基于紅外熱波無損檢測的纖維金屬層板缺陷檢測研究

邱 花

（西安航空職業技術學院航空材料工程學院）

20 世紀80 年代， 紅外熱波無損檢測技術得到了快速發展， 主要用于探測裝置的研發；20 世紀90 年代，該技術已逐步應用于航空航天、電氣工程及國防等領域。 近年來，學者們也對此項技術進行了大量研究，Legrand A C 等在紅外熱波無損檢測激勵技術上取得較大突破，研制出可有效濾除噪聲的裝置，并對該裝置進行了評估和優化［1］；Meola C 等發現，在焊接構件的過程中，紅外熱波無損檢測發射頻率參數對檢測結果存在一定的影響［2］；Maierhofer C 等運用紅外熱波無損檢測技術， 實現復合材料拉伸后的缺陷檢測［3］；Berthe J 和Ragonet M 實現對碳/環氧樹脂指壓板中間裂紋的檢測［4］；楊小林等使用高能閃光燈作為熱激勵源，實現對戰機垂尾翼尖玻璃纖維層面的缺陷檢測［5］；劉慧搭建了超聲紅外鎖相熱像檢測系統，實現對缺陷試件表面裂紋的檢測并進行系統評估［6］；卜遲武和唐慶菊在紅外熱波無損檢測的理論基礎之上，建立有限元模型，發現試件表面溫度會隨著裂紋的出現而改變［7～9］；Montinaro N 等將激光作為激勵源，成功檢測出層板內部的人造缺陷區域［10］。 在此，筆者在紅外熱波無損檢測的理論基礎之上，自主搭建紅外熱波無損檢測系統，制備纖維金屬層板試件并對表面進行特殊處理，通過檢測分析缺陷幾何尺寸和實驗條件對檢測結果的影響，得到最適宜的缺陷檢測條件。

1 紅外熱波無損檢測系統

紅外熱波無損檢測系統（圖1）主要由熱激勵系統、成像系統、數據處理與分析系統3 部分組成。 其工作原理是通過激勵樣本表面的溫度熱流， 使得熱流在樣本內部進行連續平穩的傳遞，如果樣本內部存在缺陷，則會使得缺陷周圍的熱傳遞過程發生改變，從而使得該區域的樣本表面溫度不均勻，同時紅外熱像儀就會將樣本表面的溫度信號轉換成可見信號，并對這些信號進行處理，通過研究缺陷部位與無缺陷部位的表面溫度差異，從而達到缺陷檢測的目的。

圖1 紅外熱波無損檢測系統

熱激勵系統是紅外熱波無損檢測系統實現的技術基礎， 由鹵素燈、 數據采集卡和調光器3部分組成。其中鹵素燈額定功率為1 000 W、額定電壓為230 V，具有穩定的輸出以及成本低、功率大等優點；數據采集卡型號為USB-6259，其傳輸速率為1.25 m/s， 具有16 差分的輸入通道、2 個計數器和4 條輸入輸出線路，可同時連接多個設備，具有安全可靠、工作穩定等特點；調光器額定功率為8 000 W，輸出電流為12 A，其主要作用是改變輸入光源熱激勵的電流有效值，從而改變輸出光熱強度，具有抗干擾性能強的特點。

成像系統通過光電設備將紅外光波信號轉換成人眼可見并直觀顯示的可見圖像。 本實驗中使用紅外熱像儀探測實驗物體表面的紅外光波輻射，從而建立輻射與物體表面溫度信號之間的關系。 實際測量時，將紅外熱像儀放置于升降臺上，使得被觀測對象和熱像儀鏡頭中心位于同一高度。與紅外熱像儀搭配使用的是ResearchIR 軟件，并作為此次實驗平臺的數據采集部分。

2 試件制備及實驗流程

金屬層選用6061-T4 鋁合金材料， 具有比剛度、比強度、柔韌性和抗疲勞強度高的特點；纖維層選用高強度、高剛度和高熱穩定性的復合材料S2 玻璃纖維。

首先在未成形的纖維金屬層板上制備出圓柱形的沉孔以模擬脫粘缺陷，并用高溫陶瓷對玻璃纖維缺陷處進行填充。 鋁合金厚度為0.5 mm，S2 玻璃纖維厚度為0.3 mm，試件為90 mm×70 mm×2.1 mm 的長方體，如圖2 所示，各缺陷具體尺寸見表1。由于試件表面反光嚴重，會影響數據的采集，所以將試件整體涂成黑色。

表1 缺陷尺寸mm

圖2 試件尺寸及缺陷位置分布

實驗在室溫條件下進行，其中實驗樣本與空氣發生了對流換熱現象。 按照器材的擺放、安裝樣本、連接線路、焦距的調節、設置參數、背景采集、表面數據采集、測試數據保存、缺陷鑒定及結束等步驟進行一系列實驗操作，以研究不同實驗條件對檢測結果的影響。

3 實驗結果分析

3.1 升/降溫階段對檢測結果的影響

實驗輸出功率1.8 kW、脈沖帶寬5 mm、采樣頻率30 Hz、 采樣時間30 s， 得到的樣本對比度（即樣本范圍內參數的標準差） 變化曲線如圖3所示。 由圖3 可以看出，隨著幀數的增加，缺陷與無缺陷樣品對比度均呈快速增加模式，當幀數為130 時，對比度達到峰值，隨著幀數的繼續增加對比度逐漸降低，當幀數為200 時，對比度數值變化趨于穩定。

圖3 樣本對比度變化曲線

圖4 為升溫階段和降溫（冷卻）階段下缺陷試件與無缺陷試件對比度差值變化曲線。由圖4a可以看出，升溫階段對比度差值隨溫度的升高而逐漸增大， 并且在100～150 幀范圍內達到最大值，因此在此范圍內進行缺陷檢測能夠得到較好的效果。 由圖4b 可以看出，冷卻階段初期對比度差值下降迅速，在700 幀以后差值處于平緩變化狀態，800 幀以后樣本處于熱平衡狀態，對比度差值幾乎為0， 此刻進行缺陷檢測無法達到較好的效果。 綜上，在升溫階段進行缺陷部位檢測，可以得到較好的檢測結果。

圖4 不同階段缺陷試件與無缺陷試件對比度差值變化曲線

3.2 熱源輸出功率對檢測結果的影響

實驗脈沖帶寬5 mm、采樣頻率30 Hz、采樣時間30 s，缺陷深度1.6 mm。 圖5 為不同缺陷直徑β 下熱源輸出功率對缺陷對比度峰值FCRP的影響。 由圖5 可以看出，當熱源輸出功率小于0.9 kW 時，缺陷直徑10、12 mm 的對比度峰值幾乎相同，實現了缺陷的初步識別，但對于內部特征無法實現準確的判斷。 當熱源輸出功率大于1.0 kW 時， 各缺陷幅值的對比度峰值有較大區別，缺陷特征容易辨識，說明此時缺陷檢測效果較好。 可見，若要得到較好的缺陷檢測結果，可以選擇輸出功率較高的光熱激勵源。

3.3 缺陷直徑對檢測結果的影響

輸出功率1.8 kW、脈沖帶寬5 mm、采樣時間30 s、采樣頻率30 Hz。通過紅外線的照射，得到缺陷區域的紅外熱圖如圖6 所示。 通過對缺陷區域的選取并計算對比度，得到缺陷直徑與FCRP 的關系曲線如圖7 所示。 從圖7 可以看出，FCRP 隨缺陷直徑的增加呈增大趨勢，當缺陷直徑為11 mm時，FCRP 達到最大值，之后缺陷直徑再增大FCRP呈回落趨勢，由此可知，缺陷直徑為11 mm，時，檢測效果最好。

圖6 缺陷區域的紅外熱圖

圖7 缺陷直徑與FCRP 的關系曲線

4 結束語

筆者依據紅外熱波無損檢測理論，自主搭建了檢測系統，通過制備纖維金屬層板試件，分析缺陷幾何參數和實驗條件對纖維金屬層板缺陷檢測結果的影響，根據實驗數據可以得出，在實驗升溫過程中調整輸出功率和缺陷直徑等參數，當輸出功率大于1.0 kW、 缺陷直徑為11 mm 時，缺陷檢測效果最佳， 實驗結果為相關樣品缺陷檢測提供了依據。