秦亞，王進(jìn)

(1.湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411100； 2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

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塑料制品內(nèi)部缺陷檢測(cè)方法的研究

秦亞1，2，王進(jìn)2

(1.湘潭大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖南湘潭 411100； 2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

摘要：介紹了塑料制品的生產(chǎn)流程及可能存在的缺陷，對(duì)塑料制品的無(wú)損檢測(cè)方式進(jìn)行了探討。以某玻纖增強(qiáng)尼龍制品為例，詳述了紅外無(wú)損檢測(cè)和數(shù)字射線檢測(cè)的原理及操作過(guò)程，對(duì)比分析了兩種無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果，并得出結(jié)論：數(shù)字X射線無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍制品內(nèi)部缺陷的檢測(cè)是有效的。

關(guān)鍵詞：塑料制品；無(wú)損檢測(cè)；應(yīng)用

聯(lián)系人：王進(jìn)，教授級(jí)高工，主要從事軌道交通用高分子材料及制品的研發(fā)、測(cè)試分析及標(biāo)準(zhǔn)化制定工作

塑料制品質(zhì)輕、比強(qiáng)度高，具有良好的耐腐蝕性、絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，隨著塑料工業(yè)迅速發(fā)展，塑料制品被廣泛用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑、包裝、國(guó)防尖端工業(yè)以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。但塑料制品的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)參數(shù)難以準(zhǔn)確控制，生產(chǎn)的制品中易存在影響其使用性能的內(nèi)部缺陷，因此避免帶有潛在危險(xiǎn)缺陷的塑料制品的出廠和使用，是決定其能否安全應(yīng)用的關(guān)鍵。與生產(chǎn)工藝控制和破壞性抽樣檢測(cè)等常用的產(chǎn)品質(zhì)量方法相比，無(wú)損檢測(cè)是最有效、最直接的質(zhì)量檢測(cè)手段[3]。目前，無(wú)損檢測(cè)在金屬材料上的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，而在塑料方面應(yīng)用較少[4]，因此研究塑料制品內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其質(zhì)量控制具有重要意義。

筆者以某玻纖增強(qiáng)尼龍制品為例，詳述了紅外無(wú)損檢測(cè)和數(shù)字射線檢測(cè)的原理及操作過(guò)程，對(duì)比分析了兩種無(wú)損檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果。

1　塑料制品內(nèi)部缺陷的類型

1.1塑料制品生產(chǎn)流程

塑料成型加工最主要的方法是擠出成型、注射成型、吹塑成型和壓制成型。其中80%的塑料制品采用注射成型[5]，由于成型材料、成型模具、成型工藝等多種因素的影響，注射制品的內(nèi)部及表面往往存在一定的缺陷。某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品采用注射成型工藝，其生產(chǎn)流程如圖1所示。

圖1　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品生產(chǎn)流程

1.2塑料制品內(nèi)部缺陷的類型

塑料在成型過(guò)程中由于原料、工藝、模具的不完備性而產(chǎn)生缺陷，塑料制品中常見(jiàn)缺陷類型有氣孔、龜裂、焊接痕等[6]。具體原因如下：(1)氣孔是由于原料含水分、原料溫度太高、注射壓力太小、注射速度太慢、模具溫度太低等因素造成的。(2)龜裂主要是由于應(yīng)力變形所致，應(yīng)力變形主要包括因填充過(guò)剩、脫模推出等造成的殘余應(yīng)力；因設(shè)計(jì)不合理造成外部應(yīng)力集中；因化學(xué)藥品、吸潮造成的水降解。(3)熔接痕由于來(lái)自不同方向的熔融樹(shù)脂前端部分被冷卻，在結(jié)合處未能完全熔合而產(chǎn)生的缺陷。

2　玻纖增強(qiáng)尼龍塑料類制品無(wú)損檢測(cè)方法研究

無(wú)損檢測(cè)[7-8]是利用聲、光、電、磁等特性，在不損害或不影響被檢測(cè)對(duì)象使用性能的前提下，檢測(cè)被檢對(duì)象是否存在缺陷或不均勻性，并對(duì)缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評(píng)價(jià)的所有技術(shù)手段的總稱。近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)獲得了快速發(fā)展，不僅射線、超聲等傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，而且還產(chǎn)生了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、電磁超聲、磁記憶、超聲相控陣等眾多的無(wú)損檢測(cè)新方法、新技術(shù)[9]。

2.1紅外無(wú)損檢測(cè)的研究

(1)紅外無(wú)損檢測(cè)原理。

紅外輻射是位于可見(jiàn)光中紅光以外的光線，故又稱紅外線，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線，和所有電磁波一樣，紅外輻射是以波的形式在空間直線傳播的。任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度就有紅外線向周圍輻射。紅外無(wú)損檢測(cè)是依據(jù)紅外輻射的基本原理，使用紅外輻射的分析方法對(duì)物體內(nèi)部能量流動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量，最后使用紅外熱像儀顯示檢測(cè)結(jié)果，直觀上對(duì)缺陷進(jìn)行判定的一種方法[10]。

當(dāng)物體溫度與環(huán)境溫度存在差異時(shí)，會(huì)在物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量的流動(dòng)。在進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)，若向工件注入熱量，其中一部分熱流必然向內(nèi)部擴(kuò)散，并引起工件表面的溫度分布的變化。對(duì)于無(wú)缺陷的物體，當(dāng)熱流均勻注入時(shí)，熱流能夠均勻地向內(nèi)部擴(kuò)散或從表面擴(kuò)散，因而表面的溫度場(chǎng)分布是均勻的；如果物體內(nèi)部存在隔熱性缺陷時(shí)，熱流會(huì)在缺陷處受阻，造成熱量堆積，導(dǎo)致表面出現(xiàn)溫度高的局部熱區(qū)；當(dāng)物體內(nèi)部含有導(dǎo)熱性缺陷時(shí)，試樣表面就會(huì)出現(xiàn)溫度較低的局部冷區(qū)。由以上幾種情況分析可看出，當(dāng)工件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，就會(huì)在工件有缺陷區(qū)域和無(wú)缺陷區(qū)域形成溫差，且該溫差除了取決于工件材料的熱物理性質(zhì)外，還與缺陷的尺寸、距表面的距離及其熱物理性質(zhì)有關(guān)。由于工件局部溫差的存在必然導(dǎo)致紅外輻射強(qiáng)度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測(cè)出溫度的變化狀況，進(jìn)而判斷缺陷的情況。

(2)紅外無(wú)損檢測(cè)設(shè)備及操作。

紅外檢測(cè)的主要設(shè)備是紅外熱象儀。以某紅外熱成像儀為例，其檢測(cè)過(guò)程為：首先從儀器箱中取出儀器，打開(kāi)儀器電源開(kāi)關(guān)；設(shè)置目標(biāo)輻射值和環(huán)境溫度；設(shè)置測(cè)溫方式(點(diǎn)溫測(cè)量/最高溫追蹤顯示)；設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)或手動(dòng)調(diào)節(jié)；旋轉(zhuǎn)調(diào)整鏡頭；調(diào)整圖像亮度、對(duì)比度至最佳效果、選擇合適的溫度范圍；將被檢樣品放入烘箱，烘箱溫度設(shè)為50℃，加熱1 min；對(duì)樣品進(jìn)行紅外觀察，尋找可疑問(wèn)題點(diǎn)，凍結(jié)并存儲(chǔ)圖像；用USB線連接熱像儀和電腦；進(jìn)行圖像分析，做出紅外檢測(cè)報(bào)告。

(3)某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料產(chǎn)品的紅外無(wú)損檢測(cè)及結(jié)果分析。

圖2為某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品的可見(jiàn)光圖。圖3為對(duì)應(yīng)紅外圖，從紅外圖中可看到其表面溫度分布，右側(cè)為溫度標(biāo)示，不同溫度對(duì)應(yīng)不同顏色。

圖2　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品的可見(jiàn)光圖

圖3　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品的紅外圖

軌距擋板周邊溫度高、內(nèi)部溫度低、傳熱不均勻是導(dǎo)致其表面溫度不均勻的原因之一，通過(guò)紅外熱像儀可確定某一點(diǎn)的溫度，但不能直觀看到何處有缺陷。

利用軟件對(duì)某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品紅外圖像進(jìn)行分析，得到其最大值、最小值和平均值分布圖(見(jiàn)圖4)，可讀出三個(gè)白色方框中溫度的最大值、最小值和平均值，從溫度分布上看出由左到右溫度是升高的，初步推論最左側(cè)方框可能存在氣孔疏松等缺陷以致傳熱較慢，整個(gè)部分溫度較低，而最右側(cè)方框?qū)?yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較均勻存在較少缺陷，中間方框的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)介于兩者之間。

圖4　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品最大值、最小值和平均值分布圖

圖5為某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品對(duì)應(yīng)折線溫度分布圖。軟件分析不僅可以確定某個(gè)區(qū)域的溫度分布，而且能夠確定某條折線上的溫度分布，如圖5所示，對(duì)應(yīng)三個(gè)白色方框大致畫出相同位置的一條折線，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)150個(gè)像素點(diǎn)，縱坐標(biāo)為溫度，可對(duì)應(yīng)讀出每點(diǎn)的溫度以方便實(shí)驗(yàn)研究的需要。三條溫度曲線的趨勢(shì)都是溫度先降低再升高，推斷折線中部對(duì)應(yīng)部分可能存在氣孔或疏松等缺陷，但由于傳熱不均勻?qū)е聹囟惹€出現(xiàn)先降低再升的可能性是存在的，因此通過(guò)紅外無(wú)損檢測(cè)不能直觀地確定該塑料制品內(nèi)部是否存在缺陷，應(yīng)結(jié)合該制品切開(kāi)的剖面圖來(lái)確定紅外無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其內(nèi)部缺陷檢測(cè)的適用性。

圖5　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品對(duì)應(yīng)折線溫度分布圖

2.2數(shù)字射線檢測(cè)的研究

(1)數(shù)字射線檢測(cè)原理。

射線是指波長(zhǎng)較短的電磁波，或運(yùn)動(dòng)速度高、能量大的粒子流，射線在穿過(guò)物質(zhì)的過(guò)程中將發(fā)生衰減而使其強(qiáng)度降低，衰減的程度取決于被檢材料的種類、射線種類以及所穿透的距離。當(dāng)把強(qiáng)度均勻的射線照射到物體的一個(gè)側(cè)面時(shí)，由于各部位對(duì)入射射線的衰減不同，透射射線的強(qiáng)度分布將不均勻，這樣采用照相、熒光觀察等手段，通過(guò)在物體的另一側(cè)檢測(cè)射線在穿透物體后的強(qiáng)度分布，就可檢測(cè)出物體表面或內(nèi)部的缺陷，包括缺陷的種類、大小和分布情況。

射線檢測(cè)(RT)是基于被檢測(cè)件對(duì)透入射線的不同吸收來(lái)檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法，其幾乎適用于所有材料，能直觀地顯示缺陷影像，便于對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定量分析，對(duì)體積型缺陷比較靈敏，但難于發(fā)現(xiàn)垂直射線方向的薄層缺陷，檢測(cè)費(fèi)用較高，同時(shí)射線對(duì)人體模型有害，需作特殊防護(hù)。最近幾年數(shù)字化X射線直接成像(DR)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[11]，為射線實(shí)時(shí)成像檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)待測(cè)工件的自動(dòng)化定量檢測(cè)與評(píng)估提供了有效的手段，DR的基礎(chǔ)是射線成像技術(shù)，DR檢測(cè)技術(shù)不僅僅指單個(gè)系統(tǒng)和單項(xiàng)技術(shù)，廣義的指整個(gè)具有數(shù)字圖像處理功能的射線成像系統(tǒng)。

數(shù)字射線檢測(cè)主要利用X射線能夠透視成像的物理特性，將被檢試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示出來(lái)。其主要的工作過(guò)程如下：X射線源發(fā)出X射線并穿透試樣，透過(guò)的X射線被線陣掃描系統(tǒng)獲取后，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的圖像信息，并通過(guò)圖像處理軟件處理計(jì)算后，將測(cè)量計(jì)算結(jié)果通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，系統(tǒng)自動(dòng)將不合格品分揀出來(lái)，合格品進(jìn)入下道工序。

(2)數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)及流程。

數(shù)字X射線成像系統(tǒng)主要由X射線源、數(shù)字探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成，其設(shè)備主要包括X射線探傷機(jī)、數(shù)字探測(cè)器和計(jì)算機(jī)等。數(shù)字射線[12-13]內(nèi)部檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖6。其主要工藝流程為：由注射成型機(jī)生產(chǎn)出的試樣經(jīng)傳輸帶傳輸，進(jìn)入檢測(cè)室進(jìn)行X射線透視檢測(cè)，X射線穿透由上道工序傳輸?shù)谋粰z試樣，透過(guò)的X射線被平板探測(cè)器獲取后轉(zhuǎn)換成已處理的電信號(hào)，并通過(guò)圖像處理軟件處理后，在電腦上顯示出投影圖像，系統(tǒng)自動(dòng)將不合格品分揀出來(lái)，合格品進(jìn)入下道工序。

圖6　數(shù)字射線內(nèi)部檢測(cè)示意圖

(3)某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料產(chǎn)品的數(shù)字射線檢測(cè)及結(jié)果分析。

圖7a為某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品正面實(shí)物圖片，圖7b為相對(duì)應(yīng)的X射線檢測(cè)圖。圖8a為其反面實(shí)物圖，圖8b為相對(duì)應(yīng)的X射線檢測(cè)二維圖。

圖7　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品正面圖

從圖7b的X射線檢測(cè)圖中可以看到，該產(chǎn)品肩部A位置存在大量氣孔、B位置存在密集疏松，觀察圖8b得到同樣的結(jié)論：在該塑料制品A位置存在明顯氣孔、B位置也存在缺陷，綜合以上分析初步得出結(jié)論：玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品肩部A位置和B位置存在缺陷，缺陷類型為密集疏松。

圖8　某玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品反面圖

通過(guò)軟件對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品X射線圖片進(jìn)行分析，對(duì)其內(nèi)部氣孔進(jìn)行量化，確保操作人員可以量化內(nèi)部氣孔的尺寸信息，直觀評(píng)估產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)。下面為其檢測(cè)報(bào)告結(jié)果，從檢測(cè)結(jié)果報(bào)告中得知檢測(cè)該產(chǎn)品時(shí)的實(shí)時(shí)電壓70 kV，實(shí)時(shí)電流2.98 mA，網(wǎng)格圖中每個(gè)方格代表5×5 mm2，通過(guò)網(wǎng)格能準(zhǔn)確定位缺陷的位置和大小，若缺陷尺寸符合檢測(cè)要求，則產(chǎn)品合格；若缺陷尺寸超過(guò)要求，則判定該檢測(cè)樣品不合格。玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品檢測(cè)結(jié)果報(bào)告見(jiàn)圖9。

圖9　玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品檢測(cè)結(jié)果報(bào)告

將試樣切開(kāi)以驗(yàn)證數(shù)字X射線檢測(cè)的準(zhǔn)確性。圖10為切開(kāi)的玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品，圖11為其對(duì)應(yīng)的剖面圖。

圖10　切開(kāi)的玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品

圖11　玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品剖面圖

從切開(kāi)的剖面圖中可看到，該產(chǎn)品肩部A位置存在較大的氣孔且分布較廣，B位置有疏松存在且分布密集，游標(biāo)卡尺對(duì)氣孔的測(cè)量直觀地顯示出氣孔直徑超標(biāo)，該產(chǎn)品不符合生產(chǎn)要求。綜上所述，切開(kāi)的某塑料制品剖面圖上顯示的缺陷與X射線的檢測(cè)結(jié)果是一致的，因此運(yùn)用X射線對(duì)某塑料制品內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法是有效的。

3　結(jié)論

(1)紅外無(wú)損檢測(cè)具有檢測(cè)結(jié)果易于保存、效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合大尺寸產(chǎn)品內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，不適于小型產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)，且其對(duì)內(nèi)部缺陷不敏感，對(duì)低發(fā)射率和導(dǎo)熱快的材料檢測(cè)困難，檢測(cè)結(jié)果不直觀，只能看到表面溫度分布圖，圖片還須經(jīng)過(guò)專門軟件分析，耗時(shí)費(fèi)力，易受外界因素干擾，不適用于大批量產(chǎn)品的檢測(cè)[14–15]。從紅外檢測(cè)圖上無(wú)法觀察到與切開(kāi)剖面圖上一致的缺陷信息，故紅外無(wú)損檢測(cè)不適用于對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。

(2)數(shù)字射線檢測(cè)既有檢測(cè)結(jié)果直觀、易于分析和保存的優(yōu)勢(shì)，又能適用于大批量產(chǎn)品的檢測(cè)，其所得圖像質(zhì)量可以與射線照相底片相媲美，通過(guò)X射線檢測(cè)圖可以直接觀察到玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品的內(nèi)部缺陷，運(yùn)用軟件對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性定量分析獲得內(nèi)部缺陷的尺寸信息，直觀評(píng)估產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)，從X射線檢測(cè)圖上觀察到的缺陷信息和切開(kāi)的剖面圖上的缺陷信息結(jié)果一致，因此數(shù)字X射線無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍塑料制品的內(nèi)部缺陷檢測(cè)是有效的。

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on Testing Methods of Internal Defects in Plastic Products

Qin Ya1， 2， Wang Jin2
(1. College of chemistry， Xiangtan University， Xiangtan 411100， China；2. Zhuzhou Times New Material Technology Co. Ltd.， Zhuzhou 412007， China)

Abstract：Manufacturing process and possible defects of plastic products were talked about. Meanwhile two nondestructive testing methods applied on glass fiber reinforced nylon product，infrared thermography and digital radiographic testing were discussed，including principles and operation processes of them. The detection results of these two kinds of nondestructive testing methods were compared and analyzed，leading to final conclusion：digital X-ray radiographic testing method is an effective method for detection of internal defects in glass fiber reinforced nylon products.

Keywords：plastic product；nondestructive testing；application

中圖分類號(hào)：TQ320.77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539(2016)04-0094-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.022

收稿日期：2016-01-27