红外热波无损检测技术应用浅析

红外热波无损检测技术(简称热波检测)是一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，是一种创新性的无损检测技术。它的研究和应用，对提高航空、航天器，多种军、民用工业设备的安全可靠性;新材料研究，尤其是复合材料研究;石油管道、发电设备的探伤和日常维护;承重机械设备、大型建筑金属结构件的裂纹、焊接状况、锈蚀、疲劳检测等都具有重要意义。美国多家大公司(如：GE、GM、波音、福特、洛克西德、西屋等)及政府机构(如：NASA、FAA、空军、海军)等已经在广泛应用和推广该项技术。[1]-[3]

　　2003年9月该项技术的应用研究也列入了我国国家863高科技发展计划，还同时获得了211工程重点学科建设经费等的支持。

　　2 热波检测原理

　　热波(Thermal Wave)理论及应用的研究重点是研究热源，特别是变化性热源(如：周期、脉冲、阶梯函数热源)与媒介材料及其几何结构之间的相互作用。被加热后，不同媒介材料表面及表面下的物理结构特性和边界条件将影响热波的传输并以某种方式影响媒介表面的温场变化。通过控制热激励方法和测量材料表面的温场变化，将可以获取材料的均匀性信息以及其表面以下的结构信息，从而达到检测和探伤的目的。

　　红外热波无损检测技术的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同特性的热源(如：高能闪光灯、超声波、电磁、热风等)并用计算机控制进行周期、脉冲等函数形式的加热，同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行捕捉和数据采集，采用专用软件进行实时图像信号处理和分析(参见图1)并最终显示检测结果。

　　需要指出的是，由于应用热波原理并采用了主动式控制热激励的方法，热波检测技术与传统的被动式红外热成像检测是有本质区别的。

　　对于不同被检测物、检测环境和条件，需要有针对性地设计采用大功率闪光灯、超声波、激光、THz波、热风、电磁感应、电流、机械振动等方式的热激励手段，相应的机械装置和控制装置及编制控制和图像数据处理软件。

　　3 主要应用和技术特点

　　3.1 主要应用

　　--对航空器/航天器铝蒙皮的加强筋开裂与锈蚀的检测，机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。

　　--火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。

　　--新材料，特别是新型复合结构材料的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用研究的整个过程中进行无损检测和评估;加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。

　　--多层结构和复合材料结构中，脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。

　　--各种压力容器、承重和负载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。

　　--各种粘接、焊接质量检测，涂层检测，各种镀膜、夹层的探伤。

　　--测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。

　　--表面下材料和结构特征识别与表征。

　　--运转设备的在线、在役监测。

　　3.2 技术特点

　　热波检测具有如下技术特点：

　　--适用面广：可用于所有金属和非金属材料。

　　--速度快：每个测量一般只需几十秒钟。

　　--观测面积大：根据被测对象和光学系统，一次测量可覆盖至平方米面积量级。对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。

　　--直观：测量结果用图像显示、直观易懂。

　　--定量：可以直接测量到深度、厚度，并能作表面下的识别。

　　--单向、非接触：加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。

　　--设备可移动、探头轻便：十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。

　　3.3 发展前景

　　红外热波无损检测技术是一项通用性的实用技术，可应用于各种学科领域大到航天飞机，小到纤维、薄膜，不同材料，不同结构和检测环境要求的各类探伤和检测问题。除了理论和基础研究外，每一种成功的应用都会形成一系列标准，包括方法、检测规程、标定物、缺陷判据、数据和图像显示标准等。成功的加热手段、有效的图像处理和分析方法、巧妙的机械传动装置与控制都有机会申请专利，可拓展性很强。

　　4 国内外发展概况

　　1990年以来，国际上积极开展红外热波无损检测技术的研究。美国无损检测协会组织编写的无损检测手册红外与热检测分册里，有专门的大量的篇幅论述红外热像无损检测在航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用[1]。

　　美国、俄罗斯、法国、加拿大、澳大利亚等国已把红外热波检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国还把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测，Atlas空间发射舱复合材料的粘脱检测，A3火箭无损检测。[4]

　　美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前沿，取得了很多实际的研究成果。在FAA1998，1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中，此技术击败包括X射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。并逐渐被 NASA、美国空军和海军、波音、洛克西得，各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。自90年代中期以来，这些政府机和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室，用于研究解决各自独特的无损检测问题。