热超声技术在裂纹检测中的应用

　　高新技术和国防工业的发展,特别是航空、航天技术和核工业技术等的发展,对安全性和可靠性的要求越来越高。热超声技术是一种新型的无损检测技术,美国韦恩州立大学的热波实验室近年来在理论上和试验上做了大量工作,结果显示该技术在裂纹检测中有许多优点^[1]。该技术对小的垂直裂纹的检测非常敏感和方便,例如金属的疲劳裂纹。在短短的一秒钟就能被检测到。常规疲劳裂纹检测方法包括涡流、X射线、超声、渗透和磁粉技术。但热超声技术不仅灵敏度、速度和便利性要优于它们,而且还不污染试件。它不需要液体或磁粉粒子的侵入,也不需要射线。国内南京大学声学研究所张淑仪院士对该技术也进行了研究^[2],其利用铝合金板作为样品,通过扭力制作了疲劳裂纹,利用热超声技术对该裂纹进行了检测试验。下面对飞机前起落架旋转臂进行了试验,尝试并证实了热超声技术对该飞机实际部件的检测能力。

　　1　热超声技术的基本原理

　　虽然利用超声激励试件裂纹使之温度升高的精确物理机制仍然是待研究的课题,但是公认的说法是由于裂纹表面摩擦产生热量进而使裂纹处温度升高^[3]。也可以说是试件内部缺陷区域吸收耦合超声能量来产生热量。超声加热和闪光灯脉冲加热试件

　　表面不同,超声只对缺陷加热,得到的信噪比相当高,也不需要考虑加热均匀性问题^[4]。另外对于大多数固体,声波传到裂纹几乎是瞬时的。例如声波在钢铁中的传播速度约是6 km/s,对于帧频为60 Hz的红外相机,在一帧的时间内,声波可以传100 m的距离。此对于某些材料,超声能够在距离激发源较远的地方产生有效的激励^[3]。裂纹受到激励,温度升高,就会影响试件表面温场分布,可以用红外热像仪监控材料表面温场并采集数据,再用电脑软件处理数据后成像。最后通过观察图像就可以得到材料中裂纹的位置和特征等信息。

　　2　热超声检测技术的试验

　　2.1　试验设备

　　试验设备由超声激励系统、红外热像仪和专用软件三部分组成。超声激励系统包括换能器和自制的可移动底座与试件夹具。

　　换能器型号BRANSON LPt ,频率20 kHz,最大功率500 W。红外热像仪用的是瑞典制造ThermaCAM^TMSC3000,它具有制冷型量子阱红外光子探测器,图像分辨率可达320×240像素。其工作波段为8~9μm。用专业热图处理软件进行数据分析。

　　2.2　试件描述

　　试件为某型号飞机前起落架旋转臂,如图1所示。该试件由空军第一航空学院提供,材料为铬锰硅钢30CrMnSiA,尺寸为150 mm×70 mm×70 mm。作为起落架的主要构件,在飞机起飞和降落时均受到较大载荷作用,通常在其R13 mm转角根部上有疲劳裂纹产生。试验中所使用的试件上有一浅层疲劳裂纹,长约60 mm。裂纹是表层下的隐蔽裂纹,在转角根部萌生后沿圆周方向逐步扩展。由于曾长期作为教具,其中一部分已扩展到表面且肉眼可见。用细线环绕测量得其可见长度约32 mm。