激光紅外熱成像鋁合金表面裂紋檢測(cè)表面處理的研究

王博正,董麗虹,康嘉杰,王海斗,郭 偉,高志峰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院,北京 100083；2.陸軍裝甲兵學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100072； 3.西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

1 引 言

鋁合金具有密度小、塑性好、耐腐蝕、易加工等優(yōu)點(diǎn),一直以來(lái)作為航空航天的主要結(jié)構(gòu)材料,在航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著服役時(shí)間增加,受到?jīng)_擊等作用下,鋁合金結(jié)構(gòu)表面易出現(xiàn)微小裂紋,引發(fā)重大安全事故,所以及時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)服役過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋缺陷至關(guān)重要[3]。紅外檢測(cè)對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)手段,具有非接觸、效率高、可在線檢測(cè)、便于集成等優(yōu)點(diǎn),在材料缺陷檢測(cè)中應(yīng)用廣闊[4-6]。紅外檢測(cè)技術(shù)分為主動(dòng)式與被動(dòng)式,而主動(dòng)紅外檢測(cè)技術(shù)根據(jù)激勵(lì)源的不同,可以針對(duì)不同的材料以及缺陷類型而越來(lái)越收到重視。激光紅外熱成像技術(shù)是主動(dòng)紅外技術(shù)的一種,是通過(guò)激光激勵(lì),作用于材料缺陷處,因缺陷與無(wú)缺陷處產(chǎn)生的溫度差異,利用紅外熱像儀捕捉,最后使用相關(guān)軟件進(jìn)行處理來(lái)表征缺陷[7-9]。對(duì)比閃燈、超聲等其他激勵(lì)手段,激光激勵(lì)具有能量密度高,功率輸出穩(wěn)定,能量分布均勻的優(yōu)點(diǎn),因此可控性好,檢測(cè)精度高,微小缺陷檢測(cè)效果顯著的特點(diǎn)[10-12]。

為了滿足航空航天鋁合金表面裂紋缺陷檢測(cè)要求,需要精度高、具備對(duì)微小裂紋的識(shí)別能力的檢測(cè)技術(shù),而激光激勵(lì)的紅外技術(shù)符合這一要求,且能夠自動(dòng)化、集成化,提高檢測(cè)效率,具有非常好的應(yīng)用前景。然而,M·Bruckner 等人[13]測(cè)試純鋁在熔點(diǎn)以下對(duì)激光的吸收率在 2.6 %～15.2 %范圍之間,可知鋁合金材料具有吸收率低、發(fā)射率低、反射率高的材料特性。這一材料特性對(duì)于用熱效應(yīng)來(lái)檢測(cè)裂紋缺陷的激光紅外熱成像技術(shù)無(wú)疑具有一定的困難,因此需要對(duì)鋁合金材料表面進(jìn)行表面處理,來(lái)提高材料對(duì)激光的熱吸收能力。常用提高激光吸收率的表面處理手段有表面粗糙化、表面氧化以及表面涂覆高吸收率材料[14-16]。表面粗糙化與表面氧化改變了材料的表面狀態(tài),不適用于無(wú)損檢測(cè),因此選用表面涂覆高吸收率材料的手段進(jìn)行對(duì)鋁合金表面進(jìn)行表面處理。如圖1所示,把表面涂覆高吸收率材料看成是一個(gè)表面熱源,吸收光能后,利用與基體材料之間的溫差通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞給基體材料,減少熱能的反射,其實(shí)質(zhì)是利用涂覆搞下率材料改變金屬材料表面對(duì)激光的吸收特性,而增加材料對(duì)激光能量的吸收。不過(guò),目前激光紅外熱成像檢測(cè)對(duì)于鋁合金表面處理研究較少,已有的研究只是簡(jiǎn)單處理后直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并未對(duì)其進(jìn)行深入的探討[17-18]。

圖1 激光在基體材料表面的吸收示意圖與激光在涂覆高吸收率材料的基體材料表面的吸收示意圖

基于此,本文搭建激光紅外熱成像檢測(cè)平臺(tái),制作了鋁合金表面裂紋試樣,并對(duì)試樣進(jìn)行噴涂溶于水的啞光漆表面處理。通過(guò)不同功率下對(duì)比表面處理前后的熱效應(yīng)影響,表明表面涂覆高吸收率材料大幅度提高激光的熱吸收率,相同條件下,更易檢測(cè)出裂紋缺陷,對(duì)應(yīng)用到生產(chǎn)、工程中改善低吸收率材料缺陷檢測(cè)具有重要價(jià)值。

2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

激光紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)作為一種近幾年興起的紅外檢測(cè)技術(shù),具有良好的發(fā)展前景,主要是通過(guò)激光激勵(lì)將光能轉(zhuǎn)化為熱能,作用于表面缺陷產(chǎn)生溫差,被紅外熱像儀識(shí)別,具有可控性好、準(zhǔn)直性佳、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 激光紅外熱成像檢測(cè)平臺(tái)

激光紅外熱成像平臺(tái)是由激光器、光纖引導(dǎo)的激光頭部件、激光驅(qū)動(dòng)器、計(jì)算機(jī)以及紅外熱像儀組成,示意圖如圖2所示,附帶耦合光纖,用來(lái)連接激光器和激光頭部件,是為了集中光束,減小能量散失,以及便于調(diào)節(jié)、安裝頭部件。同時(shí),為了進(jìn)一步集中光束,減少能量的損失,設(shè)計(jì)了激光頭部件,由準(zhǔn)直器與帶有球副結(jié)構(gòu)的三角支架組成,把準(zhǔn)直器與支架結(jié)合在一起,有利于固定鏡頭,且可以任意方向旋轉(zhuǎn),便于操作,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。如表1檢測(cè)平臺(tái)性能參數(shù)所示,利用功率0～30 W可調(diào)、工作模式為連續(xù)、波長(zhǎng)808 nm的半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激勵(lì)光源,由光纖耦合的激光頭部件射出,作用在待檢測(cè)試樣上,由于裂紋缺陷的熱阻效應(yīng),激光產(chǎn)生的熱量在試樣缺陷處上堆積,產(chǎn)生了的溫度差異,被紅外熱像儀捕捉,再通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行圖像處理后,達(dá)到檢測(cè)裂紋缺陷的目的。

圖2 激光紅外熱成像檢測(cè)平臺(tái)示意圖

圖3 設(shè)計(jì)出的激光頭部件

表1 激光紅外熱成像檢測(cè)平臺(tái)主要性能參數(shù)

2.2 試樣的配制

實(shí)驗(yàn)采用的材料為7075鋁合金,加工成長(zhǎng)、寬、厚為100 mm 、40 mm、3 mm的鋁合金試件,在其表面預(yù)制中間寬度500 μm、長(zhǎng)度5 mm、深度1 mm月牙形裂紋缺陷。如圖4所示,為了對(duì)比表面處理前后的熱效應(yīng),制作了光滑表面裂紋試樣與噴涂啞光漆的裂紋試樣噴涂啞光漆表面處理的試樣。

圖4 表面垂直裂紋試樣

3 結(jié)果與討論

本部分給出了可調(diào)功率的激光紅外熱成像技術(shù)對(duì)鋁合金表面裂紋檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)裂紋處的紅外熱圖和溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,在不同功率下對(duì)比表面處理前后的熱效應(yīng)影響,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了表面處理對(duì)激光紅外熱成像鋁合金裂紋檢測(cè)的有效性。

3.1 表面處理前數(shù)據(jù)分析

激光紅外熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)過(guò)程來(lái)記錄裂紋缺陷紅外熱圖:激光激勵(lì)前60 幀,激光激勵(lì)時(shí)間為60幀,即1 s,隨后停止激勵(lì),整個(gè)熱圖記錄大約為350 幀。對(duì)光滑表面裂紋試樣進(jìn)行檢測(cè),激光激勵(lì)時(shí)間一定的條件下,分選用功率2 W、5 W、10 W、15 W、20 W、30 W。從圖5光滑表面裂紋缺陷不同功率的溫度變化曲線圖可以看出,試樣在未激勵(lì)時(shí),無(wú)溫度變化,激勵(lì)開始,溫度迅速上升達(dá)到峰值,激勵(lì)結(jié)束后又由于與環(huán)境強(qiáng)烈的熱交換作用迅速下降到室溫附近。而且隨著功率的增大,溫度變化更加明顯,溫升更高。進(jìn)一步,從光滑表面不同功率最高溫紅外熱圖6中可知,當(dāng)功率較低(如2 W、5 W)時(shí),裂紋缺陷幾乎不可見,這是由于鋁合金低吸收率、高反射率的材料特性的影響,使得集聚在裂紋缺陷處熱量過(guò)少,讓熱像儀難以捕捉；隨著功率(10 W、15 W、20 W及30 W)的增大,裂紋缺陷逐漸清晰,且紅外熱圖缺陷處的溫度顏色加深,與周圍無(wú)缺陷處區(qū)分出來(lái),缺陷辨識(shí)度增高?？梢姽β实淖兓粌H對(duì)裂紋缺陷溫度的影響明顯,而且對(duì)裂紋缺陷識(shí)別與表征也有明顯的作用。因此,選用功率的變化研究表面處理后裂紋檢測(cè)的熱效應(yīng)變化能夠取得較好的效果。

圖5 不同功率下的光滑表面裂紋缺陷溫度變化曲線

圖6 不同功率下的光滑表面裂紋缺陷最高溫紅外熱圖

3.2 表面處理后數(shù)據(jù)分析

為了突出表面處理后檢測(cè)效果,并減少背景噪聲等外部因素的影響,采用差動(dòng)式檢測(cè)方式進(jìn)行激光紅外熱成像檢測(cè),即對(duì)含有裂紋缺陷的試樣進(jìn)行檢測(cè)獲取表面溫度信息后,使用無(wú)裂紋缺陷試件作為參考,在相同的位置獲取表面溫度信息,前者減去后者,因缺裂紋缺陷產(chǎn)生的溫度變化在兩者的差值中表現(xiàn)出來(lái),使含有眾多噪聲的原始溫度分布信息轉(zhuǎn)化為易分辨缺陷的差動(dòng)溫差分布信息。

對(duì)光滑表面的試樣與表面處理后的試樣進(jìn)行差動(dòng)式激光紅外熱成像檢測(cè),得到圖7所示在2 W、5 W、8 W以及10 W不同功率下的表面處理前后溫差變化曲線。由圖7可知,在未激勵(lì)時(shí),光滑表面裂紋缺陷(a)、表面處理后裂紋缺陷(b)無(wú)溫差變化,溫差幾乎為零；激勵(lì)開始,(a)溫差變化緩慢,幅度較小,(b)溫差迅速上升達(dá)到峰值,變化幅度大；激勵(lì)結(jié)束后,(a)、(b)的溫差由于與環(huán)境強(qiáng)烈的熱交換作用迅速下降到零附近。由此可見,隨著功率的增大,(a)、(b)都存在溫差變化,(b)溫差變化更加明顯。而且相對(duì)于光滑表面裂紋缺陷(a),表面處理后裂紋缺陷(b)在相同功率條件下溫差幅度遠(yuǎn)大于(a),熱效應(yīng)變化更加明顯,說(shuō)明經(jīng)過(guò)表面出后的裂紋缺陷可檢測(cè)性更好。

圖7 不同功率下的裂紋缺陷溫差變化曲線

為了進(jìn)一步對(duì)比裂紋缺陷表面處理前后的激光紅外熱成像檢測(cè)效果,選取多組光滑表面裂紋缺陷和表面處理后裂紋缺陷最大溫差紅外熱圖的溫差,求取均值,得到了如圖8所示不同功率下的裂紋缺陷表面處理前后最大溫差均值圖。由圖7可以直觀地看出經(jīng)過(guò)表面處理的裂紋缺陷溫差均值更大,與未做表面處理的裂紋缺陷溫差均值差異非常明顯。而且對(duì)比在不同功率下的光滑表面裂紋缺陷最大溫差均值表2,表面處理后2 W功率下的最大溫差均值2.45 ℃接近于表面處理前30 W功率下的最大溫差均值3.08 ℃；而表面處理后5 W功率下的最大溫差均值5.66 ℃已經(jīng)大于表面處理前30 W功率下的最大溫差均值3.08 ℃,接近于其的兩倍?？梢?激光紅外熱成像檢測(cè)鋁合金表面裂紋時(shí),相較于表面處理前,經(jīng)過(guò)表面處理后,所需更小的功率,就能取得更大溫差,檢測(cè)效果更好。

圖8 不同功率下的裂紋缺陷最大溫差均值

表2 不同功率下的光滑表面裂紋缺陷最大溫差均值表

4 結(jié) 論

激光熱成像檢測(cè)激勵(lì)開始后,不同功率條件下,未做表面處理鋁合金表面裂紋缺陷的溫差變化緩慢,幅度較小；表面處理后鋁合金表面裂紋缺陷的溫差迅速上升達(dá)到峰值,變化幅度大,說(shuō)明表面處理明顯提高鋁合金材料在激光熱成像檢測(cè)中的熱吸收率。隨著功率的增大,裂紋缺陷表面處理前后的溫差都存在溫差增大的變化,但是表面處理后裂紋缺陷溫差變化更加明顯,相同功率條件下,裂紋缺陷表面處理后溫差幅度遠(yuǎn)大于表面處理前,對(duì)缺陷的可檢測(cè)性更強(qiáng)。而且,表面處理后2 W功率下的最大溫差均值2.45 ℃接近于表面處理前30 W功率下的最大溫差均值3.08 ℃；而表面處理后5 W功率下的最大溫差均值5.66 ℃已經(jīng)大于表面處理前30 W功率下的最大溫差均值3.08 ℃,接近于其的2倍?？梢?相比不做表面處理,表面處理所需更小的功率,能取得更大溫差結(jié)果,檢測(cè)效果更好,對(duì)激光熱成像技術(shù)對(duì)低吸收率材料缺陷檢測(cè)具有重要價(jià)值。