基于方向調(diào)制渦流熱成像的防腐漆下裂紋檢測(cè)

洪婷婷，侯德鑫，葉樹(shù)亮

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018)

0 引言

裂紋是金屬材料中最危險(xiǎn)的缺陷之一，尖銳的裂紋尖端會(huì)引起應(yīng)力集中，促使裂紋快速擴(kuò)展造成嚴(yán)重后果，因此對(duì)于金屬表面裂紋的檢測(cè)非常有必要[1]。渦流熱成像方法結(jié)合了渦流檢測(cè)及熱成像技術(shù)的雙重優(yōu)勢(shì)，具有非接觸、檢測(cè)面積大、高分辨率成像等優(yōu)點(diǎn)，因此在金屬表面裂紋檢測(cè)[2-4]、腐蝕檢測(cè)[5]、焊縫裂紋檢測(cè)[6-7]、以及復(fù)合材料的缺陷檢測(cè)中[8]得到了廣泛應(yīng)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于特殊環(huán)境的需要，金屬表面往往涂有油漆防腐層，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。表面漆層嚴(yán)重影響在役設(shè)備表面裂紋的檢測(cè),渦流熱成像方法主要有脈沖式和鎖相式兩種。Z. KP. LIU等[9]采用有限元仿真的方法對(duì)脈沖渦流熱成像法檢測(cè)漆層下焊縫裂紋做了初步探索，仿真結(jié)果表明通過(guò)分析漆層表面的溫度分布，可以區(qū)分出0.24 mm漆層厚度下的裂紋與非裂紋區(qū)域，但是兩者溫差并不明顯。采用脈沖渦流熱成像方法檢測(cè)防腐漆層下金屬表面裂紋，由于激勵(lì)時(shí)間太短，熱量較低，且熱信號(hào)在穿透漆層過(guò)程中發(fā)生彌散和衰減，裂紋的尖端異常信息容易淹沒(méi)在噪聲和其他干擾中，難以將其提取出來(lái)。針對(duì)脈沖渦流熱成像信噪比低的問(wèn)題，唐波等[10]提出采用大功率脈沖渦流熱成像可以改善檢測(cè)效果，增強(qiáng)信噪比。另外，常規(guī)鎖相熱成像方法也可以提高成像信噪比，該方法可以有效地將有用信號(hào)從噪聲信號(hào)中分離出來(lái)，常用于分層、氣泡和夾雜物等內(nèi)部缺陷檢測(cè)[11]。但是由于漆下裂紋檢測(cè)中，熱傳導(dǎo)發(fā)生在熱物性參數(shù)相差較大的被測(cè)金屬與防腐漆兩種材料中，傳熱過(guò)程更加復(fù)雜。因此，為了更好地解決成像信噪比低的問(wèn)題，本文提出一種方向調(diào)制渦流熱成像方法，可以更有效分離有用信號(hào)與干擾信號(hào)。

1 檢測(cè)原理

1.1 方向調(diào)制渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

方向調(diào)制渦流熱成像檢測(cè)金屬表面裂紋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。常規(guī)渦流熱成像方法是渦流檢測(cè)與熱成像檢測(cè)兩種技術(shù)的結(jié)合，表面裂紋引起的導(dǎo)電不連續(xù)性會(huì)影響感應(yīng)渦流的走向，使得裂紋尖端渦流聚集，結(jié)果表現(xiàn)為裂紋兩端與相鄰非裂紋區(qū)域相比，溫度變化明顯異常，即“尖端效應(yīng)”[12]。利用熱像儀記錄試樣表面的溫度信息，經(jīng)相關(guān)檢測(cè)算法對(duì)該缺陷進(jìn)行特征提取，即可檢出裂紋。

圖1 方向調(diào)制渦流熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

方向調(diào)制利用的是裂紋對(duì)渦流方向的選擇性：當(dāng)裂紋走向與渦流方向垂直時(shí)，檢測(cè)靈敏度最高；而兩者之間的夾角越小，檢測(cè)靈敏度就越低[2,13]。因此，本文采用兩相感應(yīng)加熱電源產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)，因?yàn)榱鸭y方向一定，旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng)即可對(duì)裂紋進(jìn)行功率變化的周期性激勵(lì)，而非缺陷區(qū)域在渦流場(chǎng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中功率密度沒(méi)有變化。由于這一差異的存在，可以將該周期性變化的裂紋特征信號(hào)提取出來(lái)從而實(shí)現(xiàn)方向調(diào)制的目的。該方法與脈沖渦流熱成像方法相比，為熱信號(hào)穿透漆層提供了足夠的時(shí)間，并且可以有效分離熱信號(hào)與噪聲干擾。

激勵(lì)探頭是方向調(diào)制的關(guān)鍵，該探頭由1個(gè)磁環(huán)、4個(gè)磁柱和2組線圈1、2組成，其中線圈1_1、線圈1_2為一組，線圈2_1、線圈2_2為一組，兩組線圈在空間位置上相互垂直。兩組線圈分別通以幅值相同、頻率相差很小的正弦激勵(lì)電流，將探頭放置于被測(cè)金屬試樣的正上方，二者的合成磁場(chǎng)將會(huì)在金屬試樣表面感應(yīng)出低頻旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)。在足夠加熱時(shí)間條件下，旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的周期性激勵(lì)。

1.2 方向調(diào)制方法數(shù)學(xué)模型

方向調(diào)制的實(shí)現(xiàn)是在激勵(lì)探頭兩組線圈均通以高頻激勵(lì)電流的條件下，控制二者之間的頻率差，使得合成感應(yīng)渦流以較低的拍頻旋轉(zhuǎn)，該頻率差即為調(diào)制頻率。

以試樣表面中心一點(diǎn)P為例分析合成渦流的變化過(guò)程，因?yàn)榫€圈1、線圈2在空間位置上相互垂直，為便于分析，取線圈1所在磁極方向?yàn)閤軸，線圈2所在磁極方向?yàn)閥軸。渦流是一個(gè)向量，但由于兩組線圈相互垂直，所以線圈1在P點(diǎn)產(chǎn)生的渦流走向?yàn)閥軸方向，線圈2在P點(diǎn)產(chǎn)生的渦流方向?yàn)閤軸方向。即線圈1只有y分量，線圈2只有x分量。因此，兩組線圈感應(yīng)渦流的數(shù)學(xué)模型如式1所示。

(1)

式中：I1、I2分別為線圈1、線圈2感應(yīng)渦流的幅值；ω0+Δω/2,ω0-Δω/2分別為線圈1、線圈2感應(yīng)渦流的頻率，其中Δω為調(diào)制頻率，Hz；φ1、φ2分別為線圈1、線圈2感應(yīng)渦流的初始相位。

整理式(1)可得

(2)

式中，相位差Δφ=φ2-φ1-Δωt。

由式(2)可以看出，試樣表面中心一點(diǎn)P的合成渦流變化軌跡是一個(gè)橢圓，當(dāng)兩組線圈感應(yīng)渦流之間的相位差不同時(shí)，軌跡會(huì)有所不同。因此，在不同相位差條件下，合成渦流的變化情況如圖2所示。

圖2 同頻、同幅、不同相位差下的渦流場(chǎng)軌跡圖

可以看出，相位差不同，合成渦流隨時(shí)間的變化形式不同。由于Δφ以Δω的角頻率隨時(shí)間緩慢的變化，所以該點(diǎn)的合成渦流應(yīng)按照?qǐng)D2所示的次序，呈現(xiàn)周期性的變化。

由上所述，選定調(diào)制頻率，對(duì)被測(cè)對(duì)象加熱至少10個(gè)周期后，采集被測(cè)區(qū)域的熱信號(hào)。裂紋與非裂紋區(qū)域在渦流旋轉(zhuǎn)過(guò)程中被激勵(lì)狀態(tài)存在差異，裂紋處的特征信號(hào)具有周期性而非裂紋區(qū)域沒(méi)有，并且該周期由調(diào)制頻率決定。因此，對(duì)被測(cè)區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的熱信號(hào)作傅里葉變換，提取各像素點(diǎn)在調(diào)制頻率下的幅度值，即可得到幅度圖。所得圖像只包含周期變化的信號(hào)信息，從而可以將缺陷特征信號(hào)從干擾中分離出來(lái)，最終通過(guò)所得圖像判斷裂紋的存在性。

1.3 調(diào)制頻率的選擇

關(guān)于調(diào)制頻率的選擇，由于45#鋼及防腐漆兩種材料之間的特性參數(shù)相差較大，因此傳熱過(guò)程比較復(fù)雜，鎖相方法中調(diào)制頻率的一般選擇方法在此不適用。本文采用COMSOL有限元軟件仿真分析調(diào)制頻率與漆層表面溫升信號(hào)的關(guān)系，仿真模型如圖3所示。

圖3 COMSOL仿真示意圖

模擬渦流熱成像檢測(cè)中的尖端效應(yīng)，仿真中設(shè)置點(diǎn)熱源，該熱源為周期性變化信號(hào)

H=80+80sin(2×π×f×t)

(3)

式中f為調(diào)制頻率，設(shè)置調(diào)制頻率的范圍為0.12～

0.96 Hz。

漆層厚度設(shè)置為0.8 mm，在不同調(diào)制頻率下，提取位于點(diǎn)熱源正上方漆層表面的溫度信號(hào)并做傅里葉變換，得到不同調(diào)制頻率下的幅值，觀察幅值與調(diào)制頻率之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 調(diào)制頻率與幅值強(qiáng)度關(guān)系

由圖4可以看出，調(diào)制頻率越小，幅值越大，即信號(hào)強(qiáng)度越大。但在實(shí)際檢測(cè)中，若調(diào)制頻率過(guò)小，在保證足夠周期數(shù)的條件下，則需要更長(zhǎng)的加熱時(shí)間，導(dǎo)致被測(cè)金屬試樣表面溫度太高，對(duì)表面漆層產(chǎn)生破壞。因此，結(jié)合表面信號(hào)強(qiáng)度與溫度兩方面的考慮，本文實(shí)驗(yàn)最終確定調(diào)制頻率為0.5 Hz。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為45#鋼平板試樣，如圖5所示。試樣上存在3條由電火花加工技術(shù)加工而成的裂紋，裂紋尺寸長(zhǎng)×深×寬分別為5 mm×2 mm×0.5 mm(1號(hào))、10 mm×2 mm×0.5 mm(2號(hào))、10 mm×4 mm×0.5 mm(3號(hào))。

圖5 無(wú)漆層被測(cè)試樣實(shí)物

使用環(huán)氧富鋅防腐漆對(duì)試樣進(jìn)行處理，表面漆層厚度為0.8 mm。采用如圖6所示實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)含漆層試樣進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 方向調(diào)制感應(yīng)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

圖6所示裝置為方向調(diào)制渦流熱成像檢測(cè)平臺(tái)，感應(yīng)加熱電源的加熱功率為2 700 W，激勵(lì)頻率為39 kHz，調(diào)制頻率設(shè)置為0.5 Hz，加熱時(shí)間為24 s共12個(gè)周期。另外，提高加熱功率的方法也可以增強(qiáng)成像信噪比，因此為了與本文方法進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)采用大功率脈沖渦流熱成像裝置對(duì)試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，感應(yīng)加熱電源的加熱功率為10 kW，激勵(lì)頻率為20 kHz，加熱時(shí)間為300 ms。由于被測(cè)試樣為鐵磁性材料，在該量級(jí)激勵(lì)頻率下趨膚深度很小，所以兩種方法之間的頻率差帶來(lái)的影響可忽略不計(jì)。實(shí)驗(yàn)中選用分辨率為320像素×256像素，幀頻為60 Hz的Flir-A35熱像儀采集數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用方向調(diào)制渦流熱成像與大功率脈沖渦流熱成像兩種檢測(cè)方法分別對(duì)45#鋼試樣上的3條裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，其中圖7(a)為試樣表面裂紋實(shí)物圖，圖7(b)為方向調(diào)制渦流熱成像方法幅度圖，圖7(c)為大功率脈沖渦流熱成像方法溫升圖，成像結(jié)果中亮點(diǎn)為裂紋的尖端效應(yīng)。

(a) (b) (c)圖7 不同檢測(cè)方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

裂紋成像結(jié)果表明，方向調(diào)制渦流熱成像方法對(duì)3種工況的檢測(cè)結(jié)果均比較理想，尖端效應(yīng)明顯，而大功率脈沖渦流熱成像無(wú)法檢出1號(hào)最小裂紋，且具有加熱不均勻性；對(duì)比3種工況的缺陷特征，方向調(diào)制渦流熱成像方法比大功率脈沖渦流熱成像方法的成像信噪比更高。

綜上所述，在防腐漆下裂紋檢測(cè)中，大功率脈沖激勵(lì)方法的加熱不均勻性較嚴(yán)重，裂紋容易淹沒(méi)在干擾中無(wú)法檢出，而方向調(diào)制渦流熱成像方法可以很好的抑制各種干擾，成像信噪比較高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出方向調(diào)制渦流熱成像檢測(cè)方法，建立方向調(diào)制方法數(shù)學(xué)模型，仿真分析調(diào)制頻率大小，在0.8 mm漆層厚度下，對(duì)45#鋼試樣表面不同尺寸裂紋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并將檢測(cè)結(jié)果與大功率脈沖渦流熱成像方法相比，得出結(jié)論如下：對(duì)0.8 mm防腐漆層下裂紋，基于方向調(diào)制的渦流熱成像結(jié)果可清晰看到裂紋尖端的亮斑，證明該方法的可行性；與大功率脈沖渦流熱成像相比，基于方向調(diào)制的渦流熱成像在檢測(cè)較厚漆層下的裂紋時(shí)具有更高信噪比。