超声红外热像技术在金属裂纹检测中应用

刘继英 陶祥贺

摘 要：针对现有传统无损检测技术对金属裂纹检测效果不理想以及超声红外热像技术生热特性研究不充分的问题，将超声红外热像技术引入到金属裂纹的检测，简要介绍了该技术的基本原理和系统组成，分析了实验中裂纹生热的特点，进一步探索了激励参数和耦合材料对裂纹生热的影响，研究结果表明：超声红外热像技术非常适合金属裂纹等接触界面型缺陷的检测，检测效果很好。研究成果为超声红外热像技术检测规范的制定奠定了理论基础。

关键词：超声红外；金属裂纹；激励参数；耦合材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.001

当前，各种新型设备不断更新换代，其结构复杂化和材料多样化使得传统检测手段难以满足检测需求。因此，迫切需要新的检测技术的应用推广。超声红外热像技术是一种新型的无损检测技术[1]，它以其具有的检测速度快、检测范围广、使用方便等优势受到了国内外研究人员的高度重视。目前，国内外学者在超声激励下缺陷生热特性方面开展了不同程度的研究。X. Han等人通过热能计算工具分析了红外数据，基于实验分析，探索了不同耦合材料对红外热信号的影响[2]。郑江等人研究了超声源的位置对激发裂纹热成像的影响，通过试验观察到当超声源激发的位置改变时，裂纹区域的温度升高加热明显不同[3]。冯辅周等人对超声激励条件下微裂纹生热进行了试验研究，揭示了微裂纹生热与被测试件厚度之间的关系[4]。然而，上述研究都局限于的考虑单一因素对缺陷生热的影響，而且对于缺陷生热特性研究并不深入，研究成果很难指导检测红外热像技术的检测应用。

为了探索超声红外热像技术在金属裂纹检测中的效果，同时深入研究裂纹生热特性以及激励参数、耦合材料等多种因素对裂纹生热的影响，本文以金属疲劳裂纹为研究对象，引入超声红外热像检测技术，探索超声激励下裂纹生热特性，进一步，揭示激励强度和激励时间等激励参数、耦合材料等因素对裂纹生热的影响，研究将为超声红外热像技术检测规范的制定提供理论依据，最终指导该技术走向工程实践应用。

1 基本原理和系统组成

超声红外热像技术在检测过程中包含超声激励的产生与传播、裂纹生热以及热量的扩散、试件表面温度分布获取等过程。其检测的基本原理是：以超声发生器产生超声脉冲作为激励源，作用于被测对象并将超声波传递到被测对象内部，进而传播至缺陷区域， 由于缺陷区域的摩擦、塑性变形、粘弹性效应[5]等使得周围温度升高，进一步利用红外热像仪获取被测对象表面温度分布情况，通过温度变化达到缺陷识别的目的。

超声红外热像系统主要由激励发生装置、红外热像仪、计算机和被测对象四部分构成[6]，其系统示意图如图1所示。具体来说，激励发生装置包括超声电源和超声发生器两部分组成，超声电源为超声发生器提供电源；而超声发生器是产生超声激励的核心部件，能将电能转化为机械能；红外热像仪主要用来采集红外热图像；计算机用于控制系统的运行以及数据处理；被测试件的材料选择合金钢，尺寸为200mm×100mm×3mm，在其长边预制一长度为5mm的裂纹缺陷，其结构示意图如图2所示。

2 裂纹生热特性分析

图2中虚线框内区域为红外热像仪的采集区域，由此可以获取被测平板表面温度分布情况，如图3所示。图中可以看出：裂纹区域生热明显高于其他区域，由此可以实现裂纹缺陷的识别，说明了该方法对于金属裂纹缺陷检测的有效性。进一步计算将裂纹区域温升平均值，观察其随激励时间的变化情况，如图4所示。图中曲线表明：裂纹区域温升随激励时间呈现出逐渐升高的趋势，激励停止（2s时刻），温升逐渐降低，在上升阶段温升增长率越来越小，而在下降阶段温升下降率越来越大。

3 裂纹生热的参数影响

参数影响研究超声红外热像技术的重要内容，也是进行检测条件优化研究的必要基础，其研究成果将为超声红外热像技术检测规范的制定提供理论指导。本文引入激励时间、激励强度和耦合材料三个参数作为变量，探索不同参数对裂纹生热的影响，旨在对比分析不同参数对裂纹生热的影响规律，为后续检测条件优化奠定理论基础。

3.1 激励时间的影响

为探索激励时间对裂纹生热的影响，设置1s到5s五组不同的激励时间，在其他条件不变的情况下，进行实验分析。选取裂纹区域温度的平均值变化曲线作为研究对象，观察不同时刻温度变化的趋势。图中表明：虽然进行了5次试验，但是5条曲线的起点和变化轨迹也基本相似。随着激励时间的增加，裂纹区域温度平均值逐渐增大，但是增长率逐渐降低。其主要原因是由于裂纹生热速率与时间的传热速率之间相互作用的结果。在激励开始到1s时刻，裂纹区域温度上升的趋势比较明显，之后温度上升趋势趋于平缓，在5s时刻温度上升的趋势已经非常小，同时在整个激励过程中，裂纹区域温度增长率在逐渐降低。说明了激励时间对裂纹生热的影响是一个逐渐变小的过程，由此可以预测在其他因素不变的情况下，存在一个激励时间的临界值使得裂纹生热达到平衡。

3.2 激励强度的影响

激励强度用激励发生装置的输出功率表示，单位为W。和激励时间的影响类似，设置激励强度为550W、600W、650W、750W和850W，选择裂纹区域平均温升为研究对象，其变化曲线如图6所示。图示得到：随着激励强度的增大，裂纹区域平均温升呈现出逐渐增大的趋势。然而在实际检测过程中，过大的激励强度会对被测对象表面造成冲击损伤，并不是激励强度越大越好。由此可以看出，在其他条件不变的情况下，存在一个激励强度的合理值，使得裂纹生热能够被有效检测到同时又不会造成被测试件的损伤。

3.3 耦合材料的影响

前面探索了激励参数对裂纹生热的影响， 除此之外，影响裂纹生热的因素还有很多，耦合材料就是其中之一。耦合材料是位于被测对象和激励发生器中间，起到将超声激励更加有效地传递到被测对象中的一种材料。如图7所示，本文中选择了膏药、热缩管、皮革以及名片等四种材料，观察不同的耦合材料对裂纹生热的影响。图8所示为耦合材料影响裂纹生热的结果，图中表明：名片的耦合效果远远好于其他三种材料，而皮革的耦合效果最不好。其原因是：名片材料比较硬，超声波传递过程中损失比较少，而皮革材料则起到了减振作用，吸收了大部分超声波。由此可以看出，慎重选择耦合材料可以有效促进裂纹生热效果。

4 结论

本文以含裂纹缺陷的合金钢平板为研究对象，引入了超声红外热像技术，探索了超声激励下裂纹生热特性以及裂纹生热的参数影响，得到的主要结论如下：

（1）生热特性分析表明：裂纹区域生热明显高于其他区域，由此可以识别出裂纹缺陷，说明了超声红外热像技术对于金属裂纹缺陷检测的有效性。

（2）激励参数影响分析表明：随着激励时间的增加，裂纹区域温升呈现出逐渐增大，但增长率逐渐降低的趋势，而随激励强度呈现出逐渐增大的趋势。

（3）耦合材料对裂纹生热影响差异很大，名片的耦合效果远远好于其他三种材料，而皮革的耦合效果最不好，慎重选择耦合材料可以有效促进裂纹生热效果。

虽然本文在参数影响方面取得了一些成果，然而，对于多种因素的共同影响、交叉影响以及建立缺陷生热与多种影响因素之间的定量关系等方面仍需进一步探索。

参考文献：

[1]L.D.Favro，Xiaoyan Han.Infrared imaging of defects heated by a sonic pulse[J].Review Of Scientific Instrumments，2000（06）：2418-2421.

[2]Xiaoyan Han， Rui Yu.Studying the effect of coupling materials in sonic IR imaging[C].Masayoshi Tomizuka.Sensors and Smart Structures Technologies for Civil，Mechanical，and Aerospace Systems 2007.San Diego，CA，USA：SPIE，2007.

[3]鄭凯，郑江.超声源的位置对激发裂纹热成像的影响[J].无损检测，2009，31（12）：946-949.

[4]冯辅周，张超省，张丽霞等.超声激励条件下微裂纹生热的有限元分析及试验研究[J].装甲兵工程学院学报，2011，25（05）：79-83.

[5]RENSHAW J，CHEN J，HOLLAND S，et al.The sources of heat generation in vibrothermography [J].NDT&E; International， 2011（44）：736-739.

[6]金国锋，张炜，杨正伟等.基于超声热波方法的铝合金应力腐蚀裂纹检测与识别[J].科学技术与工程，2013，13（07）：1900-1904.

作者简介：刘继英（1989-）女，山东单县人，本科，专利审查员，研究方向：光电领域发明专利。