（光学专业论文）超声红外热波无损检测技术应用于裂纹检测的研究.pdf

首都师范入学硕士学位论文 摘要 超声红外热波无损检测技术是一种新型的无损检测技术，它利用超声能量激励试件。 试件内部裂纹、脱粘等缺陷区域吸收耦合超声能量后温度升高，用红外热像仪监测试件表 面温场变化就可得到缺陷信息。超声红外热波技术发挥超声与红外热波技术的优点。利用 超声红外热波技术来显示试件的缺陷或其他不均匀结构，具有可靠性强、灵敏度高、检测 速度快等优点。 超声红外热波技术中试件缺陷的激励效果起着举足轻重的作用，超声能量应该最充分 的耦合到缺陷当中去。这就要求试件与超声枪都要有很好的固定，另外超声枪与试件的接 触力的控制、超声波的振幅、超声波加热时间更是直接关系到实验结果的好坏。 本论文分析了超声红外热波无损检测技术超声发射器与被检试件之问的压力大小对 裂纹检测结果的影响，超声发射器与被检试件之间的接触时间即超声波加热时间对裂纹检 测结果的影响，超声波的振幅( 对应超声波能量) 对裂纹检测结果的影响，在实验中引入 可控可测力的装置，进一步控制实验条件，使实验逐步定量化。另外利用超声红外热波无 损检测技术对几种试件进行了检测，对实验数据进行分析，并利用m a t l a b 编程来提取 实验所得二进制数据并转化为矩阵。进行了减去背景帧，除去背景帧，动态a v i 显示等多 种处理，尝试并证实了超声红外热波技术对于裂纹的检测能力。 关键字：无损检测，红外热波，超声红外热波，裂纹 首都师范入学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v et e c h n i q u ei san e wm e t h o df o rc r a c kd e t e c t i o ni n w h i c has h o r tp u l s eo fu l t r a s o n i ci si n t r o d u c e dt om a t e r i a l st op r o d u c ef r i c t i o n a lh e a t i n ga t d e f e c t s i ti sd i f f i c u l tt ot e s tc r a c k si n t e r f a c i a lo rv e r t i c a lw i t hs t r u c t u r e ss u r f a c eb yt h e t r a d i t i o n a ln o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o d s u l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v en o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gt e c h n o l o g yu s e sh i g h - p o w e ra n dl o w f r e q u e n c yu l t r a s o n i ca sh e a ts o u r c et oe x c i t et h e s a m p l ea n d a ni n f r a r e dv i d e oc a m e r aa sd e t e c t o rt od e t e c tt h es u r f a c et e m p e r a t u r e t h eu l t r a s o n i c e m i t t e rl a u n c hp u l s e so fu l t r a s o n i ci n t ot h es k i no fs a m p l e ，w h i c hc a u s e st h ec r a c ki n t e r f a c e st o r u ba n dd i s s i p a t ee n e r g ya sh e a t ，a n dt h e nc a u s e dl o c a li n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ea to n eo ft h e s p e c i m e ns u r f a c e s t h ei n f r a r e dc a m e r ai m a g e st h er e t u r n i n gt h e r m a lw a v er e f l e c t i o n sf r o m s u b s u r f a c ec r a c k s ac o m p u t e rc o l l e c t sa n dp r o c e s s e st h e r m a li m a g e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n t p r o p e r t i e so fs a m p l e st og e ts a t i s f i e de f f e c t t h eu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v et e c h n i q u eh a s a d v a n t a g e so fu l t r a s o n i ca n di n f r a r e dt h e r m a lw a v et e c h n o l o g y i ti sp r o m i s e dt h a tu l t r a s o n i c i n f r a r e dt h e r m a lw a v em e t h o di sas e n s i t i v e ，f a s t ，w i d e - a r e a ，n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nt e c h n i q u e t h eu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v en o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o ni sf a s t ，s e n s i t i v ef o rc r a c k s ， e s p e c i a l l yc r a c k st h a tv e a i c a lw i t hs t r u c t u r e ss u r f a c e i ti ss i g n i f i c a n tf o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i nm a n u f a c t u r ep r o d u c ea n da p p l i c a t i o no f a v i a t i o n ，c o s m o g r a p h ya n do p t o e l e c t r o n i c s i na t t e m p t i n gt oi m p l e m e n ta ni n s p e c t i o nu s i n gu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v e ，t h e u l t r a s o n i ce n e r g ys h o u l db ec o u p l e dt ot h ed e f e c t sa se f f i c i e n t l ya sp o s s i b l e f o rt h i sp u r p o s e ，t h e s a m p l ea n dt h eu l t r a s o n i cd e v i c es h o u l db em o u n t e dr i g i d l y m o r e o v e r ，i ti si m p o r t a n tt oc o n t r o l t h ep r e s s u r eb e t w e e nt h es u r f a c eo ft h es a m p l ea n dt h eh o r nt i pt oi n s u r ee f f e c t i v ed e f e c t s e x c i t a t i o n t h ew o r ki nt h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ef o r c eb e t w e e ns a m p l ea n du l t r a s o n i c e m i t t e r , u l t r a s o n i cs w i n g ，a n du l t r a s o n i cp u l s ew i d t hi nu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v e n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，d e s i g nd e v i c e st oc o n t r o la n dm e a s u r et h ep r e s s u r eb e t w e e ns a m p l e a n dh o r nt i pw h i c hc o u l dm a k eu l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v et e c h n i q u eq u a n t i t a t i v e i n a d d i t i o n ，u l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v ei n s p e c t i o nh a sb e e nc a r r i e do nt oal a s e rw e l d i n g s t a i n l e s ss t e e lp l a t ea n dac a r b o nf i b e rj u n c t u r e ，a n dt h e ne x t r a c t i o na n dp r o c e s s i n go ft h er a w 首都师范人学硕士学位论文 d a t ao r er e a l i z e di nm a t l a b k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，u l t r a s o n i ci n f r a r e dt h e r m a lw a v e ，i n f r a r e dt h e r m a lw a v e ， c r a c k s i l l 首都师范大学硕士学位论文 图表目录 图1 1 基本超声检测方法( a ) 穿透法；( b ) 双探头反射法；( c ) 单探头反射法：( d ) 斜射声速接触 法；( e ) 液浸法3 图1 2 射线检测原理示意图4 图1 3 红外热波检测原理示意图6 图2 1 超声红外热波原理图l l 图2 3 超声激励系统t 4 图2 5 热像仪1 6 图2 6 数据处理与控制系统1 7 图3 1 激光烧蚀焊接不锈钢板。l8 图3 2 碳纤维三接头。1 9 图3 3 是否存在超声混沌的检测结果比较1 9 图3 _ 4 手持超声枪：。2 0 图3 5 立式超声枪一2 0 图3 - 6 超声红外热波无损检测设备图2l 图3 7 激光烧蚀焊接不锈钢板在不同压力下婀硷测结果2 2 图3 - 8 三接头在不同压力下的检测结果，2 3 阁3 - 9 激光烧蚀焊接不锈钢板在不同宽度的脉冲作用下的检测结果2 5 图3 1 0 碳纤维j t 接头在不同宽度的脉冲作用下的检测结果2 6 图3 1 l 激光烧蚀焊接不锈钢板在不同振幅的脉冲作用下的榆测结果2 7 图3 1 2 碳纤维三接头在不同振幅的脉冲作用下的检测结果2 8 图4 1 感兴趣区域的具体位置3 0 图4 2 感兴趣区域的红外辐射变化曲线3 1 图4 3 不同压力下裂纹f x 域与正常区域差值曲线3 2 图4 4 不同脉冲宽度f 裂纹区域与正常区域差值曲线3 3 图4 - 5 不同脉冲振幅f 裂纹区域与正常区域差值曲线3 3 图4 - 62 0 k w 激光烧蚀焊接检测结果3 4 图4 72 4 k w 激光烧蚀焊接检测结果3 5 图4 82 6 k w 激光烧蚀焊接检测结果3 5 图4 - 92 8 k w 激光烧蚀焊接检测结果3 5 图4 1 03 2 k w 激光烧蚀焊接检测结果3 6 图4 1l超声c 扫描激光烧蚀焊接金属板检测结果3 6 图4 1 2 碳纤维复合结构三接头实验结栗3 7 图4 1 3 陶瓷碟3 8 图4 ，1 4 陶瓷碟实验结果3 8 表1 1 五大常规无损检测技术与红外热波无损检测技术的区别7 表4 1 数据图像上某一帧数据分布图2 9 表4 - 2 不同压力下裂纹与正常区域数据差3 2 表4 3 不同脉冲宽度下裂纹与正常区域数据差。3 2 表4 4 不同脉冲振幅下裂纹与正常区域数据差。3 3 v 首都师范大学硕士学位论文 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：? 铭多蜒 硼日辨阴徊 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 馋雠 2 首都师范人学硕士学位论文 1 。1 无损检测技术概况 第一章绪论 所谓无损检测，是在不损伤材料和成品的条件下研究其内部和表面有无缺陷的手段。 也就是说，它利用材料内部结构的异常或缺陷的存在所引起的对热、声、光、电、磁等反 应的变化，评价结构异常和缺陷存在及其危害程度。 无损检测的目的一般包括：定量掌握缺陷与强度的关系，评价构件的允许负荷以及寿 命或剩余寿命：检测在制造过程中产生的结构不完整性及缺陷等情况，以便改善制造工艺。 它不仅涉及成品部件的试验评价也与设计、制造工艺直接相关【n 。 无损检侧技术已经历一个世纪，尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术 水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的工业技术水平。无损检测技术所能带来 的经济效益十分明显。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械产品 为5 ，国防、宇航、原子能产品为1 2 一1 8 ，火箭为2 0 。例如，德同奔驰公司 汽车几千个零件经过无损检测后，整车运行公里数提高了一倍，大大提高了产品在国际市 场的竞争能力；日本小汽车生产中3 0 零件采用无损检侧后质量迅速超过美国。德国科 学家认为，无损检测验技术是机械工业的网大支柱之一。美国前总统里根曾说广没有先进 的无损检测技术，美国就不可能享有在众多领域的领先地位。可见现代工业是建立在无损 检侧基础上的说法并不为过1 2 1 。 近些年来，无损检测技术得到了长足的发展，无损检测技术己由n d t ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t 无损检测) 经n d i ( n o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o n 无损试验) 发展到n d e ( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n 无损评估) 阶段，完成了由一般检测技术向高技术过度的历程。但需要指出的 是，没有任何单一的一种无损检测技术能识别所有的缺陷，实际中通常是以两种或两种以 上的不同方法相互补充【3 j 。 无损检测技术的基础是物质的各种物理性质或它们的组合以及与物质相互作用的物 理现象。迄今为止，包括在工业领域已获得实际应用的和已在实验室阶段获得成功的无损 检测方法已达五、六十种甚至更多，随着工业生产与科学技术的发展，还将会出现更多的 无损检测方法与种类。实际应用中比较常见的有以下几种： 常规无损检测方法有：超声检测u l t r a s o n i ct e s t i n g ( 缩写u t ) ；射线检测r a d i o g r a p h i c 首都师范人学硕士学化论文 t e s t i n g ( 缩写r t ) ；磁粉检测m a g n e t i cp a r t i c l et e s t i n g ( 缩写m t ) ；渗透检测p e n e t r a n t t e s t i n g ( 缩写p t ) ；涡流检测e d d yc u r r e n tt e s t i n g ( 缩写e t ) 。 非常规无损检测技术有：声发射a c o u s t i ce m i s s i o n ( 缩写a e ) ；泄漏检测l e a kt e s t i n g ( 缩写u t ) ； 光全息照相o p t i c a lh o l o g r a p h y ； 红外热成像i n f r a r e dt h e r m o g r a p h y ； 微 波检测m i c r o w a v et e s t i n g 。 1 i 1 五大常规检测4 】f 5 】网 ( 1 ) 超声检测 声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 h z - 2 k h z 。当声波的频率低于 1 6 h z 时就叫做次声波，高于2 k h z 则称为超声波。一般把频率在2 k h z 到2 5 m h z 范围的 一 声波叫做超声波。它是由机械振动源在弹性介质中激发的一利- 机械振动波，其实质是以应 力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质( 实际 上包括了几乎所有的气体、液体和固体) ，它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用 超声波在物体中的多利t 传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等 的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等，因此是应用最广泛 的一种重要的无损检测技术超声检测技术【7 1 。 利用超声波来进行无损检测始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 2 9 年，前苏联s o k o i o v 首先提出 了用超声波探查金属物体内部缺陷的建议。几年以后，在1 9 3 5 年，他又发表了用穿透法 进行试验的一些结果，并申请了关于材料中缺陷榆测的专利。根据s o k o l o v 的试验装置的 原理制成的第一种穿透法检测仪器，是在第二次大战后出现在市场上的。由于这种设备是 利用穿过物体的透射声能进行检测，因此需要把发射和接收超声枪置于试件相对两侧并始 终保持其对应关系，同时，对缺陷检测灵敏度也较低，使其应用范围受到极大的限制。不 久，这种仪器就被淘汰了。 超声检测技术得以广泛应用，应归功于脉冲回波式超声检测仪的出现。2 0 世纪4 0 年 代，美国的f i r e s t o n e 首次介绍了脉冲回波式超声检测仪，并申请了该仪器的专利。利用该 技术，超声波可从物体的一面发射并接收，且能够检测小缺陷，较准确地确定其位置及深 度，评定其尺寸。随后，由美国和英国开发出了a 型及冲回波式检测仪，并逐步用于锻钢 和厚钢板的探伤。2 0 世纪6 0 年代，超声检测仪在灵敏度、分辨力和放大器纯属等主要性 能上取得了突破性进展，焊缝探伤问题得到了很好的解决。脉冲回波技术至今仍是通用性 最好、使用最广泛的一种超声检测技术。在此基础上，超声检测发展为一个有效而可靠的 2 首都师范人学硕士学位论文 无损检测手段，并得到了广泛的工业应用。 随着工业生产对检测效率和检测性要求的不断提高，入们要求超声检测更加快速，缺 陷的显示更加直观，对缺陷的更加准确。因此，原有的以a 型显示手工操作为丰的检测方 式不再能够满足要求。2 0 世纪8 0 年代以来，对于规则的板、棒类等大批量生产的产品， 逐渐发展了自动检测系统，配备了自动报警、记录等装置，发展了b 型显示和c 型显示。 与此同时，对缺陷的定性定量评价的研究得到了较大的进展，利用超声波技术进行材料特 性评价也成为了重要的研究方向。随着电子技术和计算机技术的发展，超声检测设备不断 向小型化、智能化方向改进，形成了适应不同用途的多种超声检测仪器，并于2 0 世纪8 0 年代末出现了数字式超声仪器。目前，数式仪器已日益成熟，正逐渐取代模拟式仪器成为 主流产品【8 1 【1 1 1 。 基本超声检测方法如图1 1 基本超声检测方法纽) 穿透法；( b ) 双探头反射法；( c ) 单探头反射法；图1 1 所示。 唧 硷 国菡面 图卜l 基本超声检测方法( a ) 穿透法；( b ) 双探头反射法；( c ) 单探头反射法；( d ) 斜射声速接触法； ( e ) 液浸法 ( 2 ) 射线检测 射线检测是利用各种射线对材料的投射性能及不同材料对射线的吸收、衰减程度的不 同，使底片感光成黑度不同的图像来观察，它作为一种行之有效面又不可缺少的检测材料 ( 零件) 内部缺陷的手段为工业上许多部门所采用。 常用x 射线检测，当射线透过被检测物体时，有缺陷部分( 如气孔、非金属杂质等) 与 无缺陷部位对射线吸收能力不同，一般情况是透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位 的射线强度，因而可以通过检测透过被检测物体后的射线强度的差异，来判断被检测物体 中是否存在缺陷。如图1 - 2 所示 酋部帅范人学硕士学位论文 图l 2 射线检测原理示意图 ( 3 ) 磁粉检测 磁粉检测是可显示磁化材料表面和近表面不连续的一种无损检测方法，它适用于未加 工的原材料，如：钢胚、棒料和型材、制造期间的成形、机加工、热处理和电镀部件以及 在役部件的不连续检测；但不能用于无法磁化的材料，如：铝或铜。磁粉检测法的原理是： 在被磁化的被检件内的磁通，因不连续存在而局部畸变，从而导致磁场的某一部分从不连 续处泄出和重新进入被检件。这一现象称为泄漏磁通。泄漏磁通具有吸附微粒状磁性材料 的能力，因而形成了与不连续轮廓对应的指示。 磁粉检测目的之一是在适当工序中将不连续检出，剔除有不连续的材料而有效地避免 浪费。实际生产中，从原材料冶炼生产直到最终精密加工的每道丁序，均有可能产生不连 续。通过磁粉检测，便能将大部分不连续检出。 ( 4 ) 渗透检测 渗透检测，可以定义为用于检测和揭示工程材料表面不连续的一种物理一化学的无损 检方法。此法也能揭示液体可渗入的开口到试件表面的深层不连续。液体渗透探伤法的目 的是迅速、经济、并能高度可靠地检出裂纹、多孔性、折叠、缝隙及其它表面缺陷。缺陷 在检测表面上的长度，可精确地描绘出来，但此法不能确定开口于表面的不连续向下伸展 的深度。被评价作为缺陷的不连续，意味着它具有一定的严重程度，不论是尺寸、位置或 方向、将对部件预期的使用造成不安全性。 因为渗透检测利用的是物理和化学特性，而不是电或热现象。故可用在远离能源的场 合。检测设备可以简单到象一个液化气缺罐的小桶，也可以大到机械和自动化装置，然而， 在所有情况下，渗透检测成功与否取决于被检材料的表面清洁度、没有污染或表面开口不 连续附近的条件，以及检测操作人员观察力，确保合适的技术和检测指示的观察。部件制 4 首都师范大学硕士学位论文 造过程中的前期工序，可能会妨碍渗透法对某些类型的不连续检出，例如许多缝隙或锻造 折叠在热轧或穿芯锻造加工时就可能被闭合或拉长这样在开口内的金属的局部焊合或嵌 入热处理产物，会阻止渗透剂渗入。在这种情况下，诸如钢等铁磁性材料的磁粉检测通常 要比渗透检测好。 ( 5 ) 涡流检测 利用电磁感应原理，通过测定被检测工件内感生涡流的变化来无损的评定导电材料及 其工件的某些性能或发现缺陷的无损检测的方法即是涡流检测。涡流检测由于趋肤效应的 存在，因此只能发现导电材料表面和近表面的缺陷，由于其操作简单，不需要耦合剂和易 于实现高速、自动化检测等优点，因此在金属材料及其零部件尤其是管、棒和线材等型材 料的无损检测中应用最广。目前应用比较多的有多频涡流检测技术、深层涡流检测技术、 脉冲涡流检测技术以及远场涡流检测技术等。远场涡流检测技术是最近几年发展起来的涡 流检测新技术，它使用一个激励线圈和一个较小的接收线圈，两者同时置于被检管道中， 之间相距较远，致使接收线圈所接收到的磁场几乎完全是穿过管道后返回管内的磁场，从 接收到的磁场的幅度和相位的变化可以断定检测线圈所检测区域中的缺陷情况。 1 1 2 红外热波无损检测 红外技术，尤其是红外可视设备的发明，给我们展示了从另一视角看世界。我们不仅能 看到物体的颜色和形状，还能看到温度的变化，或者更准确地说是通过红外热像仪看到有效 的射线温度变化。随着红外探测技术和实用的先进电子技术的进步，红外热像仪在科学实验 和现代工业中发挥着重要作用，其普遍的应用有远程感应、夜视、非接触测量、常规热录 像仪无损测试以及最近发展的热波无损检测。 热波是时间变化的热源加热后介质内热传播和温度分布所形成的波。常规热像仪只反 映表面温度变化，而热波理论是从个全新且方便的视角描述了介质中温度的变化，不同于 常规热录像仪，热波无损检测用各种加热技术主动激励表面下缺陷和瑕疵。可控加热与试件 表面下热传导非均匀性的相互作用随温度变化与分布信号在试件表面显示出来。当试件被 周期或脉冲热源加热后，热波的传播方式由材料特性、几何边界形状和边界条件决定。大 多情况下局部的缺陷使得热非均匀传播，此处热波将会发生散射和反射等，改变了上述条 件，而此后的热波幅度和位相的测量将会给我们提供关于材料特性和热非均匀性方面有用 的信息。 s 首都师范人学硕士学位论文 许多常规热像仪无损测试技术都是以各种目前可得到的如x 射线，超声波、涡流和其 它各种光学方法的物理原理为基础，这些技术每种都有自己的适用范围。而热波既非电磁 波也无弹性，所以它给我们提供了其它方法不容易得到的信息。最近这些年，热波成像技 术已成功用于各种材料，如金属、陶瓷、聚合物、复合材料、薄膜、被覆及生物试件。许 多情况下，如一些复合材料的异类结构和复杂缺陷，常规方法不可能适用，而热波成像为 探测这些材料提供了可行方法。在很多情况下，由于热波成像的非接触性也为那些复杂试 件探测缺陷提供了可行的方法【1 2 。1 4 】。 红外热波无损检测技术( 简称热波检测) 是一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技 术，是一种创新性的无损检测技术。它的研究和应用，对提高航空、航天器，多种军、民 用工业设备的安全可靠性；新材料研究，尤其是复合材料研究；石油管道、发电设备的探 伤和日常维护；承重机械设备、大型建筑金属结构件的裂纹、焊接状况、锈蚀、疲劳检测 等都具有重要意义。美国多家大公司( 如：g e 、g m 、波音、福特、洛克西德、西屋等) 及 政府机构( 如：n a s a 、f a a 、空军、海军) 等已经在广泛应用和推广该项技术。【1 5 】【1 6 】 红外热波无损检测技术的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测 条件，设计不同特性的热源( 如g 高能闪光灯、超声波、电磁、热风等) 并用计算机控制 进行周期、脉冲等函数形式的加热，同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行捕捉和 数据采集，采用专用软件进行实时图像信号处理和分析( 参见图1 3 ) 并最终显示检测结 果。 图1 3 红外热波检测原理示意图 红外热波无损检测技术，从功能上看，非常适合检测、监测裂纹、锈蚀、脱粘等一类 6 首都师范人学硕士学位论文 疲劳损伤的发展性缺陷；从件能上看，具有快速、观测面积大、直观、准确、非接触等特 点优势，适合于外场应用、在线在役检测。因此，此项技术在某种程度上势将超越一些传 统的检测技术。如表1 1 所示【1 7 】【2 0 】 表1 1 五大常规无损检测技术与红外热波无损检测技术的比较 技常用无损检测方法新兴技术 术 类 x 射线超声波 磁场渗透涡流 红外热波 型 检内部缺陷表面、内部表面、近表表面开口表面和可以测量损伤深 测缺陷面缺陷缺陷近表面度、材料厚度和各 项 缺陷 种漆层、夹层的厚 目度以及进行表面 下的材料和结构 的识别 适铸件、焊接件、锻件、焊接铁磁性材各种非疏导电性可用于金属和非 用非金属制品和件、胶接接料松材质材料金属材料 范复合材料等头和非金属 围材料 不受材料、几对缺陷敏采用磁粉原理简明设备自快速，每个测量一 何形状限制，感，获得结探伤方法易懂，设备动化程般只需数秒钟；观 能保持永久性 果迅速，缺检验铁磁简单，操作度高， 测面积大；测量结 记录。射线探陷定位方便性材料的 简单，灵敏 不必清果用图像显示，直 伤对气孔、夹表面缺陷度高，显示理试件观易懂；可以直接 渣、未焊透等比采用超缺陷直观。表面，准确测量到深度、 优体积型缺陷最声波探伤对大型工省时， 角度、面积等；多 点敏感或射线探件和不规不需耦数情况下不污染 伤灵敏度则零件的合剂也不需要接触试 高，而且操检查以及件 作简单，结现场机件 果可靠，显的检修检 7 卣都师范人学硕士学位论文 示直观查有优势 设备投资大，对小、薄及只限于铁上艺程序 对零件对外形复杂的结 不易发现与射复杂零件难磁性材料，复杂，试液几何形构体要确定缺陷 线垂直方向上以检测；需定量测定易挥发，只状、突 的深度时，需要更 的裂纹；不便耦合剂耦缺陷深度能检测表变引起有效的数学计算 给出缺陷深合；粗晶材困难。对于面开口缺的边缘模型；检测深度还 度；对安装及料散射严 有色金属、陷，重复性效应敏不够深( 受限于加 局安全方面有严重：形状复奥氏体钢、差；不能检感，容热设备的能量) ： 限格的要求，不杂的结构难非金属与测表面多易给出对缺陷的分辨还 性 适于现场在线 以检测，速非导磁性 孔性材料虚假的不如超声c 扫描 检测；检测周度慢，检测材料，不能显示高；用于某些金 期长，人工判周期长。目才采用磁 属，表面需进行抗 随意性大，胶前尚不能做粉探伤的反射处理 片照相法胶片三维检测方法 消耗大，成本 高 1 1 3 超声红外热波无损检测 超声红外热波无损检测也叫做热超声无损检测，是一种新型的无损检测技术，该技术 是热波探伤的最新领域，其应用前景已引起广泛关注。 超声红外热波无损检测属于红外热波无损检测的范畴，因为红外热波无损检测技术的 核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同特性的热源 ( 如：高能闪光灯、超声波、电磁、热风等) 对被检物进行热激励。在红外热波技术中比 较成熟的是用高能闪光灯进行热激励，超声红外热波则是利用超声波激励试件，试件内部 缺陷区域吸收耦合超声能量米产生热。利用红外热像仪可以得到表面温度的变化。 超声红外热波无损检测技术主要用于裂纹和脱粘的检测，尤其是对材料表面和表面下 的浅层闭合裂纹，非常敏感。相对于其他裂纹检测方法有速度快不污染试件的优点【2 l 】。 窖 酋都师范大学硕士学位论文 同闪光灯加热相比超声波只对缺陷加热，得到的相对信号水平相当高，而且对于有非 常复杂几何形状的试件用超声加热时不需要考虑非均匀加热问题。 1 2 研究课题的内容和意义 超声红外热波无损检测技术在实验中是否有效的核心问题就是如何进行有效的超声 激励。实验条件的不确定性增加了对检测结果判别的难度，因此对检测时实验条件的控制、 缺陷辨别及其尺寸的测定是热波检测的关键。在超声红外热波无损检测过程中，需要控制 的实验条件包括：超声枪与被检试件之问的接触力、超声振幅大小、超声脉冲时间等。本 项研究解决了手持超声激励试件时探头易滑动的问题；设计了在检测过程中控制并调节超 声枪与试件的接触力、控制超声振幅大小、控制超声脉冲时间长短，减小了实验过程的不 确定因素，大大提高了实验过程的可重复性。 针对不同类型的材料，如何进行实验条件的控制、缺陷辨别及鉴定其尺寸将是成功使 用红外热波检测技术的前提。对激光焊接不锈钢板和碳纤维三接头进行了检测，检测出激 光焊接不锈钢板焊接时内部情况和碳纤维三接头裂纹情况，证实了超声红外热波无损检测 的检测能力。确定了几种材料的最佳实验条件，为以后的研究奠定了基础。 最后为了不依赖于设备原有数据处理程序，用m a t l a b 程序语言编程，提取了原始实 验数据，进行了数据的显示和处理，为以后进一步的数据处理开拓了道路。 9 占都师范人学硕士学位论文 第二章超声红外热波无损检测技术 2 1 发展概况原理和特点 超声红外热波无损检测也叫做热超声无损检测是源于二十世纪七十年代末的一种无 损检测技术【2 l 】，人们发现固件中的裂纹或脱粘能被高能量低频率的超声激励而产生热量并 能被热像仪观测到。尽管很有前途，但是直到最近才被大量关注。这是由于红外热像仪在 近2 0 年有了很大的发展进而能探测到较小能量激励的微裂纹。裂纹检测对热成像技术来 说是非常困难的。作为一种检钡口裂纹的方法它引起了很多人的兴趣。 超声红外热波无损检测技术是将低频率的超声波( 2 0 4 0 k h z ) 短脉冲( 5 ( 1 - 2 0 0 m s ) 作用在被检测材料或制件表面，超声波经过界面耦合在被检物体中传播，形成声场。如果 被检测材料或制件内部存在裂纹、末熔合、层析等缺陷时，在缺陷部位由于摩擦作用和热 弹效应、迟滞效应等作用，引起机械能显著衰减，并产生热量，从而在缺陷处及相邻区域 的温度明显升高。当缺陷位于被检测材料或制件表面或亚表面，其表面温度场的变化可以 用红外热像仪观察和记录。 超声波的传播衰减指的是超声波在通过材料传播时，声压或声能承受距离的增大逐渐 减小的现象。1 引起衰减的原因主要有三个方面，一是声束的扩散：二是材料中的晶粒或 其他微小颗粒对声波的散射；三是介质的吸收。扩散衰减是由于声速扩散引起的衰减。在 一些特定的声场中，随着传播距离的增大，声束截面的增大，使单位面积上的声能或声压 随传播距离的增大逐渐减弱，这就是扩散衰减。扩散衰减仅取决于波阵而的形状而与传声 介质的性质无关。扩散衰减的规律可用声场的规律来描述。如：在远离声源的声场中，球 面波的声压与至声源的距离成反比，柱面声压则与距声源距离的平方根成反比。平面波声 压不随距离变化，不存在扩散衰减。散射衰减是超声波在传播过程中，由于的不均匀性造 成多处声阻抗不同的微小界面引起声的散射，从而造成的声压或声能减弱。这种不均匀性 可能是多晶材料的品界、不同成分的界面、外来杂质等。被散射的超声波在介质中沿着复 杂的路径传播下去，一部分可能最终变为热能，另一部分也可能最终传播到探头，形成显 示屏上的草状回波( 或称噪声) 。典型的是粗晶金属材料，一方面是声能衰减造成同波信 号降低，另一方面是散射噪声的增加，从而使检测信噪比严重下降。吸收衰减的发生，一 方面是超声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成质点之问的内摩擦，从而使一部分 1 0 首都师范人学硕士学位论文 声能转变成热能；另方面是由于介质的热传导，介质的稠密部分和稀疏部分之间进行热 交换，从而导致声能的损耗【2 2 - 2 5 1 。 超声红外热波技术原理如图2 1 所示 热像倪试件 聚 集 卡偿屿 嗵船 啪超声控 一铆嚣 图2 - 1 超声红外热波原理图 超声红外热波无损检测技术基本物理过程如下： a ) 超声能量进入试件。 b ) 裂纹或脱粘等缺陷区域的界面由于摩擦作用、热弹效应等原因使超声能量转化为内能。 c ) 缺陷处的热量传播到试件表面。 d ) 红外热像仪记录试件表面温场变化并将数据传输到计算机进行处理。 超声激励试件裂纹使之温度升高的精确物理机制是这一研究领域的讨论话题，公认的 说法是由于裂纹表面摩擦产生热量进而使裂纹处温度升高。另外比较著名的有声混沌理 论。声混沌，就象数学中的混沌，是一种非线性系统，在这个系统中，未来行为取决于初 始状态，而初始状态对结果的影响是不可预测的。在超声红外热波激励的过程中出现了声 混沌现象，结果是声波的频谱由一系列单个或多个输入声频的分频组成。由于一些我们尚 不知道的原因，在超声红外热波检测过程中，当声混沌现象存在时，超声的激励效果有很 大提高。声混沌的产生机理有两种不同的理论，莫斯科大学s o l o d o v 和k o r s h a k 在他们的 实验中发现分频的产生是由于试件裂纹处存在非线性效应。美国韦恩州立大学x i a o y a nh a n 指出在她们的实验中超声枪和试件的接触状态在声混沌的产生上有重要影响。声混沌现象 产生于超声源和试件的交互作用，并不依赖于裂纹是否存在。声混沌现象存在时比不存在 时对裂纹的激励效果要好，甚至在超声能量较低时也能产生有效的激励。 对于大多数固体，声波传到裂纹几乎是瞬时的。( 例如声波在钢铁中的传播速度约是 6 k m s ，对于帧频为6 0 h z 的红外相机，在一帧的时间内，声波可以传1 0 0 m 的距离。) 因 此对于某些材料，超声能够在距离激发源较远的地方产生有效的激励。超声红外热波无损 l l 舀豁师范人学硕士学位论文 检测技术不同于以往的无损检测方法之处在于，它的发热机理使其可以检测出密闭的裂 纹，而传统的x 射线和超声波探伤方法对这种裂纹却束手无策，且着色探伤的清洗和腐 蚀使检测过程变得很慢，不易实现检测自动化，人为误判可能性大。超声红外热波无损检 测技术检测方便，速度快，没有污染。具有广泛的应用前景，目前己开始应用于航空飞机 的在役检测。 2 2 国内外现状 美国韦恩州立大学( w a y n es t a t eu n i v e r s i t y ) 的l d f a v r o 和x i a o y a nh a m 等人近年 来在理论上和实验上做了大量工作f 2 乒2 8 1 。2 0 0 0 年初，在他们首次公布的成果中，他们用 b r a n s o nm o d e i9 0 0m a 2 0 k h z 型超声波焊接发生器作为超声激发源，用r a y t h e o nr a d i a n c e h s 型红外热像仪分别记录了铝板上5 m m 和0 7 m m 疲劳裂纹的发热现象，以及带有冲击 缺陷的碳纤维增强复合材料的发热现象。之后，l d f a v r o 和x i a o y a nh a n 等人在超声 红外热波无损检测技术研究中又观察到由于交变热应力作用产生大量缺陷的铝制汽缸封 头、钛测试块以及碳纤维增强复合材料中不同位置和取向缺陷的发热现象。2 0 0 1 年，x h a n 等将超声红外热波无损检测测试技术应用于大型、外形不规则以及微小的脆性工件。此后， 韦恩州立大学研究人员继续对不同材料，不同缺陷的试样进行测试1 2 9 。【3 2 】。在超声红外热 波无损检测技术的理论研究方面，2 0 0 1 年zo u y a n g ，l d f a v r o ，提出超声红外热波无损 检测技术的一种理论模型，并据此对一些实验结果进行了解释。另外，x i a o y a nh a n 和w l i 等人于2 0 0 2 年研究了超声红外热波无损检测技术与声混沌现象，意在揭示用于激发的 超声源频率与试样响应的振动频率之间的关系。之后他们希望发现热主要产生于基频 还是谐频，给出了分别在2 0 k h z 和4 0 k h z 超声激发下的一些试验结果。超声红外热波无损 检测技术被提出后，也引起了国际上光声、光热领域其他研究小组的兴趣【3 3 】。【3 5 1 。美国海空 武器中心航空部i p e r e z 和w r d a v i s 提出改进超声红外热波无损检测技术的实验装 置，并通过调整实验参数以优化超声红外热波无损检测信号的方法。印度国家技术研究院 无损检测中心的k b a l a s u b r a m a n i a m 等人用有限差分模型来研究施加不同激发源下热传 导特性。英国伦敦l m p e r i a lc o l l e g e 机械工程系无损检测研究小组也