通过使用超声激发红外热像仪

在铝部件中的裂纹检测

郭兴旺^a，弗拉迪米尔·瓦维洛夫^b

^a北航大学机械工程及自动化专业,北京100191,PR中国

^b托木斯克理工大学萨维内赫，托木斯克634028，俄罗斯。

概要 1

文章信息 1

摘要 1

1 .介绍 1

2.缺陷检测机制 2

3.实验设置和样品 2

4.实验分析 4

4.1缺陷检测参数 4

4.2 结果与讨论 4

4.2.1 压电刺激 4

4.2.2 磁致伸缩刺激 5

4.3 数据处理 5

5 结论 6

参考文献 7

概要

超声红外热像仪可以检测重型铝结构中的“接吻”裂纹。

厚铝梁应在两端支撑，并在中间受到刺激。

温度信号和信噪比在0.5秒以下达到最大值。

1D和2D小波变换是一种方便的图像增强技术。

文章信息

文章历史:

收到2013年5月31日

网上2013年8月22日

关键词:

振动光谱

超声红外热像仪

裂纹

图像处理

小波分析

摘要 超声激发红外温度记录，由于其大面积成像能力，所以测试效率高而且安全，是一种强大的检查裂缝重型铝结构的工具。在厚铝部分,最重要的缺陷检测参数的微分信号和温度信号、信噪比, 通常在开始的超声波激励后不久（不到1秒）达到最大值。在非金属矿物的红外检测中,超声激励可能相对较长，而在检测高导电性的铝时，短脉冲(破裂)刺激(从0.4～1s)是当出现最大信噪比的值时通过评估图像的温度可以充分提高裂纹检测的能力。进一步增强测试结果可以通过应用一些数据处理算法,可以用1d即应用于温度的演进,也可以用2D,即应用到空间坐标,或一个图像。 2013发布者Elsevier B.V.

1 .介绍

为了减少飞机和高速列车的结构重量，厚的铝合金零件已经在近年越来越多地用于重负荷轴承结构来代替钢构件。长期的动态加载，这是典型的在许多应用程序中，可以创建表层和次表层疲劳裂纹。一些裂缝可能是最终导致灾难性的失败部分。锋利的槽口，是刚度变化和焊接接缝材料开裂的最可能的位置。常规无损检测(NDT)方法难以检测厚壁铝零件的疲劳缝，包括光红外(IR)温度记录。磁粉收集不能应用于铝,液体渗透测试耗时且混乱，x射线检测可以检测封闭裂缝但是非常困难。 x射线通常是不方便使用因为必要的双边访问和应用的安全要求。涡流检测技术一般都是单点,既非。超声波方法用于重型铝部分通常是单点(单传感器)，即使相控阵系统(多个传感器)可以在某些应用程序中使用。事实上,对于大型铝零件的现场检验，仍然是需要一个快速无损检测技术,操作方便并能创建一个图像。一个特殊的超声红外热象技术,被称为振动热成像术[1]，超声波热声波红外成像[2]，超声波热[3]或声红外温度记录[4]，这种技术能够在某些情况下，检测沉重铝结构的封闭裂缝。

材料在“附近”的超声波振动范围(20 kHz和上图)已经知道多年[5]，一些早期的测试使用超声激励和红外温度记录器成像为Reifsnider et al所报导。[1],Mignogna et al。[6]派伊和亚当斯在1980年代[7]。1988年,罗素等人使用扫描频率的方法检测复合材料的共振激发，与传统热无损检测不同的是,这种方法通常是基于光学刺激材料表面,超声红外热成像利用,直接刺激单频机械的表面波来检测裂缝和地下缺陷。这种组合允许选择性成像的缺陷将机械能直接转化为热能。

值得注意的是，热机械IR热成像法正在三个领域进行：(1)分析热塑性和机械滞后,使材料的机械应力可视化[8]，(2)材料在循环(疲劳)荷载作用下的失效分析(9、10)，和(3)超声刺激检测结构缺陷(裂纹)。后者是本文的主题。

超声波激励红外温度记录被视为红外温度记录无损检测的新近发展起来的版本。世界各地的一些团队在这一领域的开展了深入研究[11-28]。这项研究结果表明，超声红外热成像是一个快速、细致的成像技术，对特定类型的结构性缺陷十分敏感。

如上所述,这种技术已经被证明是一个用于检测金属和陶瓷、裂缝以及分层,复合材料中的脱粘的有前途的工具。近年来，超声波IR热成像已经在许多应用中实现，特别是在以下应用中：（1）飞机复合结构的检查[2]（2）用于航天飞机的前缘机翼的厚多层碳/碳复合材料的评价[17]，（3）检查F16飞机主起落架和玻璃和金属纤维增强材料[19]，（4）蜂窝夹心板的NDT [20]（5）检测飞机垂直稳定器的石墨纤维复合材料和脱粘剂的内部脱层[24]，（6）NDT粘合剂和GLARE和碳纤维增强塑料的表征[25]。

超声红外热像仪的效率受到多种因素的影响，包括材料类型，部件设计，支撑条件，振动模式，激发位置，激发器样品耦合，接触压力，激发频率和脉冲持续时间等[2,3,25,27]。例如，Mayton et al。优化测试检查金属裂纹的条件，第一级，高压喷射涡轮盘中检查裂纹的条件[27]。试验结果表明裂纹响应随着更大的振动幅度而改善触发力，以及较长的超声波脉冲。Holland et al已经在两个金属的实验中定量显示温度信号随裂缝长度增加的样本振动应力[22]。然而，影响检查结果的许多因素仍然需要进一步研究，特别是在重负荷铝结构的检查中。

在这项研究中，使用超声红外热像仪用于航空航天的承重铝结构的检查和高速运输分析。讨论影响测试结果的以下因素：（1）样品支撑（边界）条件，（2）耦合质量，（3）保持压力，（4）位置的刺激点，（5）超声波传播的方向，（6）刺激时间。

此外，通过使用高级图像的图像增强处理算法。

2.缺陷检测机制

传统的光学加热通过热量向缺陷传递能量扩散，这导致温度的延迟作为函数的时间，同时衰减振幅。另一方面，当施加到样品的表面时，超声波刺激产生三维弹性波，当它们相遇时它们发生衍射结构缺陷。这种相互作用产生局部能量释放和在缺陷部位的内部加热。因此，光学刺激的效率随着较大的散射而改善，而超声波刺激在“接吻”裂缝的检测中可能出人意料地好，“接吻”脱粘，压缩脱层等难以通过经典的热NDT方法。在超声IR热成像的基本方案中，超声波发生器安装在与固体的真实接触样品和在10-50kHz的频率范围内的声能连续地或作为脉冲（脉冲）注入样本。负责温度异常的物理机制出现在裂缝处仍然是一个积极讨论的话题[28,29]。相当多的以前的论文，一直致力于分析了声发热机理热成像[3,5,21,28]。普遍同意局部摩擦接触裂纹面之间，以及机械滞后（塑性变形）在裂纹尖端，转动一个动态应力破裂成热源。一定量的热能释放裂缝位置朝向表面传播，导致局部表面温度升高。作为时间函数的表面上的温度信号的演变，以及它们的横向扩散用IR成像器监测并记录为IR序列热分析图。表面和表面缺陷，可以以这种方式检测温度，特性信号可以取决于缺陷的位置。

3.实验设置和样品

在中国北京航空航天大学和俄罗斯托木斯克理工大学开发的两个超声波红外热成像系统已被用于这项研究。两个系统包括IR相机和由计算机控制的超声源用于图像采集和处理的专用软件（图1）。两个系统都使用具有光谱范围的非冷却FPA IR成像器从7.5到13 lm，图像格式320Acirc;240，温度分辨率小于0.1 K和数字图像采集频率高达60Hz。在北京航空大学使用的两个超声波装置包括超声波压电换能器和由超声源驱动的增强器。这些设备的规格略有不同：（1）频率为20 kHz，额定功率为1.5 kW，（2）频率为15 kHz，可调标称功率高达2.6 kW（图2a）。托木斯克理工大学的系统是基于使用具有球形压头的磁致伸缩装置（频率22kHz，偏差为plusmn;100Hz，可调谐功率高达2.5 kW，振幅plusmn;7 lm，脉冲持续时间从0.1到20s），见图2b。

压电激发的一个样品是490mm长和10mm厚由铝合金制成的V型材梁（图3）通过形成两个厚度裂纹在梁的66mm宽的侧表面上的循环加载。从梁的边缘到中心发出的长度为52和56mm的裂纹。为了增加表面发射率和减少背景反射，在测试之前，热成像监测区域涂覆有水基黑色涂料（在检查之后，涂料可以容易地用水去除）。

超声波激励器和样品都通过框架保持。用螺杆将增强器压在样品上。将0.16mm厚的塑料片插入增强器和样品以改善（耦合）超声传播，补偿表面不对准并防止样品的划伤。在实验中使用单向热NDT方案，即激励器和IR成像器都观察相同（前）样品表面。

使用磁致伸缩刺激，样品由两个铝板组成通过摩擦搅拌焊接对接焊接在一起（图4）以评估焊缝。摩擦搅拌焊接，在1991年获得专利[30]，这是一个固态过程用于制造承载部件，特别是，造船，航空航天和汽车工业。所测试的参考样品以低倾斜角和变化产生焊接速度，这导致了一些缺陷的产生关节线（通道或空隙，以及可能的一些“接吻”键），其存在被确认与显微镜分析。通道缺陷，通常与不正确的工具相关联角度，可能严重影响拉伸性能和伸长率，而“亲吻”不良粘合的结果，服务负载或冲击损坏。这些是在摩擦搅拌焊接中典型的缺陷[31]。该样品用超声波位于离焊缝70mm处的点。焊接面积为漆成黑色，并将样品刚性地放置在由磁致伸缩头施加的载荷的支架上，重量为6.5kg。施加到压头的标称电能为2kW刺激6 s。

4.实验分析

4.1缺陷检测参数

在瞬态热NDT中，差分温度信号经常使用和运行温度对比和数据处理的有效性。 一些其他检测参数是归一化对比度引入对比度[32,33]。这里T_d（tau;）和Tn_d（tau;）是缺陷中基于像素或区域的温度和非缺陷区域，T^（n）是选择用于归一化的样品过量温度，其可以是例如在试验期间的最大样品温度，s^（n)是时间当相应的采样点显示“非缺陷”行为时，例如，在加热后不久表面下的缺陷尚未使表面温度分布失真。 重要的是，上述讨论涉及从初始（先前加热）温度计数的样品过量温度。注意，由于热传导的线性，过温度与吸收能量成线性比例。

在超声红外热像仪中，运行对比度似乎是不相关，因为“接近零”的不完全温度。分化对比度通常用于在表面上加热“半无限”体的单侧测试程序中。 另外，实际上，表示缺陷区域中温度信号的无量纲演变。因此，在大多数情况下，超声波刺激的效率由DT（s）值表征，主要缺陷检测条件为 ，其中是所使用的IR成像器的温度分辨率。

在实践中，检测极限通常不受的限制，可能相当小，而是受到由反射辐射和表面杂波确定的噪声水平的限制。 在这种情况下，为了表征测试过程和数据处理算法使用信比方程更方便，其 是在所选择的非缺陷（声音）区域中的噪声的标准偏差。

4.2 结果与讨论

4.2.1 压电刺激

在第一个实验中，V型梁作为悬臂水平安装，并在中间附近用20kHz超声波激发（图5)。放置橡胶垫圈在样品和支架之间，以防止振动能量的损失。 通过螺杆提供约200N的正常压力。IR相机监测感兴趣区域并获取具有60Hz频率的IR图像。在超声波刺激之前拍摄一些基线或参考IR图像。

在视觉上，在超声波刺激开始后立即在原始图像中出现“暖”缺陷指示（图6）。两个裂纹之间的距离为200mm。只有一个裂缝立刻出现在视野，而第二个是在助推器后面。 然而，两个裂纹产生相似的热指示。 重要的是认识到能量产生仅发生在裂纹尖端，而开放裂纹的温度保持不变，因为没有摩擦（裂纹长度为52mm，而温暖区域显得更小，见图6b）。

上面介绍的检测参数已经为位于可见缺陷模式上的5times;5像素缺陷区域确定，而已经放置20times;20像素的非缺陷区域旁边的缺陷签名.图3中呈现的DT和SNR的

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