基于紅外無損檢測技術(shù)的蜂窩夾層缺陷檢測研究

摘" 要：該文針對金屬蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊缺陷研究紅外熱成像檢測方法的可行性。采用便攜式紅外熱成像檢測系統(tǒng)在蜂窩夾層結(jié)構(gòu)人工缺陷對比試塊上進(jìn)行檢測，分析不同采集時(shí)間、不同處理算法下得到的圖像質(zhì)量，并采用超聲相控陣檢測方法進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用紅外無損檢測設(shè)備可以有效檢測出蜂窩板焊接不良缺陷。

關(guān)鍵詞：紅外無損檢測；蜂窩夾層結(jié)構(gòu)；熱激勵(lì)；焊接；熱成像檢測方法

中圖分類號：TB302.5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）03-0048-05

Abstract： In this paper， the feasibility of infrared thermal imaging inspection method for brazing defects in metal-skinned honeycomb sandwich structures is studied. A portable infrared thermal imaging inspection system was used to detect artificial defect contrast test blocks of honeycomb sandwich structures. The image quality obtained under different acquisition times and different processing algorithms was analyzed， and the results were verified by ultrasonic phased array inspection method. The results show that bad welding defects of honeycomb plates can be effectively detected by using infrared nondestructive testing equipment.

Keywords： infrared non-destructive testing; honeycomb sandwich structure; thermal excitation; welding; thermal imaging testing method

紅外熱成像檢測[1-4]技術(shù)（IRNDT）是一種建立在傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)上的無損檢測技術(shù)，是非接觸式檢測技術(shù)，對被測物體沒有任何影響，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測，設(shè)備便攜、檢測結(jié)果直觀可靠、使用安全、檢測范圍廣，特別適用于金屬蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)釬焊現(xiàn)場檢測[5-7]。未釬合、脫焊缺陷[8-11]主要產(chǎn)生在蜂窩夾層區(qū)，蜂窩與梁、肋腹板釬焊區(qū)等區(qū)域。采用超聲波檢測存在異型表面耦合困難問題，且易劃傷制件表面。紅外熱成像檢測技術(shù)是非接觸檢測技術(shù)，對制件表面形狀要求不高，但因金屬蒙皮[11-14]熱傳導(dǎo)率大，表面光反射率高，影響紅外熱成像檢測靈敏度，本文主要采用人工缺陷對比試塊論證采用紅外熱成像檢測方法檢測此類金屬蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)制件的可行性，可靠性。

1" 紅外無損檢測技術(shù)原理

1.1" 原理

紅外無損檢測技術(shù)采用主動式熱激勵(lì)技術(shù)，采用主動式熱激勵(lì)源對試件進(jìn)行熱激勵(lì)，熱激勵(lì)結(jié)束后，熱波（變化的溫度場）開始向試件內(nèi)部進(jìn)行傳播，隨著熱波的傳遞，熱波逐漸傳播到缺陷位置，缺陷位置處的熱波產(chǎn)生反射，反射的熱波傳遞到試件表面，利用紅外熱像儀記錄試件表面的異常，從而可以實(shí)現(xiàn)對試件內(nèi)部缺陷的檢測，通過采集試件表面的溫度異常信息檢測出試件內(nèi)部的缺陷信息。紅外無損檢測技術(shù)主要是通過主動熱激勵(lì)技術(shù)打破試件原有的溫度平衡，通過熱波的傳播，動態(tài)的檢測出試件內(nèi)部的缺陷信息。紅外無損檢測技術(shù)按照熱激勵(lì)源與紅外熱像儀的位置分為單面檢測和雙面檢測。當(dāng)紅外熱像儀與熱激勵(lì)處于同一面時(shí)就是單面檢測，分別位于兩面時(shí)就是雙面檢測。在本研究中采用的是單面檢測法對蜂窩試件進(jìn)行無損檢測。單面檢測與雙面檢測原理示意圖如圖1所示。

1.2" 圖像序列處理算法

紅外無損檢測的數(shù)據(jù)采集過程如圖2所示，首先采集圖像背景信息，再進(jìn)行熱激勵(lì)，熱激勵(lì)完成后，開始采集紅外圖像序列。通過紅外熱像儀采集的原始熱圖序列顯示了近表面以及淺層的缺陷，但是原始圖像比較模糊，且缺陷周圍對比度不強(qiáng)，深層的缺陷特征不容易觀察到，通過對原始熱圖序列進(jìn)行處理，得到一階導(dǎo)圖像，一階導(dǎo)圖像比原始圖像細(xì)節(jié)更多，圖像缺陷位置對比度更強(qiáng)。

由一維熱傳導(dǎo)模型可知，無缺陷區(qū)域表面溫度變化函數(shù)和有限厚度d處表面溫度變化函數(shù)分別為

式中：C=為施加在表面單位面積的熱量與單位體積存儲熱量的比值，a為熱擴(kuò)散率，t為時(shí)間。

對上式取雙對數(shù)后求導(dǎo)，得到

對ln（t）求導(dǎo)數(shù)得到

從上式可以得到無缺陷和含缺陷的曲線圖，如圖3所示。無缺陷區(qū)域的雙對數(shù)曲線是一條斜率為-0.5的直線；缺陷區(qū)域雙對數(shù)曲線會在某一個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)偏離，偏離的時(shí)刻與材料熱導(dǎo)率、缺陷深度有關(guān)，圖中可以看到深度2 mm和4 mm的缺陷偏離時(shí)刻不同；缺陷越深，偏離時(shí)刻越靠后，缺陷越淺，偏離時(shí)刻越靠前。

對雙對數(shù)曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，即

曲線多項(xiàng)式擬合，系數(shù)n的選擇非常關(guān)鍵，n過小，容易無法擬合出曲線信息，n過大容易造成曲線尾部振蕩，通常系數(shù)n選擇為6。

再將擬合的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新計(jì)算，就可以得到重建數(shù)據(jù)，即

重建的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)具有更好的濾波功能，對重建數(shù)據(jù)進(jìn)行求一階導(dǎo)，可以獲得更加清晰的數(shù)據(jù)信息。

2" 試驗(yàn)設(shè)備和蜂窩板試件

2.1" 試驗(yàn)設(shè)備

采用ThermIR C320便攜式紅外無損檢測設(shè)備，紅外熱像儀分辨率為640×512，幀率為50 Hz，采用鹵素?zé)艏?lì)，激勵(lì)功率為3 200 W。設(shè)備如圖4所示。

紅外熱圖像采集、熱激勵(lì)源、圖像顯示都需要軟件進(jìn)行控制與處理，基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)采用自主開發(fā)軟件，界面清晰、簡單易用、觸屏控制、操作方便，利用該軟件對系統(tǒng)進(jìn)行控制及圖像處理。軟件各個(gè)模塊見表1。軟件可以完成熱激勵(lì)能量、同步觸發(fā)、熱像儀采集時(shí)間、采集頻率、采集背景燈試驗(yàn)條件控制及對紅外圖像的處理、分析等。

2.2 蜂窩板試件

制作了一個(gè)蜂窩板試件，蜂窩板尺寸為430 mm×220 mm×13 mm，如圖5所示，蜂窩板由上下2層金屬材料及中間蜂窩結(jié)構(gòu)夾層組合而成，分為A面；另一表面為B面。蜂窩板試件內(nèi)部做了6處焊接不良缺陷。

3" 檢測結(jié)果與分析

3.1" 紅外熱成像檢測結(jié)果

采用便攜式紅外無損檢測設(shè)備對蜂窩試件進(jìn)行熱激勵(lì)，熱激勵(lì)時(shí)間為1 s，采集時(shí)間為5 s，采集頻率為50 Hz，共采集250幀數(shù)據(jù)，采集到的紅外圖像序列如圖6所示，圖像中間2個(gè)黑色圓斑是試件上面貼的標(biāo)簽。熱激勵(lì)時(shí)間為1 s，蜂窩試件表面吸收能量后開始向內(nèi)部傳播，第一幀圖像只能看到黑色標(biāo)簽，看不到任何缺陷信息，但蜂窩金屬板下面的蜂窩狀結(jié)構(gòu)清晰可見。隨著熱傳導(dǎo)的進(jìn)行，熱波（變化的溫度場）逐漸向內(nèi)部傳播，熱波傳播到缺陷位置后，反射回試件表面，從而能在試件表面看到內(nèi)部的缺陷信息，0.5 s時(shí)可以看到2列共6個(gè)缺陷信息，1.8 s時(shí)第三列缺陷逐漸出現(xiàn)，到2.7 s時(shí)第三列缺陷更加清晰，4.7 s時(shí)6個(gè)缺陷信息都可以清晰看到。

采用上文所述的圖像序列處理算法對原始紅外圖像序列進(jìn)行處理，分別對原始的紅外圖像序列每一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行雙對數(shù)曲線擬合操作，重建出原始數(shù)據(jù)圖像，再進(jìn)行求一階導(dǎo)。從而實(shí)現(xiàn)一階導(dǎo)圖像，一階導(dǎo)圖像如圖7所示。從圖像中可以看出，一階導(dǎo)圖像比原始圖像更加清晰，圖像細(xì)節(jié)更加明顯。圖像中可以看到全部的6處缺陷信息，缺陷標(biāo)注信息如圖8所示。

3.2" 相控陣超聲檢測結(jié)果

為了對比研究紅外無損檢測技術(shù)的檢測效果，采用相控陣超聲設(shè)備對蜂窩試件進(jìn)行了檢測，相控陣超聲設(shè)備為多浦樂Novascan便攜式相控陣檢測儀。試驗(yàn)中選用中高頻輪式探頭。探頭如圖9所示。

蜂窩板由上下2層金屬材料及中間蜂窩結(jié)構(gòu)夾層組合而成。當(dāng)焊接良好時(shí)，聲波正常穿過釬焊層，可直觀掃出下層蜂窩結(jié)構(gòu)，當(dāng)焊接不良時(shí)，釬焊層與蜂窩層存在間隙，聲波無法正常穿過，故蜂窩層結(jié)構(gòu)異常，如圖10中的黑色圓圈區(qū)域，檢測結(jié)果如圖11所示，可以看到蜂窩試件的6處缺陷位置。

3.3" 對比分析

采用便攜式紅外無損檢測設(shè)備對蜂窩板試件進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)蜂窩板6處焊接不良缺陷，為了進(jìn)一步研究紅外無損檢測的效果，同時(shí)采用相控陣超聲設(shè)備對該蜂窩板進(jìn)行了檢測，依然發(fā)現(xiàn)蜂窩板6處焊接不良缺陷位置，與紅外無損檢測結(jié)果一致，2種檢測方法都可以準(zhǔn)確檢測出蜂窩板焊接不良缺陷信息。紅外無損檢測設(shè)備檢出的圖像相對比較模糊，主要是因?yàn)闊岵ㄊ且环N衰減波，從缺陷位置到試件表面，熱波已經(jīng)進(jìn)行了衰減，從圖像上看就是圖像變得模糊。另一方面，紅外無損檢測對于蜂窩試件的檢測速度快，采集時(shí)間為5 s，總共時(shí)間不超過10 s。

4" 結(jié)束語

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)可以有效降低試件的重量，但焊接不良會給蜂窩夾層結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的影響，容易使得結(jié)構(gòu)件服役壽命降低。為了保證蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的安全，將蜂窩結(jié)構(gòu)焊接不良區(qū)域檢測出來，本文采用紅外無損檢測技術(shù)對蜂窩夾層的焊接不良試件進(jìn)行了研究，制作了6處焊接不良的蜂窩板試件，采用便攜式紅外無損檢測設(shè)備對蜂窩板試件進(jìn)行檢測，成功檢測出6處焊接不良區(qū)域，同時(shí)采用相控陣超聲對蜂窩板進(jìn)行了復(fù)檢，同樣是檢測出6處焊接不良區(qū)域。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用紅外無損檢測設(shè)備可以有效檢測出蜂窩板焊接不良缺陷。

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