紅外熱波無損檢測技術(shù)應(yīng)用與進展

李曉麗，金萬平，張存林，沈京玲

（1.北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京 100081；2.北京維泰凱信新技術(shù)有限公司，北京 100085；3.首都師范大學(xué)太赫茲光電子學(xué)教育部重點實驗室，北京 100048）

紅外熱波無損檢測技術(shù)由于其非接觸、檢測速度快、受曲率影響小，適用于大部分材料，特別是復(fù)合材料的檢測，故成為一項非常有發(fā)展前景的無損檢測新技術(shù)。但由于前期缺乏國產(chǎn)設(shè)備，而進口設(shè)備昂貴，加上缺少應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，紅外熱波技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了一定的限制，用戶基本都在航空、航天等高端領(lǐng)域［1－2］。近年來，隨著相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26643－2011《無損檢測 閃光燈激勵紅外熱像法導(dǎo)則》的發(fā)布，紅外無損檢測人員資質(zhì)培訓(xùn)中心的成立，極大地推動了該技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，解決了航空、航天以及風(fēng)電、文物等領(lǐng)域內(nèi)一些常規(guī)無損檢測技術(shù)難以解決的問題，還涌現(xiàn)了大量新的應(yīng)用需求。

1 應(yīng)用案例

1.1 航空航天檢測應(yīng)用

（1）一種含有微孔的多層金屬絲網(wǎng)復(fù)合材料分層缺陷的檢測。對于該結(jié)構(gòu)的分層缺陷，經(jīng)生產(chǎn)和應(yīng)用部門的反復(fù)調(diào)研，嘗試多種常規(guī)無損檢測，接觸類的檢測方法均不能滿足完全無污損的檢測要求，而射線對于分層缺陷的檢測靈敏度較低，因此常規(guī)的無損檢測方法均不適用于此復(fù)合材料檢測［3］。通過研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的抗反射工藝，紅外無損檢測法滿足了用戶對于檢測條件和分辨率的要求。如圖1所示為該復(fù)合材料半成品分層缺陷紅外檢測結(jié)果。

圖1 復(fù)合材料半成品分層缺陷正反兩面紅外成像圖

（2）復(fù)合材料基體的涂覆層檢測和測厚。涂層廣泛應(yīng)用于航空航天等諸多領(lǐng)域，在工程技術(shù)領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。涂層厚度、涂層內(nèi)部缺陷以及涂層與基體間粘接質(zhì)量［4－6］情況均能反應(yīng)涂層涂覆質(zhì)量。渦流、超聲是常見的檢測方法，但均受到一定條件的限制，無法滿足大面積、非接觸等要求，特別是檢測復(fù)合材料基底的涂層件，更加困難。如圖2為紅外熱波檢測涂層材料熱圖結(jié)果。

圖2 某預(yù)制缺陷特種涂層粘接質(zhì)量熱成像圖及特種涂層厚度測量曲線

（3）碳碳材料、碳碳化硅材料紅外檢測。碳碳材料、碳碳化硅材料是航天產(chǎn)品中常用材料，但由于其制造工藝與結(jié)構(gòu)的特殊性，常會出現(xiàn)密度不均等問題，常規(guī)的無損檢測方法受到檢測條件限制，無法滿足檢測要求，試驗證明紅外熱波無損檢測方法可以應(yīng)用于解決某些制造缺陷的檢測問題［7－8］。如圖3所示，利用紅外熱波檢測可以發(fā)現(xiàn)局部密度不均。

圖3 碳碳材料密度均勻性檢測紅外熱成像圖

（4）蜂窩結(jié)構(gòu)紅外檢測。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是飛機制造中大量使用的材料，常見的缺陷有積水、積油缺陷。飛機機身蜂窩結(jié)構(gòu)材料中存在少量凝結(jié)水通常是允許的，但當(dāng)尾舵、機翼等關(guān)鍵部位的蜂窩材料中出現(xiàn)滲漏液壓油時，卻可能意味著嚴(yán)重的機械故障。當(dāng)然，蜂窩結(jié)構(gòu)中的大量積水也會增加結(jié)構(gòu)重量，腐蝕蒙皮與蜂窩核之間的膠層，危及飛行安全。紅外無損檢測方法可以對蜂窩積水、積油識別，在積液量不多的情況下可以對積水量進行測算［9－11］。圖4 為蜂窩積水紅外熱成像圖及蜂窩積油、積水識別曲線。

圖4 蜂窩積水紅外熱成像圖與積油識別曲線

（5）超聲熱激勵紅外檢測。利用摩擦生熱的原理，用超聲作為紅外熱波檢測的激勵熱源，是國際紅外無損檢測領(lǐng)域的一個研究熱點［12－13］。這種方法對于裂紋，特別是閉合裂紋，檢測效果良好。如圖5所示，缺陷為一微孔，由于微孔尺寸過小，嘗試了很多方法均未檢出，超聲熱激勵紅外檢測的效果非常明顯。

圖5 某高壓金屬容器微孔超聲熱激勵紅外熱成像圖

超聲熱激勵紅外檢測還可以用于裂紋、腐蝕、分層等缺陷的檢測［14－15］，檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 超聲熱激勵紅外檢測應(yīng)用示例

1.2 風(fēng)力電機葉片

隨著風(fēng)力發(fā)電機單臺功率的不斷提高，風(fēng)電葉片的體積也越來越大，對于材料、工藝水平和質(zhì)量的可靠性要求也越來越高。國際上嘗試用于風(fēng)電葉片的無損檢測方法有紅外、超聲、聲發(fā)射、射線等，這些方法目前均處于實驗室研究階段［16－21］，沒有成熟的檢測工藝、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。在國內(nèi)，大部分葉片廠是通過靜力試驗、外形檢測、目視、敲擊等方法來進行質(zhì)量控制［22－23］。首都師范大學(xué)、北京維泰凱信新技術(shù)有限公司紅外熱波聯(lián)合實驗室對該領(lǐng)域跟蹤多年，有一些初步的研究成果，如圖7所示。此外，“模具電加熱絲斷點紅外檢測方法和系統(tǒng)”正在申報發(fā)明專利；《風(fēng)力發(fā)電機組 風(fēng)輪葉片紅外熱像檢測指南》已作為國家標(biāo)準(zhǔn)項目正式立項，將于2016年完成；相關(guān)專用設(shè)備也正在研制中。

1.3 文物保護檢測應(yīng)用

圖7 風(fēng)電葉片常見缺陷紅外檢測結(jié)果

全國文物保護單位上千家，以故宮博物院為代表的文物單位館藏不計其數(shù)，但是目前文物的保護主要依賴人的經(jīng)驗，不僅存在可能的鑒定漏洞，同時無法滿足對文物鑒定、檢測、修復(fù)等工作的需求，迫切需要引入更多的現(xiàn)代科技手段［24］。圖8 所示為某巨幅壁畫檢測的初步結(jié)果，可為后期維護及修復(fù)提供有價值的信息。

圖8 巨幅壁畫熱紅外成像圖

2 紅外熱波無損檢測系統(tǒng)開發(fā)

目前，國內(nèi)自主研發(fā)的成套的紅外熱波無損檢測設(shè)備還較少，首都師范大學(xué)、北京維泰凱信新技術(shù)有限公司、北京航空材料研究院紅外熱波聯(lián)合實驗室致力于紅外研究十多年，有的專家甚至在紅外領(lǐng)域研究工作三十余年，對于主動式紅外檢測的激勵、控制、數(shù)據(jù)處理形成自己獨特的方法，積累了系統(tǒng)設(shè)計和研制的大量經(jīng)驗。圖9是自主研制紅外無損檢測系統(tǒng)及其檢測結(jié)果示例。

圖9 自主研制紅外無損檢測系統(tǒng)及檢測示例

設(shè)備選用了非制冷熱像儀，注重低成本化和便攜的特點，運用了自主知識產(chǎn)權(quán)的處理算法。經(jīng)過試驗分析，設(shè)備檢測結(jié)果達到了較為理想的狀態(tài)。集成化更高的二代機正在研制中。

3 紅外熱波檢測標(biāo)準(zhǔn)研制

自2003年以來首都師范大學(xué)、北京維泰凱信新技術(shù)有限公司、北京航空材料研究院紅外熱波聯(lián)合實驗室在紅外熱波無損檢測方面做了大量的工作，積累了豐富的經(jīng)驗。2008年7月，課題組提交了“閃光燈激勵紅外熱成像無損檢測方法”標(biāo)準(zhǔn)化公益項目申請，針對“閃光燈激勵紅外熱成像無損檢測方法”的設(shè)備要求、操作規(guī)程等一系列問題進行研究，建立標(biāo)準(zhǔn)體系。項目組最終申報了導(dǎo)則、檢測系統(tǒng)、試塊、檢測規(guī)范、應(yīng)用等在內(nèi)的8項標(biāo)準(zhǔn)的研究。

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會分別在2009年和2012年下達了［2009］59號文和［2012］13號文，由北京維泰凱信公司、首都師范大學(xué)、北京航空材料研究院等單位牽頭起草導(dǎo)則、檢測系統(tǒng)、試塊、檢測規(guī)范四項標(biāo)準(zhǔn)。截止目前，1項已正式發(fā)布，其他3項已報批。此后，還將針對一些能體現(xiàn)紅外檢測特點與優(yōu)勢，且相對成熟的應(yīng)用，比如蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料基體涂層等提出通用的技術(shù)條件和技術(shù)要求，并提供應(yīng)用范例。除閃光燈激勵紅外檢測標(biāo)準(zhǔn)外，課題組也將在超聲激勵、電磁激勵、鎖相等技術(shù)方面開展工作。

4 資質(zhì)認(rèn)證

根據(jù)《GB／T 9445／ISO 9712 無損檢測 人員資格鑒定與認(rèn)證》要求，紅外熱成像檢測需要對檢測人員進行資格鑒定與認(rèn)證，而認(rèn)證實施的前提是有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、師資力量、培訓(xùn)教材、標(biāo)準(zhǔn)試塊，考試題庫等。在準(zhǔn)備過程，中國機械工業(yè)學(xué)會無損檢測學(xué)會給予了大力支持，最終在2012年建立了第一個紅外培訓(xùn)中心，并于8月份成功舉辦了第一期紅外無損檢測資質(zhì)認(rèn)證培訓(xùn)。紅外無損檢測技術(shù)是第一個納入中國機械工業(yè)學(xué)會無損檢測資質(zhì)認(rèn)證培訓(xùn)的非常規(guī)技術(shù)，開創(chuàng)了無損檢測新技術(shù)資質(zhì)認(rèn)證常規(guī)化的先河，具有里程碑意義。但由于紅外無損檢測作為一項新技術(shù)，使用人群相對較小，因此暫定2015年8月份舉辦第二期培訓(xùn)，并自此隔年舉辦培訓(xùn)班，使培訓(xùn)工作常態(tài)化。

5 結(jié)論

近年來，國內(nèi)紅外無損檢測技術(shù)取得了長足的進步，在應(yīng)用與推廣方面也取得了不少成績，特別是發(fā)布了閃光燈激勵紅外無損檢測系列國家標(biāo)準(zhǔn)，建立了首個紅外資質(zhì)認(rèn)證培訓(xùn)中心，開發(fā)了自主研發(fā)的設(shè)備，為紅外熱波技術(shù)在國內(nèi)推廣應(yīng)用提供了初步條件。相信在未來十年，紅外無損檢測技術(shù)將會更好地發(fā)揮優(yōu)勢，與其他無損檢測方法形成互補，為制造業(yè)的發(fā)展提供強有力的支撐。

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