紅外熱波無損檢測技術應用淺析

　　2003年9月該項技術的應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工程重點學科建設經(jīng)費等的支持。

　　2 熱波檢測原理

　　熱波(Thermal Wave)理論及應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構之間的相互作用。被加熱后，不同媒介材料表面及表面下的物理結構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構信息，從而達到檢測和探傷的目的。

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

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

　　對于不同被檢測物、檢測環(huán)境和條件，需要有針對性地設計采用大功率閃光燈、超聲波、激光、THz波、熱風、電磁感應、電流、機械振動等方式的熱激勵手段，相應的機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 主要應用和技術特點

　　3.1 主要應用

　　--對航空器/航天器鋁蒙皮的加強筋開裂與銹蝕的檢測，機身蜂窩結構材料、碳纖維和玻璃纖維增強多層復合材料缺陷的檢測、表征、損傷判別與評估。

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

　　--新材料，特別是新型復合結構材料的研究。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。

　　--多層結構和復合材料結構中，脫粘、分層、開裂等損傷的檢測與評估。

　　--各種壓力容器、承重和負載裝置表面及表面下疲勞裂紋的探測。

　　--各種粘接、焊接質量檢測，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。

　　--表面下材料和結構特征識別與表征。

　　--運轉設備的在線、在役監(jiān)測。

　　3.2 技術特點

　　熱波檢測具有如下技術特點：

　　--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果進行自動拼圖處理。

　　--直觀：測量結果用圖像顯示、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，且通常情況下不污染也不需接觸試件。

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

　　3.3 發(fā)展前景

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

　　4 國內外發(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、建筑等許多領域的應用[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廣泛應用于飛機復合材料構件內部缺陷及膠接質量檢測、蒙皮鉚接質量檢測。美國還把它用于航天飛機耐熱保護層潮濕檢測，Atlas空間發(fā)射艙復合材料的粘脫檢測，A3火箭無損檢測。[4]

　　美國韋恩州立大學的工業(yè)制造研究所在該技術領域的研究上一直得到美國政府機構和許多大公司科研基金的支持，處在該領域研究的最前沿，取得了很多實際的研究成果。在FAA1998，1999和2000年飛機機身無損探傷技術競標中，此技術擊敗包括X射線、超聲波、暗電流檢測等多項技術而唯一勝出。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，這些政府機和大公司紛紛設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。