超声热成像检测应用实例

　　1　超声热成像检测

　　1.1　检测原理

　　超声热成像检测主要根据被检测对象的材质、结构、缺陷类型以及特定的检测条件,设计或利用特定的振动激励源来促使结构内部产生机械振动(弹性波传播),以使在缺陷部位(裂纹或分层)因热弹效应和滞后效应等原因导致声能衰减而释放出热量,最终引起局部温度升高。使用红外热像仪对局部发热过程进行监测,然后用专用软件对时序热图像进行处理分析并直观显示检测结果,从而对材料内部的缺陷或损伤进行判别(图1)。

　　1.2　技术特点

　　超声热成像检测与其他热成像检测的最大区别在于采用的热激励方式不同。相对其他热成像方法具有适应性好、检测范围大以及检测信号易于辨别等特点。

　　较之脉冲闪光热激励,超声热激励的优势在于无需考虑非均匀加热问题,即使试件有非常复杂的几何形状[1],也可设计合适的声发射探头进行热激励,这对于飞机承力构件(如起落架旋转臂和螺栓孔等)疲劳裂纹或应力腐蚀裂纹的早期预报和诊断具有重要意义。

　　对于大多数固体,声波传到裂纹几乎是瞬时的,例如横波在钢中的传播速度约3.2 km/s,对于帧频为50 Hz的红外热像仪,在两帧的时间间隔内,声波可以传64 m,由于声波衰减相对较低,因此对于某些材料,声波能够在距离激发源较远或较深的地方产生有效的激励[2]。故较脉冲闪光热激励方式,超声激励方式可以对更深的内部分层或裂纹等进行热激励

　　超声热成像检测中有效信号的产生过程取决于所注入的声能与试样机械性能之间的相互作用,试样表面的热特性和热辐射特性影响不大。较常规脉冲闪光热成像检测法,超声热成像检测法中对裂纹信号和背景信号之间的辨别要简单得多。因为脉冲闪光热成像检测法是对整个试样表面进行加热,整个被加热表面都会产生热辐射,因此无缺陷或损伤部位的热图像会影响到对有缺陷或损伤部位的判别。超声热成像检测法则利用声波对裂纹部位进行热激励,而无缺陷或损伤部位的温度变化很细微甚至没有,从而降低了背景信号,更易于对缺陷或损伤的判别。

　　2　超声热成像检测应用实例

　　2.1　碳纤维增强复合材料桁条结构中缺陷检测

　　航空零件中的碳纤维增强复合材料(CFRP)桁条破裂是一种严重故障隐患。因为桁条隐藏在蒙皮或面板后面,从飞机的外表面几乎看不见其损伤。而大多数无损检测方法,从飞机内部进行检测也比较困难而且费时。

　　图2所示检测实例中,分层损伤埋藏于CFRP蒙皮(厚6 mm)下的加强肋中(S1距表面6 mm,S2距表面30 mm)。对该结构分别采用脉冲闪光、超声锁相和超声脉冲热激励方式进行红外热成像检测。结果显示,脉冲闪光锁相热记录法(频率0.01 Hz,图像采集时间200 ms)可以检出蒙皮中的分层,但是光热效应产生的热波传播的深度并不能有效揭示出埋藏于内部的破裂(图3a)。超声锁相热记录法(频率0.01 Hz,激励功率400 W,图像采集时间100 ms)的幅度和相位图像见图3b和c。超声脉冲热像法(频率0.0485 Hz,激励功率400 W,激励脉冲持续时间5 s)的相位图见图3d。两种超声热激励方法都能清晰显示出缺陷S1,但S2因远离表面所以均未检出。