红外热波无损检测技术在美国的应用

　　1　引言

　　本文试图简要描述红外热波技术在美国比较典型的成功应用,主要是美国韦恩州立大学和TWI公司的应用案例。其中部分图片取自美国韦恩州立大学和TWI公司的公开资料。

　　2　应用实例举要

　　2.1　飞机检测

　　红外热波检测技术用于飞机探伤主要是探测其蒙皮损伤。飞机蒙皮损伤大致有五类:一是起降过程中受异物撞击(如冰雹、飞沙、飞鸟等)后引起的损伤,特别是采用复合材料的部分,受撞击后表面完好,而强度和密封性已被破坏;二是因高低空压力变化产生的“吹气球”效应,从而导致应力集中外(铆钉附近)的金属因疲劳而产生裂纹;三是各种化学原因造成的锈蚀,特别是内表面锈蚀;四是各种原因引起的结构损伤,如各种失效的粘接、焊接、铆接;五是密封不好引起的机身蜂窝结构件和泡沫材料件的积水。红外热波检测技术对于所有这五类损伤的检测都得到了实用和有效的结果,而且,还可以对损伤做定量分析。如探测损伤深度、锈蚀程度以及能区别是积水还是渗漏的液压油等。这些结果都是经过大量实验室和实地、外场试验,不断总结经验和改进设备才得到的[1][2]。

　　图1为波音737飞机某一局部的可见光照片。被测区4×5大小,可看清铝蒙皮上的铆钉和一块修补。

　　图2与图1为相同区域,4×5面积,是波音737飞机蒙皮的红外热波检测结果拼图。热波检测结果图可看清铝蒙皮内部的加强筋开裂和锈蚀损伤。全部检测仅用时20 min,这对于飞机在役检测十分有意义。

　　图3是热波检测技术用于对飞机表面下蜂窝结构材料的损伤识别和表征[3]。对飞机蜂窝结构材料进行脉冲加热后,应用红外热波检测技术可绘出表面不同区域的冷却曲线,用于飞机蜂窝结构材料的探伤检测与损伤特性识别。图3中用不同颜色深浅对照显示了不同损伤区域与其相应的表面冷却曲线,其结果可以识别出表面下正常状况、多层蒙皮材料开裂、蒙皮下蜂窝结构材料缺损、液压油渗漏、蜂窝结构储水等各种情况。

　　2.2　碳纤维增强多层复合材料受单点撞击后的层析探伤

　　图4为受撞击后的碳纤维增强多层复合材料试件在应用红外热波检测技术后得到的一组热图,材料厚度约4 mm,共32层。受单点撞击后表面无明显可见损伤。脉冲加热后,如图4所示,不同时间的热图显现了不同深度层的损伤状况。各层损伤沿该层纤维方向扩展。受撞面1、2层无伤。“花”心为受撞点[3]。

　　2.3　绝热层的检测

　　各种各样的热机、发动机都有两个基本问题:提高效率和防止过热烧毁。流行的办法是在其燃烧腔内金属部件上涂陶瓷或合金材料的绝热层。而绝热层在金属上的附着性能常常决定了热机的寿命。世界一家最大的发动机制造商就曾在研制一种大型发动机时遇到了该如何测量喷涂在活塞上的陶瓷绝热层的寿命问题。当工程师将涂有不同厚度的、采用不同配方的陶瓷绝热层的活塞放到引擎中实际运转不同时间段而最终取出后,竟无法确定陶瓷绝热层的附着情况。所有已知可用的探伤办法都无法做到即不损伤又不接触样品。而采用热波探伤的方法后,每个试件只需几十秒钟,便可将绝热层的附着情况清晰地显示出来。类似的试验还有某汽车公司铸铝缸体内衬附着问题、其公司涡轮发电机叶片绝热层附着问题等等。与这些情况类似,航天器的液体燃料发动机和火箭固体燃料发动机的喷口绝热层附着问题、各种镀膜、涂层的探伤问题、粘接质量问题等都可用同样方法进行探测[4][5]。图5为涡轮叶片检测热图。