CSTM-无损检测 红外检测 涡流红外热成像检测方法编制说明

《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法CSTM无损检测标准命名规则》团体标准编制说明一、工作简况1.任务来源本标准经中国材料与试验团体标准委员会（以下简称：CSTM标准委员会）无损检测技术及设备领域委员会审查，CSTM标准委员会批准《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》立项，标准项目归口管理委员会为CSTM/FC94无损检测技术及设备领域委员会，标准计划编号为CSTMLX940000432-2020，由四川大学牵头承担《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》团体标准的制定工作。计划项目周期为2020.06-2020.12。2.标准制定的背景和目的涡流热成像检测技术适用于导电材料（包括金属和非金属材料）的表面和亚表面缺陷检测，包括裂纹、闭合缺陷、组织不均匀等的检测。方法在经历了较长一段时间的基础理论研究后，目前其理论和技术日趋成熟，已得到一些应用,但尚无国家标准或行业标准予以规范，需要通过标准的制定对检测方法、设备以及人员进行规范,促进人才培养与产业发展。3.工作主要过程按照中国材料与试验团体标准委员会标准制修订程序的要求，《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》团体标准的编制完成了以下工作：（1）起草阶段：CSTM/FC94无损检测技术及设备领域委员会成立之后，积极开展各项标准制定工作，为保证后续标准的规范性，针对《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》组建成立了标准起草工作组，确定了标准编写原则和分工，提出标准编制进度安排。2020.6~9标准草案的研讨标准起草工作组根据编写原则与分工，完成了文献调研，经多次讨论与沟通，形成了标准草案的讨论稿。2020.10~11标准草案的修订与完善各参与单位和人员针对讨论稿提出修改建议，通过讨论交流达成一致意见后，分别对标准草案进行修订，形成标准征求意见稿并提交至秘书处，由秘书处发布并征求意见。2020.12标准定稿送审（2）征求意见阶段：起草工作组根据标准编写原则与分工完成《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》征求意见稿后，将征求意见稿发送相关单位和专家进行意见征集。迄今未收到修改意见或建议。4.主要参加单位及工作组成员主要参加单位包括：四川大学、爱德森（厦门）电子有限公司、中国特种设备检测研究院、电子科技大学、上海金艺检测技术有限公司等。工作组成员包括：杨随先、郑阳、高斌、伍剑波、林俊明、田贵云、俞跃、沈彦文等。二、标准化对象简要情况及制修订标准的原则1.标准化对象简要情况涡流热成像技术是一种新型无损检测技术，它利用感应涡流加热被检对象，用红外相机成像获得被检对象表面的温度分布图像，从而获得缺陷信息。本标准着重描述了涡流热成像检测的技术原理、测试设备、检测方法与流程、参数设置、结果分析与数据处理。2.制修订标准的原则（1）制修订标准的依据或理由涡流热成像检测技术日趋成熟，已得到一些应用。需要通过标准对检测方法、设备以及人员进行规范。促进人才培养与产业发展。（2）制修订标准的原则本标准为无损检测领域的通用基础标准之一，编写时遵循“广泛参与、合理易用、服务产业”的标准编制原则，充分考虑企业、使用单位各方面的意见和建议。旨在指导和规范涡流热成像检测技术应用推广，方法实用、易操作，参数设定科学合理且有理论或实验依据。本标准编制遵循经济社会发展需求原则、技术先进和经济合理原则、适应贸易全球化需求原则、维护公众利益原则、协商一致原则、广泛参与和公开透明原则。本标准在结构编写和内容编排等方面参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》，GB/T20001.4《标准编写规则第4部分：试验方法标准》给出的规则起草。三、采用国际标准和国外先进标准的情况国际、国内无相同标准，国内现有以下近似标准：闪光灯激励红外热成像GB/T31768-2015；机器状态监测与诊断热成像GB/T30831-2014；无损检测机械及电气设备红外热成像检测方法GB/T28706-2012；Q/TM杭州泰默检测技术有限公司企业标准Q/TM10002—2018脉冲涡流热成像检测方法。现有征求意见中标准为：20173565-T-469_无损检测主动式红外热成像检测方法。本标准起草中部分参考了Q/TM10002—2018。四、标准主要内容本标准主要包括：1范围，2规范性引用文件，3术语和定义，4原理，5仪器和设备，6试验步骤，7试验数据处理，8检测报告，9人员要求10安全性。本标准的全部内容，经过标准起草工作组协商一致。五、主要试验（或验证）结果的分析、综述报告、技术经济论证，预期的经济效果等5.1主要实验（或验证）结果的分析、综述报告本标准所使用的方法，经过众多实验和多次现场检测应用，其有效性得到了验证。标准编制组对本标准所规定的涡流激励红外热成像方法进行了多次现场检测验证分析，实验验证内容主要涉及涡流激励红外热成像方法的原理、检测设备和器材、缺陷量化分析等。5.1.1涡流激励红外热成像检测机理涡流激励红外热成像无损检测的基本原理是基于电磁涡流效应与焦耳定律。利用法拉第电磁感应原理在导体材料内部感应出涡流并产生焦耳热，当被测工件表面或亚表面存在缺陷时，被测体中的涡流场传导路径会发生改变，并造成焦耳热分布不均，进而影响材料表面的温度场。这种由于焦耳热分布不均引起的温度场变化可以被红外成像仪记录，经图像处理和数据分析可获得工件的缺陷信息。图1为涡流激励红外热成像检测工件缺陷的原理示意图。计算机控制涡流发生器产生高频、大幅值的脉冲交变电流通过激励装置，同时计算机控制红外相机记录工件表面的温度场变化。图2所示为缺陷工件内部的涡流分布与局部温升示意图。感应涡流在传导过程中绕过缺陷，从缺陷端部与底部通过，造成涡流局部集中，形成红色所示的局部高温区域。同时缺陷两侧因涡流强度减小，形成蓝色所示的局部低温区域。图1脉冲涡流激励红外热成像检测工件缺陷的原理示意图图2缺陷工件内部的涡流分布与局部温升示意图5.1.2检测设备涡流激励红外热成像无损检测系统主要包括高频电源、涡流发生器与激励装置、热像仪、控制和图像采集与分析计算机。其中，高频电源为激励装置提供交变大电流；涡流发生器与激励装置的作用是将高频电源输出的电能转变为电磁能并耦合到被检工件；红外热像仪通过测量被测对象的红外热辐射对其表面热分布进行成像；图像采集与分析计算机一方面设置高频电源的工作参数，控制其启停；另一方面采集记录热图像序列数据，对数据进行处理分析和显示。为满足大部分材料的检测需求，高频电源与涡流发生器我们采用了美国Ameritherm公司的EASYHEAT0224，如图3所示。该激励源为商用精密感应加热模块，其最大功率2.4kW，最大电流400A，激励频率范围150kHz-400kHz，从触发到达到预设输出功率用时不超过5ms。图3高频电源与涡流发生器EASYHEAT0224根据魏德曼-弗兰兹定律，大部分金属材料的热导率与电导率成正比，即高电导率的材料往往具有高热扩散系数。根据焦耳热公式，高电导率降低了材料的加热效果，而另一方面，高热扩散系数加速了热量在材料中的横向扩散。因此，为保证检测金属材料缺陷时图像具有较高的对比度，需要采用高速红外热像仪观测记录材料的热扩散过程。实际测量中，红外热像仪型号为美国FLIR公司生产的FLIRA655sc热像仪，如图4所示，该热像仪工作波段为7.5~13.5μm，环境温度为20℃时热灵敏度小于0.03℃，可提供640×120像素的图像，红外图像的最大采集频率为200Hz。计算机软件系统为FLIRResearchchIRMax4软件，以此进行现场处理和后期图像分析。图4FLIRA655sc热像仪5.1.3测试实验及结果利用以上设备，我们搭建了涡流激励热成像检测系统，如图5所示。采用该系统我们不仅检测了具有高磁导率的铁磁材料，而且成功检测了从低导电率的碳纤维复合材料到高导电率的铝试件等多种导电材料。大量的成功实例验证了该实验系统设计的合理性。下面介绍铝合金焊缝缺陷检测与量化分析实验。图5涡流激励热成像检测系统图6（a）展示的试件由两块铝合金薄板焊接而成，焊缝长250mm，宽20mm；焊接成长300mm，宽170mm，厚7.18mm的铝合金薄板，在焊缝表面人工加工7条不同角度的裂纹，裂纹的尺寸如表1，如图6（b）所示，圆圈位置即为被检裂纹所处位置。表1焊缝缺陷特征数据焊缝缺陷标记\焊缝缺陷特征数据长/mm宽/mm深/mm角度/°C15.100.882.180C25.100.882.11915C35.100.882.1830C45.100.882.1545C55.100.882.1460C65.100.882.0775C75.100.882.0990(a)未上色铝合金焊接板块全貌图(b)缺陷标记图图6铝合金搅拌摩擦焊不同角度的缺陷试验前先放置矩形感应线圈的长边于试件正上方，使线圈一直与铝合金薄板的短边（即宽20mm的边）平行，不同角度的焊缝缺陷与线圈的位置关系如图7所示，确定线圈的提离值为1.6mm。然后进行热像仪的温度标定和焦距设置，使热像仪现场温度显示均匀。热像仪镜头离试件的距离在11~45cm之间，为了避免线圈遮挡缺陷，应使热像仪与铝合金薄板的法线方向呈25°~30°，并调节三脚架的位置，使所需检测缺陷处于热像图视野中心。接着打开离心泵，使得冷却水在线圈内循环冷却。设置采集时间为2s，启动涡流装置和热像仪采集装置开始实验。θ由线圈和焊缝缺陷的法向夹角决定焊缝缺陷的法向线圈的法向θ由线圈和焊缝缺陷的法向夹角决定焊缝缺陷的法向线圈的法向图7不同角度的焊缝缺陷与线圈的位置关系30°15°0°30°15°0°90°75°60°45°90°75°60°45°图8不同角度焊缝缺陷在电流400A、加热时间20ms的温度分布图8展示了角度分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°缺陷在电流400A、加热时间20ms的温度分布。可以看出，在相同电流大小、相同加热时间下，红外涡流热成像能有效检测铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝表面不同角度的缺陷，并且随着角度的增加，图像显示越明显。为更好地分析近表面微裂纹检测效果，现提取最大温差变化曲线在不同角度焊缝缺陷的提取区域，如图9所示；图9最大温差变化曲线在不同角度焊缝缺陷的提取区域现提取当激励时间为200ms时，所有缺陷分别在300A、400A、500A、600A的电流下的温度变化规律图像，如图10所示；可以看出随着缺陷角度的增加，最大温差也逐渐增大，0°—15°温差缓慢增加，15°—45°温差增加剧烈，45°—90°温差趋于稳定；同时，4条折线相互交叉，证明电流大小对于缺陷最大温差的影响不明显。图10缺陷最大温差随电流大小的变化规律图11缺陷最大温差随激励时长的变化规律现提取当激励电流为400A时，0°和45°缺陷分别在在200ms、300ms、400ms、500ms、600ms的激励时长下的温度变化规律图像，如图11所示；可以看出在0°缺陷时，最大温差稳定在0.4℃，在45°缺陷时，最大温差在0.7℃下趋于稳定。针对铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝缺陷试件进行了涡流激励热成像检测，数值计算分析了涡流激励下裂纹处的生热过程，并制作试件进行了试验验证，得到的结论如下所述：涡流热成像检测方式可有效检测出铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝缺陷，被检试件表面温度场在裂纹处分层明显，可清晰观察。通过分析试件表面最大温差随电流的变化曲线，发现在激励时长一定的条件下，随着缺陷角度的增加，最大温差也逐渐增大，0°—15°温差缓慢增加，15°—45°温差增加剧烈，45°—90°温差趋于稳定；同时电流大小对于缺陷最大温差的影响不明显。因此，在实际检测过程中，角度在45°（线圈和焊缝缺陷的法向夹角）以上的缺陷更易检测出来。通过分析试件表面最大温差随激励时长变化曲线，发现在电流一定的条件下，激励时长对缺陷最大温差影响不大，趋于稳定。5.2技术经济论证涡流激励热成像检测是无损检测发展的一个重要的方向，该方法不与被检材料有任何接触，属于真正意义上的无损检测。其利用感应涡流在缺陷与非缺陷位置的分布不同影响材料表面的温度场，进而通过热像仪进行表面温度检测。可以检测各种导电材料各种类型缺陷的识别与量化、自动化程度高。近年来，涡流激励热成像检测具有可视化、非接触、高效等优势获得了无损检测领域的广泛关注，成为新的研究热点。如果能尽快将这种新颖的检测方法推广应用，将会带来很大的经济效益，制定《无损检测红外检测涡流红外热成像检测方法无损检测红外检测涡流激励红外热成像方法》标准的工作势在必行。在充分理解和贯彻国家质量、安全等相关