超声红外热像技术在金属裂纹检测中应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 超声红外热像技术在金属裂纹检测 中应用 摘 要：针对现有传统无损检测 技术对金属裂纹检测效果不理想以及超 声红外热像技术生热特性研究不充分的 问题，将超声红外热像技术引入到金属 裂纹的检测，简要介绍了该技术的基本 原理和系统组成，分析了实验中裂纹生 热的特点，进一步探索了激励参数和耦 合材料对裂纹生热的影响，研究结果表 明：超声红外热像技术非常适合金属裂 纹等接触界面型缺陷的检测，检测效果 很好。研究成果为超声红外热像技术检 测规范的制定奠定了理论基础。 中国论文网 /1/view-13026578.htm 关键词：超声红外；金属裂纹； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 激励参数；耦合材料 DOI：10.16640/ki.37- 1222/t.2018.08.001 当前，各种新型设备不断更新换 代，其结构复杂化和材料多样化使得传 统检测手段难以满足检测需求。因此， 迫切需要新的检测技术的应用推广。超 声红外热像技术是一种新型的无损检测 技术1，它以其具有的检测速度快、检 测范围广、使用方便等优势受到了国内 外研究人员的高度重视。目前，国内外 学者在超声激励下缺陷生热特性方面开 展了不同程度的研究。X. Han 等人通过 热能计算工具分析了红外数据，基于实 验分析，探索了不同耦合材料对红外热 信号的影响2。郑江等人研究了超声源 的位置对激发裂纹热成像的影响，通过 试验观察到当超声源激发的位置改变时， 裂纹区域的温度升高加热明显不同3。 冯辅周等人对超声激励条件下微裂纹生 热进行了试验研究，揭示了微裂纹生热 与被测试件厚度之间的关系4。然而， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 上述研究都局限于的考虑单一因素对缺 陷生热的影，而且对于缺陷生热特性 研究并不深入，研究成果很难指导检测 红外热像技术的检测应用。 为了探索超声红外热像技术在金 属裂纹检测中的效果，同时深入研究裂 纹生热特性以及激励参数、耦合材料等 多种因素对裂纹生热的影响，本文以金 属疲劳裂纹为研究对象，引入超声红外 热像检测技术，探索超声激励下裂纹生 热特性，进一步，揭示激励强度和激励 时间等激励参数、耦合材料等因素对裂 纹生热的影响，研究将为超声红外热像 技术检测规范的制定提供理论依据，最 终指导该技术走向工程实践应用。 1 基本原理和系统组成 超声红外热像技术在检测过程中 包含超声激励的产生与传播、裂纹生热 以及热量的扩散、试件表面温度分布获 取等过程。其检测的基本原理是：以超 声发生器产生超声脉冲作为激励源，作 用于被测对象并将超声波传递到被测对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 象内部，进而传播至缺陷区域， 由于 缺陷区域的摩擦、塑性变形、粘弹性效 应5等使得周围温度升高，进一步利用 红外热像仪获取被测对象表面温度分布 情况，通过温度变化达到缺陷识别的目 的。 超声红外热像系统主要由激励发 生装置、红外热像仪、计算机和被测对 象四部分构成6，其系统示意图如图 1 所示。具体来说，激励发生装置包括超 声电源和超声发生器两部分组成，超声 电源为超声发生器提供电源；而超声发 生器是产生超声激励的核心部件，能将 电能转化为机械能；红外热像仪主要用 来采集红外热图像；计算机用于控制系 统的运行以及数据处理；被测试件的材 料选择合金钢，尺寸为 200mm100mm3mm，在其长边预制一 长度为 5mm 的裂纹缺陷，其结构示意 图如图 2 所示。 2 裂纹生热特性分析 图 2 中虚线框内区域为红外热像 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 仪的采集区域，由此可以获取被测平板 表面温度分布情况，如图 3 所示。图中 可以看出：裂纹区域生热明显高于其他 区域，由此可以实现裂纹缺陷的识别， 说明了该方法对于金属裂纹缺陷检测的 有效性。进一步计算将裂纹区域温升平 均值，观察其随激励时间的变化情况， 如图 4 所示。图中曲线表明：裂纹区域 温升随激励时间呈现出逐渐升高的趋势， 激励停止（2s 时刻） ，温升逐渐降低， 在上升阶段温升增长率越来越小，而在 下降阶段温升下降率越来越大。 3 裂纹生热的参数影响 参数影响研究超声红外热像技术 的重要内容，也是进行检测条件优化研 究的必要基础，其研究成果将为超声红 外热像技术检测规范的制定提供理论指 导。本文引入激励时间、激励强度和耦 合材料三个参数作为变量，探索不同参 数对裂纹生热的影响，旨在对比分析不 同参数对裂纹生热的影响规律，为后续 检测条件优化奠定理论基础。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 3.1 激励时间的影响 为探索激励时间对裂纹生热的影 响，设置 1s 到 5s 五组不同的激励时间， 在其他条件不变的情况下，进行实验分 析。选取裂纹区域温度的平均值变化曲 线作为研究对象，观察不同时刻温度变 化的趋势。图中表明：虽然进行了 5 次 试验，但是 5 条曲线的起点和变化轨迹 也基本相似。随着激励时间的增加，裂 纹区域温度平均值逐渐增大，但是增长 率逐渐降低。其主要原因是由于裂纹生 热速率与时间的传热速率之间相互作用 的结果。在激励开始到 1s 时刻，裂纹 区域温度上升的趋势比较明显，之后温 度上升趋势趋于平缓，在 5s 时刻温度 上升的趋势已经非常小，同时在整个激 励过程中，裂纹区域温度增长率在逐渐 降低。说明了激励时间对裂纹生热的影 响是一个逐渐变小的过程，由此可以预 测在其他因素不变的情况下，存在一个 激励时间的临界值使得裂纹生热达到平 衡。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 3.2 激励强度的影响 激励强度用激励发生装置的输出 功率表示，单位为 W。和激励时间的影 响类似，设置激励强度为 550W、600W、650W、750W 和 850W，选择裂纹区域平均温升为研究 对象，其变化曲线如图 6 所示。图示得 到：随着激励强度的增大，裂纹区域平 均温升呈现出逐渐增大的趋势。然而在 实际检测过程中，过大的激励强度会对 被测对象表面造成冲击损伤，并不是激 励强度越大越好。由此可以看出，在其 他条件不变的情况下，存在一个激励强 度的合理值，使得裂纹生热能够被有效 检测到同时又不会造成被测试件的损伤。 3.3 耦合材料的影响 前面探索了激励参数对裂纹生热 的影响， 除此之外，影响裂纹生热的 因素还有很多，耦合材料就是其中之一。 耦合材料是位于被测对象和激励发生器 中间，起到将超声激励更加有效地传递 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 到被测对象中的一种材料。如图 7 所示， 本文中选择了膏药、热缩管、皮革以及 名片等四种材料，观察不同的耦合材料 对裂纹生热的影响。图 8 所示为耦合材 料影响裂纹生热的结果，图中表明：名 片的耦合效果远远好于其他三种材料， 而皮革的耦合效果最不好。其原因是： 名片材料比较硬，超声波传递过程中损 失比较少，而皮革材料则起到了减振作 用，吸收了大部分超声波。由此可以看 出，慎重选择耦合材料可以有效促进裂 纹生热效果。 4 结论 本文以含裂纹缺陷的合金钢平板 为研究对象，引入了超声红外热像技术， 探索了超声激励下裂纹生热特性以及裂 纹生热的参数影响，得到的主要结论如 下： （1）生热特性分析表明：裂纹 区域生热明显高于其他区域，由此可以 识别出裂纹缺陷，说明了超声红外热像 技术对于金属裂纹缺陷检测的有效性。 （2）激励参数影响分析表明： -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 随着激励时间的增加，裂纹区域温升呈 现出逐渐增大，但增长率逐渐降低的趋 势，