基于红外热波无损检测的纤维金属层板缺陷检测研究

邱 花

（西安航空职业技术学院航空材料工程学院）

20 世纪80 年代， 红外热波无损检测技术得到了快速发展， 主要用于探测装置的研发；20 世纪90 年代，该技术已逐步应用于航空航天、电气工程及国防等领域。 近年来，学者们也对此项技术进行了大量研究，Legrand A C 等在红外热波无损检测激励技术上取得较大突破，研制出可有效滤除噪声的装置，并对该装置进行了评估和优化［1］；Meola C 等发现，在焊接构件的过程中，红外热波无损检测发射频率参数对检测结果存在一定的影响［2］；Maierhofer C 等运用红外热波无损检测技术， 实现复合材料拉伸后的缺陷检测［3］；Berthe J 和Ragonet M 实现对碳/环氧树脂指压板中间裂纹的检测［4］；杨小林等使用高能闪光灯作为热激励源，实现对战机垂尾翼尖玻璃纤维层面的缺陷检测［5］；刘慧搭建了超声红外锁相热像检测系统，实现对缺陷试件表面裂纹的检测并进行系统评估［6］；卜迟武和唐庆菊在红外热波无损检测的理论基础之上，建立有限元模型，发现试件表面温度会随着裂纹的出现而改变［7～9］；Montinaro N 等将激光作为激励源，成功检测出层板内部的人造缺陷区域［10］。 在此，笔者在红外热波无损检测的理论基础之上，自主搭建红外热波无损检测系统，制备纤维金属层板试件并对表面进行特殊处理，通过检测分析缺陷几何尺寸和实验条件对检测结果的影响，得到最适宜的缺陷检测条件。

1 红外热波无损检测系统

红外热波无损检测系统（图1）主要由热激励系统、成像系统、数据处理与分析系统3 部分组成。 其工作原理是通过激励样本表面的温度热流， 使得热流在样本内部进行连续平稳的传递，如果样本内部存在缺陷，则会使得缺陷周围的热传递过程发生改变，从而使得该区域的样本表面温度不均匀，同时红外热像仪就会将样本表面的温度信号转换成可见信号，并对这些信号进行处理，通过研究缺陷部位与无缺陷部位的表面温度差异，从而达到缺陷检测的目的。

图1 红外热波无损检测系统

热激励系统是红外热波无损检测系统实现的技术基础， 由卤素灯、 数据采集卡和调光器3部分组成。其中卤素灯额定功率为1 000 W、额定电压为230 V，具有稳定的输出以及成本低、功率大等优点；数据采集卡型号为USB-6259，其传输速率为1.25 m/s， 具有16 差分的输入通道、2 个计数器和4 条输入输出线路，可同时连接多个设备，具有安全可靠、工作稳定等特点；调光器额定功率为8 000 W，输出电流为12 A，其主要作用是改变输入光源热激励的电流有效值，从而改变输出光热强度，具有抗干扰性能强的特点。

成像系统通过光电设备将红外光波信号转换成人眼可见并直观显示的可见图像。 本实验中使用红外热像仪探测实验物体表面的红外光波辐射，从而建立辐射与物体表面温度信号之间的关系。 实际测量时，将红外热像仪放置于升降台上，使得被观测对象和热像仪镜头中心位于同一高度。与红外热像仪搭配使用的是ResearchIR 软件，并作为此次实验平台的数据采集部分。

2 试件制备及实验流程

金属层选用6061-T4 铝合金材料， 具有比刚度、比强度、柔韧性和抗疲劳强度高的特点；纤维层选用高强度、高刚度和高热稳定性的复合材料S2 玻璃纤维。

首先在未成形的纤维金属层板上制备出圆柱形的沉孔以模拟脱粘缺陷，并用高温陶瓷对玻璃纤维缺陷处进行填充。 铝合金厚度为0.5 mm，S2 玻璃纤维厚度为0.3 mm，试件为90 mm×70 mm×2.1 mm 的长方体，如图2 所示，各缺陷具体尺寸见表1。由于试件表面反光严重，会影响数据的采集，所以将试件整体涂成黑色。

表1 缺陷尺寸mm

图2 试件尺寸及缺陷位置分布

实验在室温条件下进行，其中实验样本与空气发生了对流换热现象。 按照器材的摆放、安装样本、连接线路、焦距的调节、设置参数、背景采集、表面数据采集、测试数据保存、缺陷鉴定及结束等步骤进行一系列实验操作，以研究不同实验条件对检测结果的影响。

3 实验结果分析

3.1 升/降温阶段对检测结果的影响

实验输出功率1.8 kW、脉冲带宽5 mm、采样频率30 Hz、 采样时间30 s， 得到的样本对比度（即样本范围内参数的标准差） 变化曲线如图3所示。 由图3 可以看出，随着帧数的增加，缺陷与无缺陷样品对比度均呈快速增加模式，当帧数为130 时，对比度达到峰值，随着帧数的继续增加对比度逐渐降低，当帧数为200 时，对比度数值变化趋于稳定。

图3 样本对比度变化曲线

图4 为升温阶段和降温（冷却）阶段下缺陷试件与无缺陷试件对比度差值变化曲线。由图4a可以看出，升温阶段对比度差值随温度的升高而逐渐增大， 并且在100～150 帧范围内达到最大值，因此在此范围内进行缺陷检测能够得到较好的效果。 由图4b 可以看出，冷却阶段初期对比度差值下降迅速，在700 帧以后差值处于平缓变化状态，800 帧以后样本处于热平衡状态，对比度差值几乎为0， 此刻进行缺陷检测无法达到较好的效果。 综上，在升温阶段进行缺陷部位检测，可以得到较好的检测结果。

图4 不同阶段缺陷试件与无缺陷试件对比度差值变化曲线

3.2 热源输出功率对检测结果的影响

实验脉冲带宽5 mm、采样频率30 Hz、采样时间30 s，缺陷深度1.6 mm。 图5 为不同缺陷直径β 下热源输出功率对缺陷对比度峰值FCRP的影响。 由图5 可以看出，当热源输出功率小于0.9 kW 时，缺陷直径10、12 mm 的对比度峰值几乎相同，实现了缺陷的初步识别，但对于内部特征无法实现准确的判断。 当热源输出功率大于1.0 kW 时， 各缺陷幅值的对比度峰值有较大区别，缺陷特征容易辨识，说明此时缺陷检测效果较好。 可见，若要得到较好的缺陷检测结果，可以选择输出功率较高的光热激励源。

3.3 缺陷直径对检测结果的影响

输出功率1.8 kW、脉冲带宽5 mm、采样时间30 s、采样频率30 Hz。通过红外线的照射，得到缺陷区域的红外热图如图6 所示。 通过对缺陷区域的选取并计算对比度，得到缺陷直径与FCRP 的关系曲线如图7 所示。 从图7 可以看出，FCRP 随缺陷直径的增加呈增大趋势，当缺陷直径为11 mm时，FCRP 达到最大值，之后缺陷直径再增大FCRP呈回落趋势，由此可知，缺陷直径为11 mm，时，检测效果最好。

图6 缺陷区域的红外热图

图7 缺陷直径与FCRP 的关系曲线

4 结束语

笔者依据红外热波无损检测理论，自主搭建了检测系统，通过制备纤维金属层板试件，分析缺陷几何参数和实验条件对纤维金属层板缺陷检测结果的影响，根据实验数据可以得出，在实验升温过程中调整输出功率和缺陷直径等参数，当输出功率大于1.0 kW、 缺陷直径为11 mm 时，缺陷检测效果最佳， 实验结果为相关样品缺陷检测提供了依据。