京 100085；3.首都師范大學太赫茲光電子學教育部重點實驗室，北京 100048）

紅外熱波無損檢測技術由于其非接觸、檢測速度快、受曲率影響小，適用于大部分材料，特別是復合材料的檢測，故成為一項非常有發(fā)展前景的無損檢測新技術。但由于前期缺乏國產(chǎn)設備，而進口設備昂貴，加上缺少應用標準，紅外熱波技術的推廣應用受到了一定的限制，用戶基本都在航空、航天等高端領域［1－2］。近年來，隨著相關國家標準GB／T 26643－2011《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法導則》的發(fā)布，紅外無損檢測人員資質(zhì)培訓中心的成立，極大地推動了該技術應用的發(fā)展，解決了航空、航天以及風電、文物等領域內(nèi)一些常規(guī)無損檢測技術難以解決的問題，還涌現(xiàn)了大量新的應用需求。

1 應用案例

1.1 航空航天檢測應用

（1）一種含有微孔的多層金屬絲網(wǎng)復合材料分層缺陷的檢測。對于該結構的分層缺陷，經(jīng)生產(chǎn)和應用部門的反復調(diào)研，嘗試多種常規(guī)無損檢測，接觸類的檢測方法均不能滿足完全無污損的檢測要求，而射線對于分層缺陷的檢測靈敏度較低，因此常規(guī)的無損檢測方法均不適用于此復合材料檢測［3］。通過研發(fā)自主知識產(chǎn)權的抗反射工藝，紅外無損檢測法滿足了用戶對于檢測條件和分辨率的要求。如圖1所示為該復合材料半成品分層缺陷紅外檢測結果。

圖1 復合材料半成品分層缺陷正反兩面紅外成像圖

（2）復合材料基體的涂覆層檢測和測厚。涂層廣泛應用于航空航天等諸多領域，在工程技術領域中占有越來越重要的地位。涂層厚度、涂層內(nèi)部缺陷以及涂層與基體間粘接質(zhì)量［4－6］情況均能反應涂層涂覆質(zhì)量。渦流、超聲是常見的檢測方法，但均受到一定條件的限制，無法滿足大面積、非接觸等要求，特別是檢測復合材料基底的涂層件，更加困難。如圖2為紅外熱波檢測涂層材料熱圖結果。

圖2 某預制缺陷特種涂層粘接質(zhì)量熱成像圖及特種涂層厚度測量曲線

（3）碳碳材料、碳碳化硅材料紅外檢測。碳碳材料、碳碳化硅材料是航天產(chǎn)品中常用材料，但由于其制造工藝與結構的特殊性，常會出現(xiàn)密度不均等問題，常規(guī)的無損檢測方法受到檢測條件限制，無法滿足檢測要求，試驗證明紅外熱波無損檢測方法可以應用于解決某些制造缺陷的檢測問題［7－8］。如圖3所示，利用紅外熱波檢測可以發(fā)現(xiàn)局部密度不均。

圖3 碳碳材料密度均勻性檢測紅外熱成像圖

（4）蜂窩結構紅外檢測。蜂窩夾層結構復合材料是飛機制造中大量使用的材料，常見的缺陷有積水、積油缺陷。飛機機身蜂窩結構材料中存在少量凝結水通常是允許的，但當尾舵、機翼等關鍵部位的蜂窩材料中出現(xiàn)滲漏液壓油時，卻可能意味著嚴重的機械故障。當然，蜂窩結構中的大量積水也會增加結構重量，腐蝕蒙皮與蜂窩核之間的膠層，危及飛行安全。紅外無損檢測方法可以對蜂窩積水、積油識別，在積液量不多的情況下可以對積水量進行測算［9－11］。圖4 為蜂窩積水紅外熱成像圖及蜂窩積油、積水識別曲線。

圖4 蜂窩積水紅外熱成像圖與積油識別曲線

（5）超聲熱激勵紅外檢測。利用摩擦生熱的原理，用超聲作為紅外熱波檢測的激勵熱源，是國際紅外無損檢測領域的一個研究熱點［12－13］。這種方法對于裂紋，特別是閉合裂紋，檢測效果良好。如圖5所示，缺陷為一微孔，由于微孔尺寸過小，嘗試了很多方法均未檢出，超聲熱激勵紅外檢測的效果非常明顯。

圖5 某高壓金屬容器微孔超聲熱激勵紅外熱成像圖

超聲熱激勵紅外檢測還可以用于裂紋、腐蝕、分層等缺陷的檢測［14－15］，檢測結果如圖6所示。

圖6 超聲熱激勵紅外檢測應用示例

1.2 風力電機葉片

隨著風力發(fā)電機單臺功率的不斷提高，風電葉片的體積也越來越大，對于材料、工藝水平和質(zhì)量的可靠性要求也越來越高。國際上嘗試用于風電葉片的無損檢測方法有紅外、超聲、聲發(fā)射、射線等，這些方法目前均處于實驗室研究階段［16－21］，沒有成熟的檢測工藝、規(guī)程和標準。在國內(nèi)，大部分葉片廠是通過靜力試驗、外形檢測、目視、敲擊等方法來進行質(zhì)量控制［22－23］。首都師范大學、北京維泰凱信新技術有限公司紅外熱波聯(lián)合實驗室對該領域跟蹤多年，有一些初步的研究成果，如圖7所示。此外，“模具電加熱絲斷點紅外檢測方法和系統(tǒng)”正在申報發(fā)明專利；《風力發(fā)電機組 風輪葉片紅外熱像檢測指南》已作為國家標準項目正式立項，將于2016年完成；相關專用設備也正在研制中。

1.3 文物保護檢測應用

圖7 風電葉片常見缺陷紅外檢測結果

全國文物保護單位上千家，以故宮博物院為代表的文物單位館藏不計其數(shù)，但是目前文物的保護主要依賴人的經(jīng)驗，不僅存在可能的鑒定漏洞，同時無法滿足對文物鑒定、檢測、修復等工作的需求，迫切需要引入更多的現(xiàn)代科技手段［24］。圖8 所示為某巨幅壁畫檢測的初步結果，可為后期維護及修復提供有價值的信息。

圖8 巨幅壁畫熱紅外成像圖

2 紅外熱波無損檢測系統(tǒng)開發(fā)

目前，國內(nèi)自主研發(fā)的成套的紅外熱波無損檢測設備還較少，首都師范大學、北京維泰凱信新技術有限公司、北京航空材料研究院紅外熱波聯(lián)合實驗室致力于紅外研究十多年，有的專家甚至在紅外領域研究工作三十余年，對于主動式紅外檢測的激勵、控制、數(shù)據(jù)處理形成自己獨特的方法，積累了系統(tǒng)設計和研制的大量經(jīng)驗。圖9是自主研制紅外無損檢測系統(tǒng)及其檢測結果示例。

圖9 自主研制紅外無損檢測系統(tǒng)及檢測示例

設備選用了非制冷熱像儀，注重低成本化和便攜的特點，運用了自主知識產(chǎn)權的處理算法。經(jīng)過試驗分析，設備檢測結果達到了較為理想的狀態(tài)。集成化更高的二代機正在研制中。

3 紅外熱波檢測標準研制

自2003年以來首都師范大學、北京維泰凱信新技術有限公司、北京航空材料研究院紅外熱波聯(lián)合實驗室在紅外熱波無損檢測方面做了大量的工作，積累了豐富的經(jīng)驗。2008年7月，課題組提交了“閃光燈激勵紅外熱成像無損檢測方法”標準化公益項目申請，針對“閃光燈激勵紅外熱成像無損檢測方法”的設備要求、操作規(guī)程等一系列問題進行研究，建立標準體系。項目組最終申報了導則、檢測系統(tǒng)、試塊、檢測規(guī)范、應用等在內(nèi)的8項標準的研究。

國家標準化管理委員會分別在2009年和2012年下達了［2009］59號文和［2012］13號文，由北京維泰凱信公司、首都師范大學、北京航空材料研究院等單位牽頭起草導則、檢測系統(tǒng)、試塊、檢測規(guī)范四項標準。截止目前，1項已正式發(fā)布，其他3項已報批。此后，還將針對一些能體現(xiàn)紅外檢測特點與優(yōu)勢，且相對成熟的應用，比如蜂窩夾層結構、復合材料基體涂層等提出通用的技術條件和技術要求，并提供應用范例。除閃光燈激勵紅外檢測標準外，課題組也將在超聲激勵、電磁激勵、鎖相等技術方面開展工作。

4 資質(zhì)認證

根據(jù)《GB／T 9445／ISO 9712 無損檢測 人員資格鑒定與認證》要求，紅外熱成像檢測需要對檢測人員進行資格鑒定與認證，而認證實施的前提是有相應的國家標準、師資力量、培訓教材、標準試塊，考試題庫等。在準備過程，中國機械工業(yè)學會無損檢測學會給予了大力支持，最終在2012年建立了第一個紅外培訓中心，并于8月份成功舉辦了第一期紅外無損檢測資質(zhì)認證培訓。紅外無損檢測技術是第一個納入中國機械工業(yè)學會無損檢測資質(zhì)認證培訓的非常規(guī)技術，開創(chuàng)了無損檢測新技術資質(zhì)認證常規(guī)化的先河，具有里程碑意義。但由于紅外無損檢測作為一項新技術，使用人群相對較小，因此暫定2015年8月份舉辦第二期培訓，并自此隔年舉辦培訓班，使培訓工作常態(tài)化。

5 結論

近年來，國內(nèi)紅外無損檢測技術取得了長足的進步，在應用與推廣方面也取得了不少成績，特別是發(fā)布了閃光燈激勵紅外無損檢測系列國家標準，建立了首個紅外資質(zhì)認證培訓中心，開發(fā)了自主研發(fā)的設備，為紅外熱波技術在國內(nèi)推廣應用提供了初步條件。相信在未來十年，紅外無損檢測技術將會更好地發(fā)揮優(yōu)勢，與其他無損檢測方法形成互補，為制造業(yè)的發(fā)展提供強有力的支撐。

［1］王迅，金萬平，張存林，等.紅外熱波無損檢測技術及其進展［J］.無損檢測，2004，26（10）：497－501.

［2］梅林，張廣明，王裕文.紅外熱成像無損檢測技術及其應用現(xiàn)狀［J］.無損檢測，1999，21（10）：466－468.

［3］王皓，黃作勤，譚華玉，等.紅外熱波檢測技術在微孔絲網(wǎng)復合材料中的應用探討［J］.粉末冶金工業(yè)，2013（2）：49－54.

［4］李艷紅，趙躍進，張存林.碳纖維基體涂層質(zhì)量的紅外熱波檢測［J］.中國激光，2009，36（5）：1489－1492.

［5］B FRANKE，Y H SOHN，X CHEN，et al.Thermal wave imaging application in thermal barrier coatings［J］.Engineering and Science Proceedings，2005，26（3）：113－119.

［6］STEVEN M SHEPARD，YULIN HOU，JAMES R LHOTA.Thermographic measurement of thermal barrier coating thickness［C］.Proceedings of SPIE，［s.n］2005，5782：407－410.

［7］陳曦，張立同，梅輝，等.2DC／SiC復合材料氧化損傷的紅外熱波成像檢測［J］.復合材料學報，2011，28（5）：112－118.

［8］鄧曉東，成來飛，梅輝，等.C／SiC 復合材料的定量紅外熱波無損檢測［J］.復合材料學報，2009，26（5）：112－119.

［9］CHEN D P，ZENG Z，ZHANG C L，et al.Quantitative study of water ingress in pulsed thermgorpahy ［J］.Insight，2013，Accepted manuscript.SCIE（IF：0.513，2011）.

［10］CHEN D P，WU N M，ZHANG Z.Defect recognition in thermosonic imaging［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2012，25：657－662.SCIE（IF：0.406，2011）.

［11］陳大鵬.基于紅外熱波技術的蜂窩結構材料內(nèi)部滲入液體的識別與定量測量［D］.北京：北京航空航天大學，2013.

［12］丁友福，張小川，楊小林，等.熱超聲技術在裂紋檢測中的應用［J］.無損檢測，2006，28（12）：620－622.

［13］XIAOYAN HAN，V LOGGINS，ZHI ZENG.Mechanical model for the generation of acoustic chaosin sonic infrared imaging［J］.Appled Physics Letters，23AUGUST 2004，85（8）：1332－1334.

［14］CHEN D P，ZHANG C L，ZENG Z，et al.Active Infrared Thermal Imaging Technology to Detect the Corrosion Defects in Aircraft Cargo Door［C］.SPIE，［s.n］2009.

［15］丁友福.熱超聲無損檢測技術裝置改進及對飛機前起落架旋轉臂的實驗研究［D］.北京：首都師范大學，2007.

［16］MA DREWRY，GA GEORGIOU.A review of NDT techniques for wind turbines ［J］.Insight，2007，49（3）：137－140.

［17］PETER MEINLSCHMIDT，JOCHEN ADERHOLD.Thermographic Inspection of Rotor Blades［C］.Berlin：ECNDT，2006.

［18］ANNE JUENGERT.Inspection Techniques for Wind Turbine Blades using Ultrasound and Sound Waves［C］.France：Non－Destructive Testing in Civil Engineering，2009.

［19］ANNE JüNGERT.Damage Detection in Wind Turbine Blades using two Different Acoustic Techniques［C］.Stuttgart，The NDT Database ＆Journal（NDT），2008.

［20］E JASIūNIENé，RAI?UTIS，R ?LITERIS，et al.Ultrasonic NDT of wind turbine blades using contact pulse－echo immersion testing with moving water container ［J］.Ultragarsas（Ultrasound ），2008，63（3）：28－32.

［21］肖勁松，嚴天鵬.風力機葉片的紅外熱成像無損檢測的數(shù)值研究［J］.北京工業(yè)大學學報，2006，32（1）：48－52.

［22］毛火軍.風電葉片全尺寸檢測和結構分析［D］.北京：中國科學院工程熱物理研究所，2008.

［23］岳大皓，李曉麗，張浩軍，等.風電葉片紅外熱波無損檢測的實驗探究［J］.紅外技術，2011，33（10）：614－617.

［24］田興玲，周霄，高峰.無損檢測及分析技術在文物保護領域中的應用［J］.無損檢測，2008，30（3）：178－182.