紅外熱波無損檢測技術(shù)應(yīng)用淺析

紅外熱波無損檢測技術(shù)(簡稱熱波檢測)是一門跨學(xué)科、跨應(yīng)用領(lǐng)域的通用型實用技術(shù)，是一種創(chuàng)新性的無損檢測技術(shù)。它的研究和應(yīng)用，對提高航空、航天器，多種軍、民用工業(yè)設(shè)備的安全可靠性;新材料研究，尤其是復(fù)合材料研究;石油管道、發(fā)電設(shè)備的探傷和日常維護(hù);承重機(jī)械設(shè)備、大型建筑金屬結(jié)構(gòu)件的裂紋、焊接狀況、銹蝕、疲勞檢測等都具有重要意義。美國多家大公司(如：GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋等)及政府機(jī)構(gòu)(如：NASA、FAA、空軍、海軍)等已經(jīng)在廣泛應(yīng)用和推廣該項技術(shù)。[1]-[3]

　　2003年9月該項技術(shù)的應(yīng)用研究也列入了我國國家863高科技發(fā)展計劃，還同時獲得了211工程重點學(xué)科建設(shè)經(jīng)費等的支持。

　　2 熱波檢測原理

　　熱波(Thermal Wave)理論及應(yīng)用的研究重點是研究熱源，特別是變化性熱源(如：周期、脈沖、階梯函數(shù)熱源)與媒介材料及其幾何結(jié)構(gòu)之間的相互作用。被加熱后，不同媒介材料表面及表面下的物理結(jié)構(gòu)特性和邊界條件將影響熱波的傳輸并以某種方式影響媒介表面的溫場變化。通過控制熱激勵方法和測量材料表面的溫場變化，將可以獲取材料的均勻性信息以及其表面以下的結(jié)構(gòu)信息，從而達(dá)到檢測和探傷的目的。

　　紅外熱波無損檢測技術(shù)的核心是針對被檢物的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和缺陷類型以及特定的檢測條件，設(shè)計不同特性的熱源(如：高能閃光燈、超聲波、電磁、熱風(fēng)等)并用計算機(jī)控制進(jìn)行周期、脈沖等函數(shù)形式的加熱，同時采用紅外熱成像技術(shù)對時序熱波信號進(jìn)行捕捉和數(shù)據(jù)采集，采用專用軟件進(jìn)行實時圖像信號處理和分析(參見圖1)并最終顯示檢測結(jié)果。

　　需要指出的是，由于應(yīng)用熱波原理并采用了主動式控制熱激勵的方法，熱波檢測技術(shù)與傳統(tǒng)的被動式紅外熱成像檢測是有本質(zhì)區(qū)別的。

　　對于不同被檢測物、檢測環(huán)境和條件，需要有針對性地設(shè)計采用大功率閃光燈、超聲波、激光、THz波、熱風(fēng)、電磁感應(yīng)、電流、機(jī)械振動等方式的熱激勵手段，相應(yīng)的機(jī)械裝置和控制裝置及編制控制和圖像數(shù)據(jù)處理軟件。

　　3 主要應(yīng)用和技術(shù)特點

　　3.1 主要應(yīng)用

　　--對航空器/航天器鋁蒙皮的加強(qiáng)筋開裂與銹蝕的檢測，機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)材料、碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)多層復(fù)合材料缺陷的檢測、表征、損傷判別與評估。

　　--火箭液體燃料發(fā)動機(jī)和固體燃料發(fā)動機(jī)的噴口絕熱層附著檢測。渦輪發(fā)動機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)葉片的檢測。

　　--新材料，特別是新型復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的研究。對其從原材料到工藝制造、在役使用研究的整個過程中進(jìn)行無損檢測和評估;加載或破壞性試驗過程中及其破壞后的評估。

　　--多層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，脫粘、分層、開裂等損傷的檢測與評估。

　　--各種壓力容器、承重和負(fù)載裝置表面及表面下疲勞裂紋的探測。

　　--各種粘接、焊接質(zhì)量檢測，涂層檢測，各種鍍膜、夾層的探傷。

　　--測量材料厚度和各種涂層、夾層的厚度。

　　--表面下材料和結(jié)構(gòu)特征識別與表征。

　　--運轉(zhuǎn)設(shè)備的在線、在役監(jiān)測。

　　3.2 技術(shù)特點

　　熱波檢測具有如下技術(shù)特點：

　　--適用面廣：可用于所有金屬和非金屬材料。

　　--速度快：每個測量一般只需幾十秒鐘。

　　--觀測面積大：根據(jù)被測對象和光學(xué)系統(tǒng)，一次測量可覆蓋至平方米面積量級。對大型檢測對象還可對結(jié)果進(jìn)行自動拼圖處理。

　　--直觀：測量結(jié)果用圖像顯示、直觀易懂。

　　--定量：可以直接測量到深度、厚度，并能作表面下的識別。

　　--單向、非接觸：加熱和探測在被檢試件同側(cè)，且通常情況下不污染也不需接觸試件。

　　--設(shè)備可移動、探頭輕便：十分適合外場、現(xiàn)場應(yīng)用和在線、在役檢測。

　　3.3 發(fā)展前景

　　紅外熱波無損檢測技術(shù)是一項通用性的實用技術(shù)，可應(yīng)用于各種學(xué)科領(lǐng)域大到航天飛機(jī)，小到纖維、薄膜，不同材料，不同結(jié)構(gòu)和檢測環(huán)境要求的各類探傷和檢測問題。除了理論和基礎(chǔ)研究外，每一種成功的應(yīng)用都會形成一系列標(biāo)準(zhǔn)，包括方法、檢測規(guī)程、標(biāo)定物、缺陷判據(jù)、數(shù)據(jù)和圖像顯示標(biāo)準(zhǔn)等。成功的加熱手段、有效的圖像處理和分析方法、巧妙的機(jī)械傳動裝置與控制都有機(jī)會申請專利，可拓展性很強(qiáng)。

　　4 國內(nèi)外發(fā)展概況

　　1990年以來，國際上積極開展紅外熱波無損檢測技術(shù)的研究。美國無損檢測協(xié)會組織編寫的無損檢測手冊紅外與熱檢測分冊里，有專門的大量的篇幅論述紅外熱像無損檢測在航空航天、電子、石化、建筑等許多領(lǐng)域的應(yīng)用[1]。

　　美國、俄羅斯、法國、加拿大、澳大利亞等國已把紅外熱波檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量檢測、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測。美國還把它用于航天飛機(jī)耐熱保護(hù)層潮濕檢測，Atlas空間發(fā)射艙復(fù)合材料的粘脫檢測，A3火箭無損檢測。[4]

　　美國韋恩州立大學(xué)的工業(yè)制造研究所在該技術(shù)領(lǐng)域的研究上一直得到美國政府機(jī)構(gòu)和許多大公司科研基金的支持，處在該領(lǐng)域研究的最前沿，取得了很多實際的研究成果。在FAA1998，1999和2000年飛機(jī)機(jī)身無損探傷技術(shù)競標(biāo)中，此技術(shù)擊敗包括X射線、超聲波、暗電流檢測等多項技術(shù)而唯一勝出。并逐漸被 NASA、美國空軍和海軍、波音、洛克西得，各大汽車公司及各大航空公司等許多知名大公司所采用。自90年代中期以來，這些政府機(jī)和大公司紛紛設(shè)立了紅外熱波無損檢測實驗室，用于研究解決各自獨特的無損檢測問題。