殘余應力渦流熱成像無損檢測技術及應用

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(四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065)

殘余應力體現(xiàn)了物體自身內(nèi)部能量存儲不均勻的狀態(tài)，在金屬結構部件中普遍存在，對構件的剛度、強度和穩(wěn)定性有著重大的影響[1]。在構件的使用工作中，由于受到外加載荷、外加溫度場等因素產(chǎn)生的工作應力與構件中本身存在的殘余應力的疊加作用，構件在某些區(qū)域會呈現(xiàn)出塑性變形和應力重新分布的情況，而在撤去這些外加因素時，構件內(nèi)部為保持平衡將會發(fā)生更大的變形，嚴重影響著構件的使用。為確保構件使用的安全性和可靠性，準確地檢測出結構中殘余應力的狀態(tài)是一個亟待解決的問題。

筆者提出使用渦流熱成像方法對金屬板內(nèi)的殘余應力進行了檢測，闡述了近幾年國內(nèi)外研究學者在殘余應力無損檢測方面所做的工作，分析了渦流熱成像檢測方法的檢測機理及其應用于殘余應力檢測的原理，最后通過試驗驗證了渦流熱成像檢測方法對金屬材料殘余應力檢測的有效性。

1 殘余應力無損檢測

目前，應用較多的殘余應力無損檢測方法有X射線衍射法、超聲波法、磁性法和中子衍射法等，其中X射線衍射法和超聲波法發(fā)展較為成熟。X射線衍射法和超聲波法在軌道交通上的應用主要有測定高速列車車身鋁合金表面或焊接接頭上的殘余應力[2-3]，其測量精度高，結果準確可靠，但設備費用昂貴，并且前者穿透深度有限，只能無破壞地測量試件表面或近表面的殘余應力，而后者不適用于形狀復雜的工件檢測，對被測表面有一定的粗糙度要求，同時需要耦合劑來保證充分的聲耦合。中子衍射的穿透能力能達到厘米量級，不僅可以測量宏觀部件的殘余應力，對材料微觀應變的檢測效果也十分顯著，但檢測設備費用非常昂貴，技術要求高，信息獲取困難。磁性法只能測量鐵磁材料，受環(huán)境條件的影響較大。除上述幾種方法外，其他一些無損檢測方法也被應用于殘余應力檢測中，如聲發(fā)射法、電子散斑干涉技術等。

渦流熱成像檢測技術是將渦流檢測和紅外熱像檢測技術相結合的無損檢測技術，兼有兩者共同的優(yōu)點，具有檢測速率高、檢測面積大、適應能力強、自動化程度高和非接觸的特點，在對導體材料的表面缺陷或近表面缺陷的檢測中運用廣泛。目前，渦流熱成像檢測技術在裂紋、腐蝕、焊接缺陷檢測和航空復合材料低能量沖擊損傷檢測中[4-7]已經(jīng)有了豐富的研究成果。使用渦流熱成像檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對復雜缺陷的有效評估。

2 殘余應力渦流熱成像檢測技術

2.1 渦流熱成像檢測原理

將載有高頻交流電的感應線圈靠近導體材料，由于電磁感應現(xiàn)象會在導體材料表面和近表面感應出渦流，根據(jù)焦耳定律，部分感應渦流將轉(zhuǎn)換為焦耳熱，該熱量會在材料內(nèi)部傳播，導致材料表面溫度變化。采用紅外探測器記錄分析材料表面溫度的變化，就可達到檢測損傷或缺陷的目的[8]。渦流熱成像檢測技術主要包含了三個物理過程：電磁感應加熱、熱傳導和紅外輻射。

(1) 電磁感應加熱。當激勵線圈中通有一定頻率f的交變電流時，由于電磁感應現(xiàn)象，被檢試件內(nèi)部會感應出相同頻率的電渦流；根據(jù)焦耳定律可知，部分渦流會由電能轉(zhuǎn)換為熱能，產(chǎn)生的熱量Q可由式(1)表示，式中r為材料的電阻率，Js為渦流密度，E為電場密度。

(1)

(2) 熱傳導。產(chǎn)生的焦耳熱Q會在材料內(nèi)部傳播，傳播規(guī)律遵循式(2)所示關系。式中ρ為材料密度，Cp為材料的熱容量，kt為材料的熱導率。

(2)

(3) 紅外輻射。由Stefan-Boltzmann定律知，凡是高于開氏零度的物體都會自發(fā)地向外產(chǎn)生紅外熱輻射。采用紅外探測器記錄材料表面溫度時，物體的輻射度(能量通量密度)j*應當遵循紅外輻射基本定律，如式(3)所示，式中ε為材料的輻射系數(shù)，σSB為Stefan-Boltzmann常數(shù)，T為絕對溫度。

j*=εσSBT4

(3)

2.2 殘余應力渦流熱成像檢測原理分析

(1) 殘余應力對導體材料電導率的影響

殘余應力的存在使得原子間距離和點陣的動畸變發(fā)生變化，對材料的電導率產(chǎn)生影響，其變化規(guī)律遵循式(4)，式中r0為無負荷下的金屬電阻率，k為應力系數(shù)(壓應力為負)，s為應力。

r=r0(1+ks)

(4)

(2) 殘余應力對導體材料熱導率的影響

(5)

由式(1)和式(2)知，材料的電導率和熱導率直接影響著激勵線圈在被檢試件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量及其傳導， 材料中存在殘余應力區(qū)域的溫度會明顯不同于非缺陷區(qū)域。同時熱導率對輻射能量也具有一定的影響，從紅外熱像儀捕捉的材料表面溫度熱像圖中就可以直接觀測出材料內(nèi)部殘余應力存在的位置，采用適當?shù)臒嵯駡D數(shù)據(jù)處理方法也可實現(xiàn)對殘余應力的定量評估。

3 鋼板殘余應力渦流熱成像檢測試驗

圖1 渦流熱成像系統(tǒng)外觀

渦流熱成像系統(tǒng)外觀如圖1所示。試驗檢測對象為4塊規(guī)格為200 mm×120 mm×25 mm(長×寬×厚)的合金鋼板，其中一塊為標準件，標記為A1，其余三塊分別使用300 J沖擊能量沖擊10，50，100次，標記為B1，B2，B3，如圖2所示，其中黑色圈住的部位為試件受沖擊區(qū)域。試驗的渦流激勵電源為EASYHeat 112，采用中空矩形激勵線圈，分別放置在試件缺陷C1，C2，C3處檢測，激勵電流為380 A，加熱時間為250 ms。

圖2 試件圖(B1試件)

選取加熱結束幀的紅外熱像圖進行分析，消除試驗開始時的環(huán)境干擾，4塊試件缺陷處的表征結果如圖3～6所示。

圖3 標準件A1的紅外熱像圖

由圖3可見，標準件A1無沖擊損傷，激勵線圈兩側溫度分布均勻，線圈周圍不存在亮斑。

圖4 試件B1的紅外熱像圖

圖5 試件B2的紅外熱像圖

由圖4(a)可見，該試件C1處沖擊缺陷在激勵線圈右側，激勵線圈右側溫度略高于左側溫度，且存在細小亮點。由圖4(b)可見，C2處沖擊缺陷在激勵線圈正下方，線圈兩側溫度分布不均勻，白圈內(nèi)的溫度高于白圈外溫度。由圖4(c)可見，C3處沖擊缺陷在激勵線圈左側，激勵線圈左側溫度略高于右側溫度。由圖4可見，試驗能較好地識別含沖擊損傷的區(qū)域。

由圖5(a)可見，該試件C1處沖擊缺陷在激勵線圈右側，激勵線圈右側溫度明顯高于左側溫度，且右側高溫區(qū)域面積明顯增大。由圖5(b)可見，C2處沖擊缺陷在激勵線圈正下方，線圈兩側溫度分布不均勻，白圈內(nèi)的溫度高于白圈外溫度。由圖5(c)可見，C3處沖擊缺陷在激勵線圈左側，激勵線圈左側溫度高于右側溫度，且左側高溫區(qū)域面積明顯增大。由圖5可見，試驗能識別含沖擊損傷的區(qū)域。

由圖6(a)可見，該試件C1處沖擊缺陷在激勵線圈右側，激勵線圈右側溫度明顯高于左側溫度，且存在較多的亮斑。由圖6(b)可見，C2處沖擊缺陷在激勵線圈正下方，線圈兩側溫度明顯分布不均勻，白圈內(nèi)的高溫區(qū)域明顯。由圖6(c)可見，C3處沖擊缺陷在激勵線圈左側，激勵線圈左側溫度略高于右側溫度，且存在較多的粉紅色亮斑。由圖6可見，試驗能明顯地識別含沖擊損傷的區(qū)域。

圖6 試件B3的紅外熱像圖

圖7 標準件A1熱像圖及選取點溫升曲線

圖8 試件B1熱像圖及選取點溫升曲線

圖10 試件B3熱像圖及選取點溫升曲線

由圖7～10可見，標準試件激勵線圈左右兩側溫升變化幾乎一致，當試件中存在缺陷時，缺陷區(qū)域溫升曲線明顯高于非缺陷處，且在受沖擊點附近加熱階段曲線上升速率也明顯高于周圍其他區(qū)域。在此試驗中，當加熱結束時，標準件上所選取兩點的溫升能達到的最大值約為1.4～1.5 ℃， 而在有損傷的試件上,缺陷附近的非缺陷處的溫升能達到的最大值均在0.6～0.7 ℃范圍內(nèi)，說明由激勵熱源在試件近表面處感應出的渦流繞過了缺陷，導致缺陷處渦流密度增大，非缺陷處的渦流密度減小，即使用渦流熱成像方法通過熱像圖的溫度表征能夠有效地識別沖擊殘余應力缺陷。

圖11損傷點溫升隨沖擊次數(shù)的變化曲線

由熱像圖可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，高溫區(qū)域面積也在增加。選取試件受沖擊處D1、離受沖擊處1 cm范圍左右的點D2及正常區(qū)域處點D3做溫度分析，繪制圖11所示曲線。當試件受到?jīng)_擊作用時，沖擊點處溫升明顯增大，周圍溫升減小，形成明顯的溫度差異；隨著沖擊次數(shù)的增多，沖擊損傷面積增大，使得受沖擊處周圍1 cm處出現(xiàn)損傷，且與沖擊點處形成變化規(guī)律相似的高溫區(qū)域；在一定范圍內(nèi)，當沖擊次數(shù)較多時，沖擊處溫升與沖擊次數(shù)趨于線性關系增長；非缺陷處溫升變化始終趨于某一穩(wěn)定數(shù)值，但由于缺陷的存在影響了材料內(nèi)部渦流密度變化，相比標準件其溫升幅度降低。

4 結論

通過使用渦流熱成像方法對鋼板的沖擊殘余應力進行了檢測，分析了檢測原理，驗證了技術方案的可行性，得出的主要結論如下：

(1) 運用渦流熱成像檢測技術能夠快速有效地檢測出合金鋼板表面沖擊殘余應力的分布范圍;

(2) 在沖擊載荷的作用下，合金鋼板的導電性與導熱性發(fā)生改變，使得其在熱像圖中表現(xiàn)出溫度分布不均勻現(xiàn)象，通過紅外熱像圖就可以直接判定試件是否存在沖擊殘余應力;

(3) 試件受沖擊處與非沖擊處的溫升曲線有著明顯差異，受沖擊處的溫升曲線變化速率遠大于正常區(qū)域的;

(4) 隨著沖擊次數(shù)的增多，試件的沖擊損傷區(qū)域面積增大；在一定范圍內(nèi)，沖擊次數(shù)較多時，試件損傷處溫升與沖擊次數(shù)的關系變化趨于線性;

(5) 通過對試件損傷處高溫區(qū)域面積與溫升隨沖擊次數(shù)變化規(guī)律的探討，在建立足夠多樣本的基礎上，可以實現(xiàn)對沖擊殘余應力的定量評估。

在以后的工作中將會使用其他無損檢測方法對此方法的可行性進行驗證，并將進行多次試驗以及尋找最優(yōu)的圖像處理實現(xiàn)對殘余應力的渦流熱成像檢測。