超聲激勵熱成像探測材料微缺陷的研究進(jìn)展

賈 宇,王承強(qiáng),梁嘉輝,湯 雷,張盛行

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029；2.水文水資源和水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 南京 210098)

1 引 言

服役期間的工業(yè)、工程材料會產(chǎn)生缺陷,例如裂縫、脫空、破損、腐蝕以及離層等；這些缺陷或已經(jīng)對材料造成了損傷,或因后續(xù)發(fā)育逐漸引發(fā)危害[1]。微缺陷是大尺寸缺陷的早期形態(tài),隱蔽性較強(qiáng)；若能有效發(fā)現(xiàn),可在破壞萌芽階段展開診斷,并追蹤破壞的發(fā)展,預(yù)防事故發(fā)生。

自從1955年Blaha等人[2]發(fā)現(xiàn)了疊加超聲振動對拉伸形變下的鋅單晶具有軟化作用,基于超聲振動調(diào)節(jié)材料性態(tài)逐漸得到關(guān)注[3-4],相應(yīng)的工業(yè)工藝得以促進(jìn)。在其后20余年的發(fā)展中,超聲振動開始與紅外熱成像結(jié)合,嘗試發(fā)現(xiàn)材料微缺陷。振動著的固體因為內(nèi)耗規(guī)律的存在,振動能量將不可逆地耗散為熱,這種損耗包括超聲能量衰減；內(nèi)耗敏感于結(jié)構(gòu)形式,可靈敏地反應(yīng)固體中的缺陷結(jié)構(gòu)[5]。超聲選擇性激勵紅外熱成像技術(shù)(簡稱超聲熱像技術(shù)),基于固體內(nèi)耗原理,利用超聲波激勵在待測構(gòu)件缺陷處與完整部分之間產(chǎn)生溫度梯度[6]。該技術(shù)的探測系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器以及紅外熱像儀組成,系統(tǒng)示意圖[7]如圖1所示。

圖1 超聲選擇性激勵紅外熱成像探測系統(tǒng)示意圖[7]

超聲波發(fā)生器將市電(220 V、50 Hz交流電)轉(zhuǎn)化成高頻交流電信號并輸入超聲波換能器[8],換能器在高頻交流電信號驅(qū)動下振蕩出超聲頻的機(jī)械波；超聲波經(jīng)換能器輸入待測構(gòu)件中,當(dāng)傳播至缺陷處時,超聲能量出現(xiàn)較大程度衰減并轉(zhuǎn)化成熱積聚在缺陷周圍,以此在缺陷處實(shí)現(xiàn)異于完整部分溫升的選擇性激勵；紅外熱像儀用于監(jiān)視待測構(gòu)件表面溫度場,缺陷處積聚的熱量在熱像圖中表現(xiàn)為顯著溫升段,利用熱像圖數(shù)據(jù)采集軟件分析并解譯缺陷。

超聲熱像技術(shù)利用固體介質(zhì)的熱彈效應(yīng)、滯后效應(yīng)等,在微缺陷處激發(fā)出大量的熱,這種熱激勵方式具有先進(jìn)性:超聲波在固體介質(zhì)中傳播較快,單一激勵源即可快速檢查一定范圍區(qū)域,非均勻加熱程度小,缺陷形態(tài)可直觀地在熱像圖中呈現(xiàn)[9]。因此,圍繞不同材料中微缺陷的探測能力,超聲熱像技術(shù)得到了較廣泛地研究。本文從應(yīng)用領(lǐng)域及材料、缺陷分辨尺度、微缺陷聲振致熱機(jī)理及超聲熱像探測效率4個方面,綜述了超聲熱像技術(shù)的研究進(jìn)展。

2 應(yīng)用領(lǐng)域及材料

超聲熱像技術(shù)最初在航空、航天工業(yè)中得到了關(guān)注,在復(fù)合材料及金屬的缺陷探測中被大量研究。

Pye等人(1981)[10]以玻璃纖維增強(qiáng)塑料為研究對象,系統(tǒng)探究了探測該材料中疲勞裂紋的方法。Dillenz等人(1999)[11]提出將低頻調(diào)幅超聲波輸入被測物,對復(fù)合材料中縱向裂紋實(shí)現(xiàn)選擇性加熱。Piau等人(2008)[12]辨識了等離子涂層中通過壓彎破壞產(chǎn)生的張口隱裂紋。許章菁等(2021)[13]基于惠更斯原理、雙源干涉增強(qiáng)效應(yīng)以及面接觸激勵方法,研究了具有超聲能量集中導(dǎo)向作用的弱沖擊雙源激勵裝置,并對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料缺陷進(jìn)行了檢測。

Guo等人(2013)[14]檢查了重型鋁制飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的裂縫,發(fā)現(xiàn)該技術(shù)對閉合裂紋的探測效果良好。Plum等人(2011)[15]探測了大型鋼構(gòu)件中的萌芽態(tài)裂紋；敬甫盛等(2020)[16]采用超聲熱波成像技術(shù)對機(jī)車鉤舌部件進(jìn)行裂紋檢測,該技術(shù)對鉤舌表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感,在裂紋等缺陷檢測中有特殊的應(yīng)用優(yōu)勢。

湯雷等(2012)[17-18]使用超聲熱像技術(shù)在混凝土試件中閉合裂紋處激勵出了似連續(xù)的亮點(diǎn)和亮斑,如圖2所示；并發(fā)現(xiàn):對于鋼筋混凝土試件,鋼筋與混凝土的粘接面在激勵中不會出現(xiàn)與裂紋處亮斑相混淆的顯著溫增。賈宇等(2019)[6]從激勵頻率、激勵耦合壓力和激勵功率3個方面對超聲熱像技術(shù)探測混凝土裂紋進(jìn)行了試驗研究,獲得了可有效發(fā)現(xiàn)混凝土裂紋的激勵參數(shù)。

圖2 中部折斷未貫穿的混凝土試件超聲激勵熱像圖[18]

超聲熱像技術(shù)的研究已從均質(zhì)材料(復(fù)合材料、金屬)拓展至多組分材料—混凝土,發(fā)現(xiàn)了疲勞裂紋、脫膠以及分層等；確定了鋼筋與混凝土的粘接面在激勵中不存在影響裂紋尖端辨識的熱信號,并且超聲熱激勵對構(gòu)件表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等均不敏感。然而,混凝土與金屬等的材料特性差異顯著,有一定的脆性；當(dāng)前的超聲熱像技術(shù)不能較好地匹配混凝土材料的特性聲阻抗,以及構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),未形成成套、穩(wěn)定的用于混凝土微缺陷探測的設(shè)備及方法。

3 缺陷分辨尺度

Piau等人(2008)[12]在碳化鎢涂層中制作了隱裂紋,在對該涂層進(jìn)行超聲激勵時發(fā)現(xiàn)了隱裂紋,通過電子顯微鏡觀察到顯著溫升裂紋的寬度約為1μm。Morbidini等人(2006)[19]在鋼梁跨中預(yù)先開口,然后對該梁跨中進(jìn)行循環(huán)荷載作用下的三點(diǎn)彎破壞,制作了張口寬度1～20 μm的真實(shí)裂紋,如圖3,并使用超聲熱像技術(shù)在該寬度段的裂紋處激勵出了顯著溫升。

圖3 裂縫觀測儀視野下真實(shí)裂紋[19]

湯雷等(2012)[17-18]對中部折斷未貫穿橫截面的混凝土梁展開激勵,折斷裂紋尖端出現(xiàn)了似連續(xù)亮斑。賈宇等(2019)[7]在混凝土試樣中預(yù)制了張口寬度包括0.01～0.09 mm的標(biāo)準(zhǔn)微裂紋,在分別使用20 kHz和40 kHz超聲波激勵試樣時,預(yù)制裂紋處均出現(xiàn)了顯著溫升。

試驗證明,超聲熱像技術(shù)在金屬材料中可識別0.5 μm寬度的裂紋,在復(fù)合材料中可識別1 μm的裂紋,在混凝土材料中可識別0.01 mm級的裂紋。然而,受限于微缺陷制作水平,超聲熱像技術(shù)對缺陷的分辨尺度是否可達(dá)到更細(xì)微觀的量級,有待進(jìn)一步試驗論證。

3 微缺陷聲振致熱機(jī)理

利用超聲熱像技術(shù)辨識缺陷,關(guān)鍵是對缺陷實(shí)現(xiàn)選擇性熱激勵。選擇性熱激勵的存在是由于微缺陷具有聲振致熱行為,故闡明支撐該行為的機(jī)理,是決定超聲熱像技術(shù)發(fā)展成熟的關(guān)鍵。當(dāng)前,機(jī)械波激勵下缺陷生熱機(jī)理的研究,可按缺陷內(nèi)部是否存在接觸面劃分為兩類。

3.1 缺陷內(nèi)部接觸

對于內(nèi)部存在接觸面的缺陷,接觸面的摩擦是生熱主要原因[20]。米小兵等(2004、2005)[21]圍繞超聲激勵下裂紋接觸界面生熱的理論計算問題,基于彈性動力學(xué)理論,以罰函數(shù)法為界面約束方法,以節(jié)點(diǎn)-單元法開展接觸搜索,模擬分析了隱裂紋在超聲激勵中接觸、滑移及脫離的過程,又結(jié)合熱力學(xué)第一定律計算了該過程中的生熱量。Renshaw等人(2011)[20]觀察到了超聲激勵中生熱裂紋內(nèi)表面上的摩擦痕跡,如圖4,證實(shí)了摩擦生熱的存在。Holland等人(2011)[22]量化研究了Ti 6-4鈦金屬摩擦生熱時生熱量與裂紋長度、振動應(yīng)力之間的關(guān)系。Plum等人(2011)[15]對裂縫表面摩擦生熱過程進(jìn)行了數(shù)值仿真,計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。湯雷等(2013)[23]針對混凝土試件特點(diǎn),基于摩擦生熱機(jī)理建立了有限元數(shù)學(xué)模型,模擬了內(nèi)部缺陷發(fā)熱過程。

圖4 鈦金屬裂紋摩擦生熱熱像圖及

3.2 缺陷內(nèi)部非接觸

對于內(nèi)部不含接觸面的缺陷,塑性形變、粘彈性形變、振動阻尼是其生熱的可能原因。Homma等人(2006)[24]認(rèn)為塑性形變生熱易發(fā)生于裂紋尖端,粘彈性生熱則易發(fā)生于吸聲材料中。Montanini等人(2012)[25]通過在鋼梁中開設(shè)一列列的平底孔洞并向洞中填滿蜂蜜來模擬孔隙缺陷,然后開展超聲激勵試驗,試驗中同時測量了生熱和振動模態(tài),經(jīng)過分析認(rèn)為洞中較顯著的差異溫增是由與粘彈性效應(yīng)相關(guān)的振動阻尼引起。王國梅等(2015)[26]研究了振動阻尼生熱的原因,發(fā)現(xiàn)阻尼越大,振動波衰減越多,衰減的振動波以熱能的形式釋放出來；黏滯效應(yīng)在復(fù)合材料中最為明顯,在受到超聲振動的交變應(yīng)力作用時,由于遲滯現(xiàn)象的存在,使得每次應(yīng)力循環(huán)中產(chǎn)生消耗功。

此外,機(jī)械波激勵下缺陷的生熱問題還可以更為細(xì)致地理解為基質(zhì)加塞物(散射體)聲散射問題:受激缺陷發(fā)生振動并向外輻射聲波,摩擦、塑性形變或振動阻尼等在此過程中消耗缺陷的振動能量,并轉(zhuǎn)化為熱；缺陷向外輻射的聲波越強(qiáng)烈,生成的熱量越顯著?；|(zhì)加塞物的聲散射問題也得到了大量研究,Flax等人(1978)[27]提出了聲學(xué)共振散射理論,從散射譜的角度對基質(zhì)加塞物的聲散射規(guī)律進(jìn)行了物理闡述。Sessarego等人(1998)[28]試驗了樹脂中鋁球的聲散射規(guī)律,通過分析接收的散射波觀察到了鋁球的共振散射；然后數(shù)值計算散射聲場,結(jié)果與試驗相符合。賈宇等(2017)[29]以含微缺陷的混凝土簡支試件作為激勵對象,分別以試件的自振頻率和40 kHz的超聲頻率為激振頻率展開熱激勵,綜合試驗結(jié)果及理論分析得出,超聲頻是引起微缺陷較大程度振動的敏感頻率,可以實(shí)現(xiàn)缺陷處的顯著溫升。

超聲激勵下金屬、復(fù)合材料缺陷的生熱機(jī)理雖已獲得了較豐富的認(rèn)識,但激勵過程中各生熱因素的發(fā)生條件未完全掌握,它們對微缺陷生熱效果的貢獻(xiàn)大小以及何時何者起主導(dǎo)作用,并不明確。此外,混凝土微缺陷聲振致熱機(jī)理的研究在參考金屬、復(fù)合材料中的探究結(jié)果后,根據(jù)常規(guī)認(rèn)識結(jié)合數(shù)值仿真、試驗研究進(jìn)行了定性討論；尚未在準(zhǔn)確控制激勵條件、邊界條件的前提下,開展生熱物理過程明確的針對性研究。

4 超聲熱像探測效率

Pye等人(1981)[10]在430 mm×740 mm×6 mm玻璃纖維增強(qiáng)塑料板中疲勞裂紋處激勵出了高于周圍0.3～1.0 ℃的差異溫增,典型溫升熱像圖如圖5。Guo等人(2013)[14]以V型490 mm×66 mm×10 mm鋁合金梁為激勵對象,其中裂紋沿梁厚度貫穿,長度為52 mm；使用功率2000 W的20 kHz超聲波激勵該梁,經(jīng)過0.25 s的激勵,裂縫尖端出現(xiàn)1.3 ℃溫升。

圖5 疲勞裂紋處被激勵出顯著溫增(熱像圖)[10]

4.1 超聲熱激勵能力

在超聲熱激勵能力優(yōu)化方面,聲混沌現(xiàn)象[30]被認(rèn)為可以增強(qiáng)超聲激勵效果:Han et al.(2002、2004)[31-32]在進(jìn)行航天材料的微裂紋探測研究中探究了激勵頻率與熱激勵效率之間的關(guān)系,得出超聲換能器的輸出頻率、布設(shè)位置以及與試件表面的接觸狀態(tài)易影響聲混沌的產(chǎn)生,聲混沌可使低能量超聲波較顯著地識別裂紋?？芄饨艿?2019)[33]以含20 mm裂紋缺陷的合金鋼材料汽輪機(jī)葉片為實(shí)驗對象,將超聲激勵頻率設(shè)置為20 kHz,輸出時間設(shè)置為20 ms,幅值設(shè)置為100 %,分別選取預(yù)緊力為50 N、100 N、150 N、200 N、250 N以及300 N。得出結(jié)論:當(dāng)預(yù)緊力為100～150 N時,裂紋區(qū)域生熱最明顯,裂紋的檢測效果最好。賈宇等(2019)[6]使用50 W的40 kHz超聲波激振器在1000 N耦合壓力下發(fā)現(xiàn)了0.06～0.23 mm寬的混凝土裂紋,該裂紋距離激勵源約200 mm。

4.2 熱像圖圖像處理

在熱像圖的圖像處理方面,唐長明等(2020)[34]利用圖像差分運(yùn)算和形態(tài)學(xué)開運(yùn)算相結(jié)合的預(yù)處理對超聲紅外熱波序列圖較好地去噪,結(jié)合改進(jìn)的自適應(yīng)遺傳算法和二維最大熵的圖像分割方法對圖像實(shí)現(xiàn)了較快速地分割。姬龍鑫等(2020)[35]提出了基于小波變換的紅外熱圖像處理方法,探索了該算法對紅外熱圖像缺陷對比度和信噪比的增強(qiáng)效果,使得紅外圖像對比度在視覺效果和定量指標(biāo)方面都有明顯提高,裂紋形態(tài)在熱像圖中的呈現(xiàn)更加清晰。

在超聲熱像探測效率的研究中,開展了聲混沌現(xiàn)象激發(fā)、激勵預(yù)緊力施加、熱成像信噪比人工增強(qiáng)以及激勵強(qiáng)度控制等超聲熱激勵能力優(yōu)化方面的工作；此外,基于算法二次開發(fā),還進(jìn)行了熱像圖圖像處理方面的研究。研究取得的結(jié)果,為利用超聲熱像技術(shù)高效探測較大尺度構(gòu)件中的缺陷奠定基礎(chǔ)。然而,當(dāng)前超聲熱像技術(shù)有效激勵的范圍依然較小,主導(dǎo)超聲波發(fā)生系統(tǒng)熱激勵裂紋效率的參數(shù)及其影響因素未被明晰,激勵效能提升的研究未將超聲波發(fā)生系統(tǒng)與被激勵對象統(tǒng)籌考慮,且未涉及激勵系統(tǒng)的功能優(yōu)化；此外,單一激勵源激勵的探測方式也限制了該技術(shù)的探測范圍。

5 結(jié)語與展望

超聲選擇性激勵熱成像技術(shù)經(jīng)過半個多世紀(jì)的探索,在室內(nèi)試驗研究方面取得了豐碩的成果,實(shí)現(xiàn)了0.01 mm級微缺陷的探測尺度,單一激勵源探測半徑不小于200 mm,探測時間最短可為0.25 s等突破。缺陷在肉眼易見之前,從萌生到發(fā)展的過程跟蹤識別對于風(fēng)險防控能力提升有本質(zhì)性促進(jìn)作用,材料損傷斷裂力學(xué)理論的突破也離不開微裂紋生長過程探測手段的支撐；隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)、工程對材料安全的要求日益提高。因此,超聲熱成像技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景,后續(xù)的研究焦點(diǎn)有以下方面:

(1)研究微缺陷在聲振致熱時的振動行為,設(shè)計激勵邊界條件,探明微缺陷生熱過程中起控制作用的主要物理過程,建立激勵參數(shù)、缺陷形態(tài)參數(shù)以及生熱量三者的函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)基于熱像溫度場解譯微缺陷形態(tài)。

(2)研究超聲激勵系統(tǒng)功能特點(diǎn),并分析激勵試驗中影響系統(tǒng)能量輸出的主要因素及作用規(guī)律,優(yōu)化超聲激勵器耦合壓力的施加方法,使得激勵耦合壓力適應(yīng)超聲波發(fā)生系統(tǒng)工作性態(tài),提高發(fā)生系統(tǒng)聲能量輸出能力。此外,基于被激勵對象的材料參數(shù),研究特性聲阻抗適配的超聲波復(fù)合材料激勵器,提高超聲能量輸入被激勵對象的能力。

(3)混凝土工程關(guān)鍵構(gòu)件重要部位微裂紋的探測亟待突破,相比于金屬及復(fù)合材料,混凝土為混合組分材料,脆性顯著,進(jìn)一步研究適合工程環(huán)境下,裂紋生長較長時間跨度追蹤需求的超聲紅外探測系統(tǒng)與方法。