超聲紅外熱成像無損評估技術(shù)
1、超聲紅外熱成像技術(shù)特點
超聲紅外熱成像無損評估綜合應(yīng)用超聲激勵和紅外熱成像技術(shù)來對材料或結(jié)構(gòu)的缺陷進行鑒別，尤其對金屬材料和陶瓷材料的表面及近表面裂紋，復(fù)合材料的淺層分層或脫粘等的檢測非常有效。因此利用其超聲紅外熱成像特定的振動激勵源來促使材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生機械振動（彈性波傳播），使其缺陷部位（裂紋或分層）因熱彈效應(yīng)和滯后效應(yīng)等原因?qū)е侣暷芩p而產(chǎn)生釋放出熱能，最終引起材料局部溫度升高。通過紅外熱像儀對材料局部發(fā)熱過程進行捕捉和采集，就可以借助于時序熱圖像對材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷進行判別，具體見圖１。
圖１ 超聲紅外熱成像無損評估原理示意圖
熱效應(yīng)的產(chǎn)生是由于聲波在材料中傳播時在內(nèi)部缺陷兩個異質(zhì)界面上的振動不一致所造成的，例如封閉裂紋將會由于裂紋內(nèi)表面的摩擦或者其他不可逆的相互作用而成為平面熱源。如果裂紋延伸方向與表面相交，在紅外熱像儀上熱源首先會形成一條線，隨后就會變得模糊不清而且熱區(qū)域會慢慢的向外擴散。當超聲脈沖激勵源停止后，目標區(qū)域的溫度將會像普通熱輻射過程一樣逐漸降低。
除了能夠?qū)ξ⑿×鸭y進行檢測外，超聲紅外熱成像無損評估技術(shù)還能應(yīng)用于其他類型的缺陷檢測，如復(fù)合材料的內(nèi)部分層或脫粘等。該技術(shù)除了對裂紋的檢測速度非�？欤▋H需數(shù)秒）、信噪比好和靈敏度高外，對更深的內(nèi)部分層或裂紋的檢測方面優(yōu)于其他傳統(tǒng)技術(shù)如超聲波檢測和脈沖紅外熱成像檢測等方法。
2、檢測試驗裝置
圖２所示為用于檢測缺陷的超聲紅外熱成像檢測試驗裝置，裝置主要包括超聲換能器和紅外熱像儀等。當單一的短頻脈沖通過超聲換能器被注入試件后，試件表面或內(nèi)部裂紋處的溫度變化過程將被紅外熱像儀所記錄。激光振動計主要用于測量試件相關(guān)區(qū)域的振動行為，并為缺陷發(fā)熱的相關(guān)性和超聲源振動模式的產(chǎn)生等基本問題提供依據(jù)。
圖２ 超聲紅外熱成像檢測裝置
對于大多數(shù)固體，聲波傳到裂紋幾乎是瞬時的。例如橫波在鋼中的傳播速度約３．２ｋｍ／ｓ，對于幀頻為５０ＨＺ的紅外熱像儀，在兩幀的時間間隔內(nèi)，聲波可以傳６４ｍ。而且聲波衰減也比較低。因此對于多數(shù)材料，超聲換能器能夠在距離激發(fā)源較遠或較深的地方產(chǎn)生有效的激勵。
3、應(yīng)用實例
采用圖２中的試驗裝置對不同材料或結(jié)構(gòu)的缺陷進行了檢測。
3.1、 焊接件檢測
對銅制焊接件（有缺陷）進行超聲紅外熱成像檢測的結(jié)果見圖３。圖３（ａ）為可見光下焊接件焊縫表面的圖像，可看到焊縫上有明顯的開口裂紋，且該裂紋還沿焊縫表面向兩端延伸。圖３（ｂ）為同一部位在受到超聲波激勵后的紅外熱圖。開口裂紋和延伸裂紋呈現(xiàn)為一條亮線和間斷亮點，其中裂紋左側(cè)的虛焊部分在熱圖像中也能夠清楚的顯現(xiàn)出來。圖４（ａ）和（ｂ）分別為某汽車零部件在超聲脈沖激勵早期和后期的紅外熱圖，存在于焊縫處表面下的內(nèi)部裂紋可以清楚的被識別出來。
（ａ）焊縫的開口裂紋 （ｂ）裂紋和虛焊部位的紅外熱像圖
圖３ 銅制焊接件的焊縫形貌和紅外熱像圖
�。ǎ幔┟}沖早期（ｂ）超聲脈沖后期
圖４ 汽車零部件在超聲脈沖早期和后期的紅外熱圖
３．２ 汽車輪轂檢測
圖５（ａ）和圖５（ｂ）分別為帶有裂紋的汽車輪轂的光學照片和紅外熱圖。其中圖５（ａ）中輪轂右側(cè)的黑色曲線是利用磁粉檢測技術(shù)所標定的缺陷位置，磁粉檢測結(jié)果表明該缺陷（裂紋）的位置和形狀。現(xiàn)在利用超聲脈沖激勵后所拍攝的紅外熱圖則顯示出裂紋在輪轂內(nèi)部的大小及延伸方向見圖５（ｂ）
（ａ）汽車輪轂的磁粉檢測圖（ｂ）汽車輪轂的紅外熱圖
圖５ 汽車輪轂的磁粉檢測圖和紅外熱圖
３．３ 環(huán)氧石墨復(fù)合材料試件沖擊損傷檢測圖６（ａ）～（ｄ）顯示的是超聲紅外熱成像技術(shù)對環(huán)氧石墨復(fù)合材料薄板試件受沖擊損傷的檢測結(jié)果序列。薄板試件的沖擊損傷區(qū)域由于吸收機械能，摩擦產(chǎn)生熱量形成熱源。熱源的熱量向試件表面輻射而且比背景溫度要高，所以分層缺陷能夠被發(fā)現(xiàn)。離試件表面越深的分層，熱量傳播到表面所用的時間就越長，紅外熱像圖中分層缺陷出現(xiàn)就越晚。序
列１是試件受沖擊后對其施加超聲脈沖進行檢測的早期階段，顯示其近表面損傷的紅外熱像圖。序列２～４是施加超聲脈沖隨后階段，顯示離試樣表面更深的分層缺陷紅外熱像圖。
（ａ）序列１ （ｂ）序列２ （ｃ）序列３ （ｄ）序列４
圖６ 超聲紅外熱成像對環(huán)氧石墨復(fù)合試件沖擊損傷的檢測圖
（ａ）未注入超聲脈沖 （ｂ）注入超聲脈沖前期 （ｃ）注入超聲脈沖中期（ｄ）注入超聲脈沖后期
圖７�。粒欤玻希� 陶瓷板上裂紋的超聲紅外熱成像檢測圖
３．４ 陶瓷板檢測
超聲紅外熱成像能夠應(yīng)用于脆性材料進行檢測，但操作時需要小心謹慎，防止損壞試件。圖７所示為利用超聲紅外熱成像對Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷板上裂紋的檢測，樣品的缺陷是用維氏壓頭預(yù)制。圖７分別顯示超聲源打開前，注入超聲脈沖前期、中期和后期的紅外熱像圖。在脈沖波的后期，由于熱量在裂紋的周圍向外輻射，所以圖像會變的比較模糊。
對于深層缺陷或較厚材料的檢測，一方面要求超聲激勵能量必須足夠大，以確保深層缺陷產(chǎn)生的內(nèi)部溫度變化最終能夠?qū)е虏牧媳砻鏈夭畛^紅外熱像儀的熱靈敏度，且表面溫差持續(xù)時間應(yīng)大于紅外熱像儀的響應(yīng)時間，才能產(chǎn)生可識別的熱信號［５］。另一方面，超聲發(fā)射頭多為金屬鋁或鈦等，激發(fā)過程相當于錘打試件，容易導(dǎo)致二次損傷，尤其是對沖擊載荷比較敏感的材料或構(gòu)件，所以超聲激勵能量的選擇必須合理。由于超聲激勵下的局部溫度變化過程較快且持續(xù)時間短，紅外熱像儀的技術(shù)性能高才能保證不漏檢。
４ 結(jié)語