線激光掃描的碳纖維復合材料表面損傷研究

汪 權,張志杰,陳昊澤,尹武良,2

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西 太原 038507；2.曼徹斯特大學電氣與電子工程學院,英國 曼徹斯特 M139PL)

1 引 言

近年來科技的巨大進步,讓高性能的碳纖維增強復合材料(CFRP)在多種領域得到廣泛的應用,例如航空航天、車輛船舶等領域。實際應用中,碳纖維工作環境的原因,加大了存在損傷的可能性。若材料損傷未被及時發現,它可能將導致零部件無法正常工作[1-4]。因此,需要在生產和維護階段,通過使用多種的檢查辦法,評估原材料和部件的安全性和可靠性。

無損檢測技術發展至今,已經在材料評估方面得到了世界的認可,傳統的無損檢測與評價手段大致分為:視力檢查、超聲、射線、渦流、磁粉、滲透和紅外評估等幾大類[5-7]。紅外評估分為主動與被動兩種。其中被動利用自身熱屬性進行檢測,而主動熱成像需要外部熱源進行加熱試件。主動紅外熱成像技術有很大潛力在航空發動機和汽車結構的檢測和在有效評估方面滿足要求,尤其是在安全規則嚴格的領域等。紅外熱成像(IRT)技術利用外部可控熱源(如激光器)改變物體表面溫度分布,在固體內部形成熱流傳導,從而通過溫度場之間的差異分布辨別無損區域與損傷區域,損傷的光學輻射測量是依據損傷區域擾動導致附近熱流不規則的原理[8-13]。

Yang Bo等人實驗了超聲熱成像對航空航天CFRP的缺陷進行了檢測與評價,可以對淺層和微小的閉合缺陷進行檢測,對不閉合缺陷進行補償[14]。Liu Junyan等進行有限元法對瞬態脈沖熱成像和鎖定熱成像技術實驗研究,分析了關于缺陷位置的信息,可以檢測到直徑3.0 mm尺寸2 mm埋深的損傷[15]。Sarah Ekanayake使用鎖定熱成像對碳纖維缺陷深度進行了測定,使用的方法能夠在寬范圍的厚度和盲孔孔直徑上進行精確的深度測定,偏差小于0.5 mm[16]。Wu Shichun利用鹵素光學引用脈沖壓縮熱成像對纖維試件進行檢測,可以有效地抑制噪聲,提高熱對比度,為CFRP材料中的更深缺陷檢測提供益處[17]。J.Tashan用紅外線熱成像檢測FRP系統強化混凝土裂縫,能夠非常充分地檢測裂縫的位置和寬度,外部加熱和間隔脈沖的位置對裂紋檢測具有相當大的影響[18]。

這些研究者大多是從熱圖像角度進行圖像處理,通過各種算法從而達到損傷檢測的目的。本文從熱圖像和溫度兩個方面相結合進行復合材料損傷探究,提出了可調控激光器對碳纖維增強復合材料進行連續脈沖激光線掃描的熱傳導分析,并聯合使用C平臺進行數值計算編程的思想,以確定被測樣品中含有的未知損傷的可檢測性及其他物理信息。

2 基本原理

為對碳纖維增強復合材料進行熱觀察,了解在外部熱源主動加熱情況下,由損傷帶來的熱響應。設計了CFRP的脈沖損傷檢測實驗流程框圖,如圖1所示。

圖1 CFRP的脈沖紅外損傷探測實驗設計流程框圖

脈沖激光熱實驗原理如圖2所示,對特定的復合材料施加一束高強度、能量集中的連續激光線脈沖熱激勵q(t),使得被測物因表面熱量改變從而在內部形成三維熱流傳導過程,同時利用控制移動平臺按照指定的移動速度或路線進行二維空間平面改變。因被測物中損傷部分和無損區域的物理性質(如熱導率)的不同,而造成表面溫度場的異常分布,對應的紅外輻射強度也就不同[12,19]。溫度場隨時間的變化通過紅外熱像儀記錄保存,獲得被測物表面溫度場的熱序列圖像數據,并通過選擇合適的計算算法對圖像序列和溫度曲線進行理論分析,因此就可以得到材料損傷的相關信息。

圖2 脈沖紅外熱實驗原理圖

假定材料是無限大的薄板情況(材料尺寸相對損傷的大小而言),材料表面的溫度分布就是三維熱傳導方程的求解,根據熱方程可得[11]:

(1)

(2)

(3)

式中,a是碳纖維板的熱擴散系數；v是相對速率(材料試件相對運動速度)；x是材料板某時刻空間幾何中的某點的x軸坐標,與v相關；k為玻爾茲曼恒量；t是激光運動時間；T0為材料表面的初始溫度值(T0=25)；r1是空間位置的距離,坐標的平方和根；qin為熱注入量常數,是單位面積上施加的熱量,根據激光能量公式(2)可知,選取激光功率p=13 W;em為材料的熱輻射率,碳纖維導熱性較差輻射率較高設置為0.95；R為激光光斑的直徑(R=13 mm),經過r2的轉換改變成線激光屬性長度接近45 mm;其中b、c與選取的透鏡參數有關。

由傳熱學理論可知,當需要考慮材料的各向異性時,固體材料的溫度分布T(x,y,z,τ)應該滿足以下熱傳導偏微分方程[15]:

(4)

其中,ρ(x,y,z)是材料的密度;cp(x,y,z)是比熱容;kd(x,y,z)是熱導率(d=xx,yy,zz)。

若要對材料的損傷進行識別可視化研究,需要對其本身特性進行實驗觀察。特性基本包括溫度的差值、缺陷的位置、大小和埋藏的深度等,以及這些特征之間關系。這些因素都包含在熱傳導的圖像中,需要將這些混合信息進行分析整理,因此溫度觀察和圖像處理都是非常有必要的。

3 實驗內容

3.1 試件制備

碳晶體由工藝形成帶狀結構,這種帶狀結構大量堆砌形成碳纖維束,根據領域的需要編織成不同的結構。這些碳纖維具有各向異性的材料屬性,就熱傳導而言,與垂直纖維軸方向的熱導率相比沿著軸向的熱導率要高得多。本研究中采用的碳纖維外觀參數模型如圖3,單向層合板鋪層方式,外觀尺寸為238 mm×167 mm×2.4 mm。它主要應用場景是航空發動機的承力結構部件,損傷采用人工削底的方式模擬實際制造過程中可能出現的各種常規瑕疵,如在表面加工不同尺寸、不同深度的圓盤狀損傷(Φ3和Φ5 mm)和拉伸斷裂方向不同的損傷(1×10 mm)。人工模擬的損傷厚度以0.5 mm的深度為變化基礎,從0.5 mm等間距逐漸加深到2 mm。纖維的熱各向異性由材料在X、Y、Z軸方向的導熱系數決定。

3.2 實驗系統設計

為更好了解激光線掃描碳纖維增強復合材料表面的溫度變化,進行了CFRP試件的脈沖激光紅外熱實驗。激光紅外連續脈沖實驗按照原理圖2所示。激勵采用可調控的激光發生器(Raycus RFL-A500D),將均勻分布的同心圓斑點激光(直徑6 mm)經過光學系統幾何變換,轉換成尺寸有限的線激光面熱源(如圖4所示),長度為45 mm的線激光。利用移動控制臺改變待測樣品的空間位置,對試件表面進行連續脈沖掃描加熱,同時紅外熱像儀對試件表面溫度進行同步采集,獲得系列時間熱序列圖,最后由計算機分析熱圖像和溫度曲線數據,實驗設計流程框圖如圖1所示。

根據公式(1)～(3)和材料不損傷溫度界限的計算,實驗中采用13～15 W的激光功率,加熱溫度控制在80 ℃左右,實驗中試件表面沒有明顯的燒灼痕跡,表明激光作為熱源沒有對其熱特性進行明顯的改變。在保證紅外熱像儀儀器精度的情況下,實驗數據誤差來自于實驗室周邊環境的干擾,比如運行中的儀器和環境溫度的不穩定性等,因此應盡量避免這些問題。紅外熱像儀鏡頭應該與被檢測試件的表面垂直或減少兩者之間的夾角,確保獲得更加精確的熱圖像以便于后續的損傷探究。激光器可外接信號發生器產生任意波形的高斯脈沖激光。

圖4 試樣表面的線激光溫度圖

4 分析與討論

本節將從圖像處理和溫度分析兩個方面入手,考察其可檢測性和溫度與損傷形狀的關系。試件在一定功率且能量集中的熱激勵下,按照運行軌跡進行連續掃描,獲得表面各個時刻熱圖像,其中包含了不同尺寸損傷的位置及其他信息。

為充分考慮能夠檢測到損傷的信息,根據目標要求進行圖像分析處理。分析發現,選取試件降溫階段易于觀察,利用溫差來體現損傷帶來的熱擾動。處理過程中發現關心的目標與整個圖像相比,相對較小。因此事先采用基于邊緣和亮度的辦法進行了感興趣區域的初步提取,縮小了處理范圍和增加了處理的精度。經過自身屬性的頻域變換分析,可以發現存在類似于水平條紋狀的周期性的系統噪聲如圖5(a)所示,使用濾波陷波的方法,頻率濾除系統性噪聲，如圖5(b)所示。此方法可以有效地降低系統噪聲等帶來的影響,從而改善了圖像的質量。

盡管通過一定手段復原了儀器本身帶來的誤差影響,但是檢測目標的可分辨率依然很低,這給檢測的準確性帶來了很大挑戰。為提高損傷的可識別率,執行了微弱信號的增強處理,即像素操作的增強技術。圖像增強的方法是通過一定技術手段對原熱序列圖像附加一些信息或變換數據,有選擇性地突出圖像中感興趣的特征或者抑制(掩蓋)圖像中某些不需要的特征。這可能會是一個失真的操作過程,擴大圖像中不同物體特征之間的差別。經過像素點的伽馬變換等系列圖像操作,讓損傷的微弱信號得到了有效的增強,同時提高了對比度。如圖6微弱信號的增強結果圖顯示那樣,增強了損傷的可視性,讓檢測的可能性極大地得到了提升。選取合適的閾值分割方法,得到目標分割圖像,再采用邊緣檢測等常規圖像處理辦法,可以實現對損傷的外形進行量化表達。圖7所示為損傷檢測,顯示的是模擬外力拉伸造成的斜向斷裂,可以明顯地看出外形表示具有一定的準確度,也能表明位置信息。對于非人工干預存在的損傷,只要周邊像素差異足夠,此方法對其檢測也具有一定的準確性。

脈沖激光熱成像實驗的結果表明,連續脈沖線激光熱激勵能檢測出埋深0.5 mm寬度1 mm的裂紋損傷信息。根據實驗情況圖8不同埋深的同類損傷灰度圖可以看出,損傷表面溫度輪廓較為微弱且模糊,隨著半徑尺寸的加大或者埋深的加深,情況會得到逐漸的改善,損傷物理特征逐漸明顯。還發現掃描方向與損傷的夾角不同,物理特征的清晰度也有所不同。實驗結果中根據運動速度和熱圖像可以實現對損傷區域的可檢測性研究,完成后續的碳纖維材料試樣的損傷定位與定量化探究。

復合材料損傷熱檢測的另一評估依據,也是更具有物理意義的檢測參量是時間-溫度曲線圖。數字圖像處理和溫度變化圖是損傷檢測中的重要手段,各自在不同方向共同闡述了材料損傷的特征信息。它們包含了眾多物理信息,如損傷大小、熱損失數值及損傷深度等。

為進一步研究碳纖維的表面溫度隨時間的變化趨勢,以直徑為Φ3 mm的圓盤狀缺陷為研究對象。選取激光線與損傷相對位置一致的熱圖像,得到同尺寸下不同深度的損傷診斷。圖9展示了不同深度的圓盤狀缺陷在同一次線激光掃描中的紅外圖像,人為選取圖像中一條貫穿溫度異常區域的直線作為參考。獲得溫度變化曲線圖9,根據損傷擾動帶來不規則溫度場的原則,選取曲線上異常趨勢的均值作為平均溫度。由溫度曲線數據可以看出線激光掃描時,材料完好處溫度曲線平滑下降,若和表面損傷相遇,材料表面溫度會出現異常,那是因為空氣的傳熱系數相對較低,導致此區域溫度會比周遭溫度相對較低一些(空氣的保溫能力較強),在熱圖譜中表現為等溫區域中出現不同的顏色。同時發現在損傷加熱時間一定時(運動速度決定),相同尺寸的圓盤埋深越深,損傷的中心溫度就會越低,因為固定功率的熱源加熱試件,在相同時間內損傷區域含有的氣體體積越大,溫升會越小。

進一步考察不同直徑帶來的影響,選取同次實驗中的2種不同直徑圓盤損傷進行對比。圖10中繪制了不同直徑圓盤損傷的域溫度曲線,不難看出開孔深度與損傷中心溫度成反向關系。同時直徑越大,中心溫度越高。表明在相同的掃描速度下,損傷區域的溫升與尺寸和埋深都有關系。不同方向的損傷因為與激光運行軌跡呈現一定角度,所以本文未分析。在熱像中線激光掃描方向也會影響損傷的檢測率。若精度足夠,理論上來說可以捕捉到完整的瞬變過程。未分析的損傷中,發現與掃描方向垂直的損傷在熱圖像照片呈現小段不同顏色溫度,在分析中易于忽略。非垂直方向的損傷,在熱像中經過系列操作可以發現。

圖10 不同尺寸損傷的平均溫度對比

本文在碳纖維增強復合材料損傷檢測中,使用的激光線在單位時間內掃描的面積遠遠大于激光斑點運動的面積,效率比近似為4倍,這大大提高了檢測效率。對于非人工干預的損傷而言依據實驗結果來看,只要寬度達到1 mm就能檢測到,也能實現位置定位。線激光的速度可控,在固定時間中類似于定點加熱,使得損傷發生異常變動更加明顯。同時激光能量集中可以相對遠距離測量,克服了加熱距離對傳統IRT法的影響,同時采用相對較低的功率不會對結構特性造成影響。紅外實踐結果發現不同的掃描方式,可以對不同尺寸、不同埋深及拉伸斷裂方向不同的規則損傷都能進行有效檢測。微弱信號的圖像增強處理,與材料表面的溫度曲線變化損傷分析判斷,二者相結合提供了補充結果,極大地提高了材料損傷的可檢測性。

5 結 論

本文提出了一種基于可控的線激光熱激勵源的碳纖維增強復合材料表面損傷檢測方法,基本做到了損傷區域的可檢測性。對承力結構的單向層CFRP表面損傷進行激光線掃描實驗,在二維平面中實現試樣指定方式移動,本方法可檢測不同尺寸、深度及不同方向的拉伸造成的表面沖擊損傷,圖像的處理與溫度曲線的結合能夠較好地表現出損傷的可檢測性。通過熱實驗的圖像結果分析,發現連續激光對尺寸較大或深度較深的損傷敏感度更高,對較小尺寸和埋深的損傷反應信號微弱,導致與圖像背景的對比度低,損傷可檢測性降低。而分析材料表面溫度曲線變化結果,發現尺寸、深度和開口方向都對溫度曲線其有較大影響。圖像處理難以識別的損傷,通過溫度曲線變化能夠辨別出,溫度曲線分析提供了補充結果。未來的工作將結合這些方法,進行不同厚度的碳纖維材料缺陷深度分析,實行大面積的定位分析,對復合材料的精測精度做進一步研究。嘗試不同脈寬掃描檢測對表面和亞表面損傷檢測的影響。