超聲紅外熱成像無損評估技術
1、超聲紅外熱成像技術特點
超聲紅外熱成像無損評估綜合應用超聲激勵和紅外熱成像技術來對材料或結構的缺陷進行鑒別，尤其對金屬材料和陶瓷材料的表面及近表面裂紋，復合材料的淺層分層或脫粘等的檢測非常有效。因此利用其超聲紅外熱成像特定的振動激勵源來促使材料或結構內部產生機械振動（彈性波傳播），使其缺陷部位（裂紋或分層）因熱彈效應和滯后效應等原因導致聲能衰減而產生釋放出熱能，最終引起材料局部溫度升高。通過紅外熱像儀對材料局部發熱過程進行捕捉和采集，就可以借助于時序熱圖像對材料或結構內部的缺陷進行判別，具體見圖１。
圖１ 超聲紅外熱成像無損評估原理示意圖
熱效應的產生是由于聲波在材料中傳播時在內部缺陷兩個異質界面上的振動不一致所造成的，例如封閉裂紋將會由于裂紋內表面的摩擦或者其他不可逆的相互作用而成為平面熱源。如果裂紋延伸方向與表面相交，在紅外熱像儀上熱源首先會形成一條線，隨后就會變得模糊不清而且熱區域會慢慢的向外擴散。當超聲脈沖激勵源停止后，目標區域的溫度將會像普通熱輻射過程一樣逐漸降低。
除了能夠對微小裂紋進行檢測外，超聲紅外熱成像無損評估技術還能應用于其他類型的缺陷檢測，如復合材料的內部分層或脫粘等。該技術除了對裂紋的檢測速度非�？欤▋H需數秒）、信噪比好和靈敏度高外，對更深的內部分層或裂紋的檢測方面優于其他傳統技術如超聲波檢測和脈沖紅外熱成像檢測等方法。
2、檢測試驗裝置
圖２所示為用于檢測缺陷的超聲紅外熱成像檢測試驗裝置，裝置主要包括超聲換能器和紅外熱像儀等。當單一的短頻脈沖通過超聲換能器被注入試件后，試件表面或內部裂紋處的溫度變化過程將被紅外熱像儀所記錄。激光振動計主要用于測量試件相關區域的振動行為，并為缺陷發熱的相關性和超聲源振動模式的產生等基本問題提供依據。
圖２ 超聲紅外熱成像檢測裝置
對于大多數固體，聲波傳到裂紋幾乎是瞬時的。例如橫波在鋼中的傳播速度約３．２ｋｍ／ｓ，對于幀頻為５０ＨＺ的紅外熱像儀，在兩幀的時間間隔內，聲波可以傳６４ｍ。而且聲波衰減也比較低。因此對于多數材料，超聲換能器能夠在距離激發源較遠或較深的地方產生有效的激勵。
3、應用實例
采用圖２中的試驗裝置對不同材料或結構的缺陷進行了檢測。
3.1、 焊接件檢測
對銅制焊接件（有缺陷）進行超聲紅外熱成像檢測的結果見圖３。圖３（ａ）為可見光下焊接件焊縫表面的圖像，可看到焊縫上有明顯的開口裂紋，且該裂紋還沿焊縫表面向兩端延伸。圖３（ｂ）為同一部位在受到超聲波激勵后的紅外熱圖。開口裂紋和延伸裂紋呈現為一條亮線和間斷亮點，其中裂紋左側的虛焊部分在熱圖像中也能夠清楚的顯現出來。圖４（ａ）和（ｂ）分別為某汽車零部件在超聲脈沖激勵早期和后期的紅外熱圖，存在于焊縫處表面下的內部裂紋可以清楚的被識別出來。
（ａ）焊縫的開口裂紋 （ｂ）裂紋和虛焊部位的紅外熱像圖
圖３ 銅制焊接件的焊縫形貌和紅外熱像圖
（ａ）脈沖早期（ｂ）超聲脈沖后期
圖４ 汽車零部件在超聲脈沖早期和后期的紅外熱圖
３．２ 汽車輪轂檢測
圖５（ａ）和圖５（ｂ）分別為帶有裂紋的汽車輪轂的光學照片和紅外熱圖。其中圖５（ａ）中輪轂右側的黑色曲線是利用磁粉檢測技術所標定的缺陷位置，磁粉檢測結果表明該缺陷（裂紋）的位置和形狀。現在利用超聲脈沖激勵后所拍攝的紅外熱圖則顯示出裂紋在輪轂內部的大小及延伸方向見圖５（ｂ）
（ａ）汽車輪轂的磁粉檢測圖（ｂ）汽車輪轂的紅外熱圖
圖５ 汽車輪轂的磁粉檢測圖和紅外熱圖
３．３ 環氧石墨復合材料試件沖擊損傷檢測圖６（ａ）～（ｄ）顯示的是超聲紅外熱成像技術對環氧石墨復合材料薄板試件受沖擊損傷的檢測結果序列。薄板試件的沖擊損傷區域由于吸收機械能，摩擦產生熱量形成熱源。熱源的熱量向試件表面輻射而且比背景溫度要高，所以分層缺陷能夠被發現。離試件表面越深的分層，熱量傳播到表面所用的時間就越長，紅外熱像圖中分層缺陷出現就越晚。序
列１是試件受沖擊后對其施加超聲脈沖進行檢測的早期階段，顯示其近表面損傷的紅外熱像圖。序列２～４是施加超聲脈沖隨后階段，顯示離試樣表面更深的分層缺陷紅外熱像圖。
（ａ）序列１ （ｂ）序列２ （ｃ）序列３ （ｄ）序列４
圖６ 超聲紅外熱成像對環氧石墨復合試件沖擊損傷的檢測圖
（ａ）未注入超聲脈沖 （ｂ）注入超聲脈沖前期 （ｃ）注入超聲脈沖中期（ｄ）注入超聲脈沖后期
圖７�。粒欤玻希� 陶瓷板上裂紋的超聲紅外熱成像檢測圖
３．４ 陶瓷板檢測
超聲紅外熱成像能夠應用于脆性材料進行檢測，但操作時需要小心謹慎，防止損壞試件。圖７所示為利用超聲紅外熱成像對Ａｌ２Ｏ３ 陶瓷板上裂紋的檢測，樣品的缺陷是用維氏壓頭預制。圖７分別顯示超聲源打開前，注入超聲脈沖前期、中期和后期的紅外熱像圖。在脈沖波的后期，由于熱量在裂紋的周圍向外輻射，所以圖像會變的比較模糊。
對于深層缺陷或較厚材料的檢測，一方面要求超聲激勵能量必須足夠大，以確保深層缺陷產生的內部溫度變化最終能夠導致材料表面溫差超過紅外熱像儀的熱靈敏度，且表面溫差持續時間應大于紅外熱像儀的響應時間，才能產生可識別的熱信號［５］。另一方面，超聲發射頭多為金屬鋁或鈦等，激發過程相當于錘打試件，容易導致二次損傷，尤其是對沖擊載荷比較敏感的材料或構件，所以超聲激勵能量的選擇必須合理。由于超聲激勵下的局部溫度變化過程較快且持續時間短，紅外熱像儀的技術性能高才能保證不漏檢。
４ 結語
