單向碳纖維增強復合材料的鎖相渦流熱成像檢測盲區

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(西南交通大學 物理科學與技術學院 光電工程研究所與無損檢測研究中心，成都 610031)

單向碳纖維增強復合材料的鎖相渦流熱成像檢測盲區

郭建光，高曉蓉，郭建強，羅林

(西南交通大學 物理科學與技術學院 光電工程研究所與無損檢測研究中心，成都 610031)

以單向碳纖維復合材料為研究對象，使用鎖相渦流熱成像技術對試件加熱并記錄了紅外熱像圖，獲得具有較高信噪比的幅值和相位圖；對渦流加熱過程建立了有限元模型并進行了仿真分析。試驗結果表明：單向碳纖維復合材料會產生加熱盲區，渦流加熱存在非均勻性；仿真結果與試驗結果有較高的一致性，渦流向量中與碳纖維垂直的分量直接導致了渦流加熱的非均勻性。檢測盲區的發現，有助于指導碳纖維增強復合材料的渦流熱成像無損檢測。

鎖相熱成像；碳纖維增強復合材料；渦流加熱；有限元仿真；各向異性

碳纖維增強復合材料是高強度、低密度的專用材料,被廣泛應用于航空航天的關鍵部件中。隨著工藝改善和產能的提升，碳纖維增強復合材料(CFRP)開始在日常生活中逐漸普及，其從基礎材料到各類制品的制造都需要依賴特殊的焊接工藝。與金屬型材的焊接不同，碳纖維增強復合材料的焊接是使用渦流加熱的方法使碳纖維材料升溫，通過外加壓力使獨立的板材固化成整體的。通過在材料內部形成渦流來加熱復合材料，因此渦流加熱是否均勻，就成為影響焊接質量的另一個重要因素。經過研究，渦流加熱的效果與電場激勵頻率、材料屬性和結構都有關[1]，相關的加熱理論和試驗已經有所研究[2-3]。渦流熱成像又稱為感應熱成像，是一種使用感應電流來加熱被檢工件的主動熱成像方式，被廣泛地應用于金屬表面裂紋的無損檢測中[4]。同時，使用渦流熱成像技術研究碳纖維復合材料缺陷的工作已有開展[5-8]。筆者利用紅外相機和渦流加熱裝置對碳纖維增強復合材料試件進行鎖相熱成像檢測，記錄試驗過程中材料溫度的分布，再使用有限元仿真方法進行論證和研究。

1 鎖相渦流熱成像的原理

鎖相渦流熱成像包含兩個基本原理，一是渦流加熱原理，二是鎖相熱成像原理。渦流加熱方法常用于金屬材料的熱處理中，其基本原理是：將待加熱物體放置在感應線圈產生的交變磁場中，法拉第電磁感應定律的存在使得導體材料中產生了渦流，渦流的作用直接導致焦耳熱的產生，繼而實現加熱的目的。

鎖相熱成像的原理：使用紅外相機采集被檢物體產生的輻射熱，形成二維溫度云圖進行檢測。熱成像方法分為兩類，一類是被動熱成像，另一類是主動熱成像(見圖1)。被動熱成像實施過程不需要外部激勵，被廣泛用于物體溫度的動態監控；主動熱成像需要外部激勵，在工業領域主要用于無損檢測，熱量在檢測對象內部擴散的同時還會受到缺陷的阻擋，導致溫度分布不均勻，從而表征檢測對象的表面或表面以下的缺陷。

圖1 熱成像方法分類

主動熱成像有兩種外部激勵方式，一種是脈沖式，即單次瞬時加熱(見圖2)，物體溫度上升和下降的規律受到結構和材料完整性的影響，從而使得缺陷得以表征。

圖2 脈沖式加熱的溫度變化規律

另一種激勵方式是鎖相式，也是文中所使用的熱成像方法，即施加周期性強度變化的激勵。鎖相方法中使用低頻調制高頻交變電流信號原理示意如圖3所示。研究使用的鎖相渦流熱成像方式，就是將高頻激勵電流信號(見圖3左上)用低頻調制信號(見圖3右上)調制形成激勵信號(見圖3下)，使材料中的感應渦流也呈現周期性的幅值變化。

圖3 鎖相方法中使用低頻調制高頻交變電流信號原理示意

同時，紅外相機采集形成熱圖序列，假設熱圖數量為N。采集時相機與物體保持靜止，因此不同熱圖同一坐標位置上的像素對應的是相同的空間位置，鎖相處理過程示意如圖4所示。隨后對整個熱圖序列進行像素級快速傅里葉變換得到幅值和相位圖。

圖4 鎖相處理過程示意

采集到的每張熱圖里的每一個像素點，都是紅外相機感應器件所能采集到的最小溫度信號單元和進行鎖相處理的最小單元，溫度信號F(t)主要包括以下3個部分。

式中：Ds為由被檢材料輻射率波動和探測器非一致性影響的溫度變化信號；T(t)為材料被渦流加熱而導致的溫度變化信號；DR為材料被線圈輻射加熱而導致的溫度變化信號。

其中，只有T(t)分量是對熱圖成像和鎖相運算起積極作用的信號，其包含了渦流與材料相互作用的信息，而Ds和DR分量都是要在后期處理算法中極力消除的。在對N個熱圖的每個空間像素點進行快速傅里葉變換時，相同空間位置的N個像素點按時間順序組成序列，分別進行了正、余弦信號積分處理，獲得同相信號S0°和反相信號S-90°。

在F(t)分別與正余弦信號先相乘再疊加后，獲得的同、反相信號中DR分量被削弱，F(t)信號實現第一次濾波和信噪比提升。將其繪制在復平面中，可以求得同一空間位置像素點的幅值和相位，即由此獲得幅值和相位圖(見圖5)。

圖5 同相信號與反相信號繪制在復平面圖中獲得的幅值和相位示意

在求解每個像素點的相位φ時，同相和反相信號做除法，可消除Ds分量對信噪比的影響，F(t)信號質量得以進一步提升。進行傅里葉變換后，幅值圖反映了被檢測物體的溫度強度，而相位圖反映了熱量輻射到相機的時間延遲情況。由于既消除了DR分量又濾掉了Ds分量，因此相位圖比幅值圖的信噪比更強。在相同加熱功率的情況下，鎖相熱成像法通常比脈沖熱成像法具有更高的熱圖分辨率。也是基于這一優點，筆者選擇了鎖相渦流熱成像檢測方法。

2 檢測過程

2.1檢測平臺

試驗采用鎖相渦流熱成像檢測系統(見圖6)，該平臺搭建使用了惠普HP6116波形產生器、ENI Model 2100L功率放大器、加熱頭、非制冷銅感應線圈、Thermosensorik QWIP 384紅外相機及標配控制單元。試驗進行過程中，波形產生器提供可選頻率和波形的感應頻率，高頻電信號經過功率放大器后，可以獲得最高約200 W的加熱功率。為了保證處理后的圖像擁有較高的信噪比，145 幀·s-1的紅外相機每次采集的熱圖序列包含高達1 024張甚至2 048張圖像。采集過程結束后，控制單元運行鎖相算法獲得一張幅值圖和一張相位圖。由于采用鎖相方法，控制單元還需要保證渦流激勵過程與熱圖采集過程的同步。鎖相頻率即調制頻率，由于線圈不同，在0.4 ～36 Hz范圍內設定調制頻率。

圖6 鎖相渦流熱成像檢測系統示意

根據線圈、相機和被檢材料的相對關系，有透射和反射兩種加熱模式(見圖7)。紅外成像結果均以灰度圖表示，幅值圖中顏色越淺表示溫度越高，反之則越低。

圖7 兩種加熱模式示意

圖8 單向CFRP圓形板材外觀

2.2檢測對象

圖9 單向CFRP的纖維走向導致板材呈現各向異性示意

檢測對象是一塊單向CFRP圓形板材，直徑200 mm，厚1 mm(見圖8)，被長臂120 mm、短壁35 mm的矩形線圈加熱。值得注意的是，不同于金屬各方向均一的磁導率和電導率，CFRP的電磁學和熱學性能受到碳纖維走向的約束，呈現出各項異性的特點(見圖9)。順纖維方向的電導率和磁導率都遠大于正交方向。在碳纖維中形成的感應渦流及熱傳遞方向均會受此影響。試驗中每根碳纖維束寬約5 mm，由若干發絲狀纖維并行排列組成。

2.3檢測結果

單向碳纖維感應加熱幅值如圖10所示，試驗中觀察到異常的現象：在矩形線圈左下拐角處，順碳纖維走向方向上有一明顯的暗色條帶，表明此區域溫度較低，未被加熱或加熱效率差，與兩側被加熱的碳纖維呈現鮮明的對比，該區域稱為“加熱盲區”。

圖10 單向碳纖維感應加熱幅值圖

為了排除材料缺陷等因素對“加熱盲區”的成因造成的混淆，采取固定線圈將CFRP圓盤在同一平面內旋轉的方法，使纖維走向與線圈長臂之間的夾角按每10°為一個步長旋轉，重復若干次試驗，得出如圖11所示的結果。

圖11 旋轉角度試驗的紅外幅值圖

每個角度(指的是碳纖維走向與線圈長臂的銳角夾角)下的紅外幅值圖中，都出現了“加熱盲區”條紋，隨著圓盤的旋轉，這些線型條紋的角度也同步變化。在0°時，碳纖維走向與線圈長臂平行，此時可以觀察到上下對稱的兩條暗紋，暗紋平行且位于長臂附近。需要注意的是圖11中始終垂直于線圈長臂的亮線(標注在40°結果圖中)是試驗中的參考線，并不是CFRP檢測對象的一部分，僅用于作為旋轉角度的參考。

3 有限元仿真

對單層單向碳纖維復合材料(單向 CFRP)的渦流加熱情景進行了有限元仿真。將物理場劃分為大量的微小單元，通過求解每個單元的簡單解，去逼近無限未知量的真實系統。使用COMSOL Multiphysics 5.1 軟件對試驗過程進行了合理簡化(如將矩形線圈簡化為圓形線圈)，仿真結果與試驗結果有較高的一致性。

圖12 CFRP的三維感應加熱模型

CFRP的三維感應加熱模型如圖12所示(線圈半徑30 mm，與板材平行且懸于板材上方4 mm處)，需要建立的有限元模型共有3個域，分別是空氣立方體和位于其內部的線圈及單向CFRP板材。單向CFRP板材設計尺寸(長×寬×厚)為100 mm×100 mm×1 mm，感應線圈設計為直徑60 mm單匝圓環，懸于板材正中央上方4 mm處。

CFRP各向異性的特點可以通過配置材料屬性來實現。根據真實的碳纖維復合材料電、磁、熱及機械屬性參數進行模擬，單向CFRP的參數如表1所示。

表1 單向CFRP的參數

表格中，x，y，z方向的物理參數不盡相同，其中x方向為碳纖維的延伸方向，該方向的熱導率和電導率都比其他兩個方向的大，這表征了CFRP各向異性的特點，較為客觀地反映了單向CFRP材料的物理性質。模擬加熱時交變電場頻率為100 kHz。

3.1仿真結果與試驗結果的對比

仿真結果展示在圖13(a)的灰度圖中，顏色由亮到暗表示溫度由高到低，有上下兩條暗色帶，互相對稱且同樣順碳纖維走向分布。將矩形線圈替換成圓線圈，重復先前板材試驗，得到如圖13(b)，13(c)所示的幅值圖和相位圖。在相位圖中，可以比較清晰地看出試驗結果與仿真結果有較好的一致性，該試驗結果同樣印證了相位圖比幅值圖具有更優的噪聲抑制功能。

圖13 圓形線圈對單向CFRP渦流加熱的仿真溫度圖與試驗結果的對比

圖14 表面以下0.1 mm截面渦流密度分布

3.2從渦流角度分析盲區產生的原因

在仿真結果與試驗結果有較好一致性的基礎上，從渦流分布的角度分析出現盲區的原因。觀察板材表層以下0.1 mm處的x,y,z三個方向分量的渦流分布。表面以下0.1 mm截面渦流密度分布如圖14所示，從圖15的仿真結果來看，x方向分量的渦流密度范圍為1 000～2 000 A·m-3，y方向分量的渦流密度范圍為20～100 A·m-3，z方向分量的渦流密度范圍為20～40 A·m-3。渦流密度的y分量與纖維走向垂直，電導率極低，但y分量的渦流密度分布規律與加熱盲區的圖案十分契合，兩者都顯示出線圈上下兩側是順纖維方向的。

圖15 溫度分布與渦流密度y分量的對比

這一現象表明與纖維方向垂直的渦流分量是熱圖圖案形成的主要貢獻者，該方向上纖維電導率低，卻生成了較高的熱量，說明渦流產生的焦耳熱并沒有占據主體地位。在碳纖維復合材料的感應加熱過程中，除了焦耳熱(即電阻損耗)之外，還會產生電解質損耗，感應加熱的整體包括這兩部分。碳纖維復合材料的微觀電氣連接和電介質關系如圖16所示，碳纖維等效為電阻，相鄰碳纖維之間相互接觸的為直接電氣連接，其他非接觸位置之間充滿高分子塑料，因此可以等效為電容，電阻損耗和電介質損耗分別發生在碳纖維內和高分子塑料內。 該微觀模型由MOOK于1994年提出[9]，可以作為解釋纖維正交方向的渦流導致更強的熱量產生的參考。

圖16 碳纖維復合材料的微觀電氣連接和電介質關系示意

4 結語

通過試驗和仿真，發現并驗證了單向碳纖維復合材料渦流檢測存在加熱盲區的現象，這種“加熱盲區”在以往文獻中并沒有提及。由于“盲區”的形狀和發生位置十分規律，推測應是該處的渦流場產生了抵消，進而導致渦流體密度遠低于周圍的纖維束，導致無法加熱到相當的溫度而在幅值圖中呈現暗色，因此可以推斷這是加熱原理導致的“盲區”而非材料本身的缺陷。該盲區的發現，對于有預見性地規避加熱盲區、提升復合材料加熱及焊接工藝、指導CFRP的渦流熱成像檢測有重要意義。

致謝本研究的試驗和仿真過程是在德國弗朗霍夫無損檢測研究所進行的，感謝NETZELMANN博士給予的悉心指導，同時還要感謝我的國內導師高曉蓉教授對我研究工作的大力支持。

[1] YARLAGADDA S, KIM H J, GILLESPIE J W,et al. A study on the induction heating of conductive fiber reinforced composites[J]. Journal of Composite Materials,2002,36:401-421.

[2] MILLER A K, CHANG C, PAYNE A,et al. The nature of induction heating in graphite-fiber, polymer-matrix composite materials[J]. Sampe Journal,1990,26 (4):37-54.

[3] FINK B K, MCCULLOUGH R L, GILLESPIE J J. A local theory of heating in cross-ply carbon fiber thermoplastic composites by magnetic induction[J].Polymer Engineering and Science,2010,32(5):357-369.

[4] NETZELMANN U, WALLE G, LUGIN S,et al. Induction thermography: principle, applications and first steps towards standardization[C]//Quantitative Infrared Thermography Asia.[S.l.]:[s.n],2016.

[5] REN W, LIU J, TIAN G Y, et al. Quantitative non-destructive evaluation method for impact damage using eddy current pulsed thermography[J].Composites Part B Engineering,2013,54(1):169-179.

[6] CHENG L, TIAN G Y. Surface crack detection for carbon fiber reinforced plastic (CFRP) materials using pulsed eddy current thermography[J]. 2012,11(12):3261-3268.

[7] HE Y, TIAN G, PAN M, et al. Impact evaluation in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminates using eddy current pulsed thermography[J]. Composite Structures, 2014, 109(1):1-7.

[8] HE Y, TIAN G Y, PAN M, et al. Non-destructive testing of low-energy impact in CFRP laminates and interior defects in honeycomb sandwich using scanning pulsed eddy current[J]. Composites Part B Engineering, 2014, 59(3):196-203.

[9] LANGE R, MOOK G. Structural analysis of CFRP using eddy current methods[J]. NDT & E International, 1994, 27(5): 241-248.

OntheDeadZoneofEddyCurrentHeatingofLock-inThermographyforUnidirectionalCarbonFiberReinforcedPlastic

GUO Jianguang, GAO Xiaorong, GUO Jianqiang, LUO Lin

(Photoelectric Engineering Institute and Nondestructive Testing Research Center, School of Physical Science and Technology,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The unidirectional carbon fiber composite materials (UD CFRP) was taken as the research object and the lock-in eddy current thermography was utilized to heat the specimen, the high SNR of amplitude and phase diagram were calculated. Finite element model of the eddy current heating was established. Experimental results show that the UD CFRP will lead to dead zone of induction heating. Simulation and experimental results have a higher consistency and reveal that components of the eddy current vector which is perpendicular to direction of carbon fiber directly lead to non-uniformity of induction heating. This will also benefit NDT for CFRP avoiding inspection dead zone.

lock-in thermography; CFRP; eddy current heating;FEM simulation; anisotropy

2017-04-17

郭建光(1991-)，男，碩士，主要從事軌道車輛無損檢測設備和技術的研發工作

高曉蓉,gxrr@vip.163.com

10.11973/wsjc201711001

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0001-06