向 明,董麗虹,王海斗,郭 偉

(陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100072)

1 引 言

在航空、鐵路、軍事等重要工業(yè)領(lǐng)域,對于大型裝備中金屬工件裂紋缺陷的檢測提出了越來越高的要求。疲勞裂紋是金屬構(gòu)件中常見的一種失效形式,如不能及時(shí)檢測出服役工件中的裂紋缺陷,裂紋會擴(kuò)展使構(gòu)件發(fā)生裂紋失效,造成巨大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。工程實(shí)際中的金屬構(gòu)件往往會經(jīng)過一定的表面處理,這種情況下金屬表面出現(xiàn)微裂紋時(shí)人眼很難直接觀測到,因此通常使用超聲、射線、滲透、紅外、渦流等無損檢測的手段定期進(jìn)行檢測[4-6]。本文主要介紹超聲紅外技術(shù)在金屬裂紋檢測方面的研究現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展方向。

2 超聲紅外無損檢測技術(shù)

超聲紅外無損檢測技術(shù)是利用超聲激勵(lì)能量與缺陷之間的相互作用產(chǎn)生熱量來進(jìn)行缺陷的識別,無需對被檢物體進(jìn)行處理,具有快捷簡便、精準(zhǔn)定位的特點(diǎn),對于缺陷區(qū)域較深、溫度敏感、要求檢測精度高的構(gòu)件具有獨(dú)特的優(yōu)勢[7-8]。原理如圖1所示,通過超聲換能器在被檢物體表面導(dǎo)入超聲激勵(lì)能量,傳遞到缺陷處進(jìn)行相互作用,使裂紋區(qū)域生熱產(chǎn)生溫度的變化,再通過熱像儀采集被檢物體表面溫度場的信息,利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對溫度信息進(jìn)行分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對缺陷的識別與表征[9]。

圖1 超聲紅外技術(shù)原理圖[10]

超聲紅外技術(shù)首先由美國弗吉尼亞大學(xué)于1979年開始研究,但是由于受到計(jì)算機(jī)等實(shí)驗(yàn)條件的限制[11],直到20世紀(jì)90年代才有了比較迅速的發(fā)展。國內(nèi)最早由南京大學(xué)的張淑儀等[12]于2003年開始研究,首都師范大學(xué)的張存林等[13]2008年在工程上證明了該技術(shù)對不同材料和結(jié)構(gòu)的適用性。該技術(shù)原理的突破是在2011年,美國愛荷華州立大學(xué)的Renshaw等[14]對其生熱機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,認(rèn)為摩擦生熱是主要的生熱機(jī)制。2015年波蘭的礦業(yè)冶金大學(xué)的Lepiarczyk等[15]開始將該技術(shù)用于監(jiān)測,2016年Holland等[16]建立了具有超聲紅外檢測的完整功能和結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?推動了該技術(shù)向自動識別的方向發(fā)展。近幾年的研究熱點(diǎn)順應(yīng)智能制造的大潮流,主要聚集在該技術(shù)的在線監(jiān)測、自動識別、定量化、智能檢測的方向。

從該技術(shù)的發(fā)展歷史可以看出這是一門新興的無損檢測技術(shù),將其應(yīng)用于工程中金屬裂紋的檢測仍有一些問題需要解決。超聲紅外檢測裂紋的效果主要取決于超聲激勵(lì)能量與裂紋作用的生熱機(jī)制、檢測過程中的檢測參數(shù)以及紅外熱圖的信號處理三個(gè)方面。目前的研究中生熱機(jī)制尚沒有科學(xué)定論,主流的摩擦生熱機(jī)制仍無法完美解釋裂紋區(qū)域產(chǎn)生的所有熱量[16-18]。檢測參數(shù)包括工件的參數(shù)以及超聲紅外系統(tǒng)檢測條件,任一條件的變化都會影響裂紋超聲激勵(lì)能量與裂紋的作用方式或熱量在構(gòu)件的熱傳導(dǎo)過程,導(dǎo)致檢測效果產(chǎn)生較大的波動。信號處理是指通過將紅外熱像儀直接得到的原始紅外熱圖進(jìn)行處理以得到直觀精確的裂紋信息。其中生熱機(jī)制是該技術(shù)的核心原理,從根本上決定了熱量來源；檢測參數(shù)的設(shè)置決定了最終檢測到的熱量大??；信號處理是最后一步,直接決定了檢測結(jié)果好壞。為保證裂紋缺陷檢測的準(zhǔn)確率和精準(zhǔn)度,近年來學(xué)者們分別從以上三方面展開研究,探討超聲紅外技術(shù)對金屬內(nèi)部裂紋檢測的適用性以取得最佳的檢測效果。

3 生熱機(jī)制

超聲激勵(lì)的作用下,材料在超聲激勵(lì)下的生熱機(jī)制主要有四種:熱彈效應(yīng)、黏滯效應(yīng)、摩擦生熱和塑性變形生熱。材料在沒有裂紋缺陷的情況下,由于熱彈效應(yīng)和黏滯效應(yīng)的存在也會產(chǎn)生熱量,但是對于金屬材料的貢獻(xiàn)很小,幾乎可以忽略,但是這兩種效應(yīng)在復(fù)合材料中產(chǎn)生的熱量卻相當(dāng)可觀。所以,在對含有裂紋缺陷的材料進(jìn)行超聲激勵(lì)時(shí),金屬材料的熱彈效應(yīng)和黏滯效應(yīng)產(chǎn)生的熱量可以忽略,主要研究摩擦生熱和塑性變形生熱的貢獻(xiàn)；對復(fù)合材料而言,這四種生熱效應(yīng)的產(chǎn)熱量比較接近,因此為準(zhǔn)確地識別裂紋缺陷,需要考慮熱彈效應(yīng)和黏滯效應(yīng)的影響,并采取熱圖的降噪處理或其他手段來盡量排除這兩種效應(yīng)的影響。

3.1 熱彈效應(yīng)

熱彈效應(yīng)是指在絕熱條件下,彈性體發(fā)生彈性形變時(shí),會產(chǎn)生溫度的變化,在超聲激勵(lì)的作用下,無論材料是否含有裂紋缺陷,材料的熱彈性都會使其機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能[19-20],溫度上升。因此在受同樣外力的情況下,物體發(fā)生彈性形變的程度決定了其發(fā)熱量的大小。彈性模量是表征材料抵抗彈性形變的能力,彈性模量越大,抵抗彈性形變的能力越強(qiáng),從表1可看出,金屬材料的彈性模量是復(fù)合材料的一千倍以上,使其彈性形變遠(yuǎn)小于復(fù)合材料。因此對于金屬材料而言,在受迫振動時(shí)熱彈效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量非常小,而復(fù)合材料中熱彈效應(yīng)產(chǎn)生的熱量就相當(dāng)可觀,不能忽略。

表1 不同材料彈性模量[19,21]

3.2 黏滯效應(yīng)

黏滯效應(yīng)又稱為阻尼(或內(nèi)耗)是指由于材料內(nèi)部原因而使振動波逐漸耗散而轉(zhuǎn)化為熱能的現(xiàn)象[23-24],阻尼越大,振動波衰減越多,衰減的振動波以熱能的形式釋放出來。黏滯效應(yīng)在復(fù)合材料中最為明顯,在受到類似于超聲振動的交變應(yīng)力作用時(shí),由于其大分子的形變是大分子連發(fā)生重排的過程,這種重排需要一定的時(shí)間,因此導(dǎo)致了形變落后于應(yīng)力的變化,即滯后現(xiàn)象(或遲滯、松弛),這一現(xiàn)象的存在使得每一次應(yīng)力循環(huán)的過程中產(chǎn)生消耗功,這種消耗功實(shí)際上是轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿腫25]。由于阻尼的測定比較復(fù)雜,通常用損耗因子表示材料阻尼的大小,不同材料的損耗因子如表2所示,復(fù)合材料的阻尼系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料,因此這一現(xiàn)象在金屬材料中的生熱量同樣很小。

表2 不同材料損耗因子[26-30]

3.3 摩擦生熱

摩擦生熱主要從裂紋面之間發(fā)生的接觸、滑移過程來解釋其生熱原理。當(dāng)超聲能量作用于裂紋區(qū)域時(shí),未閉合但是相互之間距離接近于零的裂紋面之間會發(fā)生接觸,導(dǎo)致接觸應(yīng)力的產(chǎn)生,在接觸應(yīng)力的作用下,裂紋面之間出現(xiàn)相對滑移時(shí),粗糙的裂紋面之間發(fā)生摩擦并產(chǎn)生熱量。

3.4 塑性變形生熱

在超聲激勵(lì)的作用下,當(dāng)裂紋面之間在發(fā)生摩擦和碰撞的過程中,裂紋面在應(yīng)力的作用下接觸,會發(fā)生塑性形變,這種形變要消耗能量,產(chǎn)生熱量,即塑性形變做功使超聲波轉(zhuǎn)化成熱能[31]。相比于裂紋面之間的摩擦而言,裂紋面上的微量形變所產(chǎn)生的熱量較小。同時(shí)由于金屬材料的宏觀不顯塑形,塑性變形對金屬材料中裂紋缺陷生熱的貢獻(xiàn)更小,但是要強(qiáng)于熱彈效應(yīng)和黏滯效應(yīng)。

4 檢測參數(shù)

由上文可知,熱彈效應(yīng)和黏滯效應(yīng)對于構(gòu)件的缺陷信息不敏感,因此在探究影響裂紋區(qū)域生熱的影響因素時(shí),目前的研究主要從裂紋面摩擦生熱和塑性變形生熱兩個(gè)機(jī)制為出發(fā)點(diǎn)。超聲激勵(lì)下裂紋的生熱受到多種因素的復(fù)合影響,工件參數(shù)和檢測條件中任一因素的變化都會使裂紋的生熱改變,因此,前期的研究中分別通過控制某一特征因素的變化來探討裂紋生熱的具體影響機(jī)理。

4.1 材料參數(shù)

材料參數(shù)是指被檢構(gòu)件的特性和所含裂紋的特征,前者包括構(gòu)件厚度、曲率等,后者包括裂紋位置、開口寬度、裂紋尺寸、以及裂紋的閉合狀態(tài)等。

(1)工件參數(shù)

被檢構(gòu)件在進(jìn)行超聲激勵(lì)時(shí),構(gòu)件的厚度、形狀等都會對超聲波的傳導(dǎo)產(chǎn)生影響,使得裂紋缺陷區(qū)域的生熱量發(fā)生變化。構(gòu)件厚度對于超聲激勵(lì)后溫度的升高有著很大的影響,因?yàn)樵胶竦臉?gòu)件抗彎截面系數(shù)越大,動力響應(yīng)越差,裂紋面之間的相對速度更小,不利于溫升,所以輕薄的構(gòu)件更利于檢測[32]。金國鋒等對含有裂紋缺陷的不同曲率材料構(gòu)件進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)超聲波在大曲率構(gòu)件內(nèi)能更好地激發(fā)接觸界面間的摩擦作用,產(chǎn)生較多熱能,所以隨著曲率的增大,構(gòu)件的缺陷信息越明顯,檢測效果越好[33]。因此在對構(gòu)件進(jìn)行檢測時(shí),應(yīng)充分考慮到其本身特性對檢測效果的影響,如構(gòu)件的厚度較大或者曲率較小時(shí),裂紋區(qū)域的生熱量也會相應(yīng)較少,應(yīng)該預(yù)估到這些情況下的檢測效果較差,可以盡量選取較薄、曲率較大的構(gòu)件進(jìn)行檢測。

(2)裂紋參數(shù)

除了構(gòu)件的特性外,構(gòu)件內(nèi)部裂紋的參數(shù)如位置、尺寸、閉合狀態(tài)等也會使生熱量發(fā)生較大的變化。馬豐年等對梁狀鋁合金試樣取不同位置的裂紋進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)裂紋的位置更靠近施加激振力的一側(cè)時(shí),裂紋生熱效率更高,檢測效果更好[34]。裂紋的開口寬度決定了裂紋面之間的距離,當(dāng)裂紋開口寬度越小時(shí),裂紋接觸面之間的擠壓和相對運(yùn)動更容易發(fā)生,在摩擦效應(yīng)和黏彈效應(yīng)的作用下,生熱效果更好[32]。馮輔周等對一系列含不同尺寸裂紋的45鋼進(jìn)行檢測和分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)檢測條件確定時(shí),裂紋響應(yīng)熱信號的對數(shù)與裂紋尺寸大體上呈線性關(guān)系,即裂紋尺寸越大,缺陷區(qū)域生熱增加[35-36]。裂紋的閉合狀態(tài)也是決定裂紋生熱的一個(gè)重要因素,閉合的裂紋面上會有一定的接觸應(yīng)力[37],而接觸應(yīng)力的存在則有利于塑性變形和摩擦生熱,在接觸應(yīng)力的作用下裂紋面之間會發(fā)生接觸、分離的交替變化。Schiefelbein 等將裂紋面轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆]合的那個(gè)臨界狀態(tài)稱之為閉合點(diǎn),用以描述裂紋的閉合狀態(tài),在閉合點(diǎn)之前進(jìn)行超聲激勵(lì),裂紋面之間的接觸過于緊密,不利于生熱,而在在閉合點(diǎn)之后,裂紋面會逐漸打開并能夠在外在激勵(lì)下相互作用,進(jìn)而產(chǎn)生熱量[38]。

裂紋的參數(shù)在對生熱量產(chǎn)生影響的同時(shí),檢測得到的熱圖中也蘊(yùn)含了裂紋的信息,可以利用這種對應(yīng)關(guān)系從熱圖中提取裂紋的特征,這對于裂紋缺陷的識別和定量表征具有重要的意義。這一部分的研究雖然說明了裂紋生熱量和裂紋參數(shù)的定性對應(yīng)關(guān)系,但是所闡述的影響機(jī)理主要是主觀的判斷,缺乏具體的微觀實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。而且裂紋面的粗糙度對生熱影響的研究尚未見到報(bào)道。

4.2 檢測條件

大量的研究表明,超聲紅外技術(shù)對于檢測條件十分敏感,如激振力和激振時(shí)間、激勵(lì)頻率以及預(yù)緊力等都會影響超聲波的傳遞,使裂紋的生熱發(fā)生變化。

(1)激振力和激振時(shí)間

工件在受到超聲激勵(lì)時(shí),為達(dá)到最佳檢測效果,激振振幅和激勵(lì)時(shí)間可以調(diào)節(jié),控制激振振幅表現(xiàn)為激振力的變化。一般情況下激振力越大,裂紋面之間的接觸壓力增大,裂紋的生熱效率越高,但是過大的激振力可能會導(dǎo)致裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展而不利于檢測,另外,當(dāng)激振力施加在質(zhì)量較小的一側(cè)時(shí)裂紋的生熱要好于施加在質(zhì)量大的一側(cè)[34]。張超省等[39]研究了激振時(shí)間對裂紋生熱的影響,發(fā)現(xiàn)在不同的檢測條件下,裂紋的生熱量均隨激振時(shí)間的增加而增加,并近似成線性關(guān)系。

(2)激振頻率

當(dāng)激勵(lì)頻率和構(gòu)件的固有頻率尤其是一階固有頻率接近時(shí),構(gòu)件會發(fā)生共振現(xiàn)象,振動變得更加激烈,裂紋面之間的摩擦效應(yīng)更大,裂紋生熱增加[34]。同時(shí)激勵(lì)頻率的模式也能影響裂紋的生熱,單一頻率的超聲波容易與構(gòu)件發(fā)生駐波現(xiàn)象,導(dǎo)致在沒有缺陷的位置也會衰減轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?使得熱像儀檢測到的缺陷區(qū)域的溫度場信息不準(zhǔn)確,因此,田干等[40]分析了聲混沌的產(chǎn)生機(jī)理及對駐波的消除作用,發(fā)現(xiàn)隨著激勵(lì)頻率的增加,聲混沌現(xiàn)象出現(xiàn)的概率也增加,頻譜成分更豐富,包含了更多的次諧波和高次諧波。且在相同激勵(lì)頻率下,聲混沌更有助于提高構(gòu)件損傷處的表面溫差,達(dá)到更好的檢測效果,比如在檢測中使用雙源激勵(lì)超聲波進(jìn)行激勵(lì),更易出現(xiàn)聲混沌現(xiàn)象,使檢測能力增強(qiáng)并避免了材料的二次損傷[41]。

由于超聲槍和待檢構(gòu)件的直接接觸是非線性的,導(dǎo)致超聲激勵(lì)下構(gòu)件的振動為非線性振動,這種振動的頻率主要取決于兩者之間的接觸方式和所用換能器的性質(zhì),具有很大的隨機(jī)性,使裂紋面接觸力以及相對速度波形中包含豐富的頻譜成分[42]。這就導(dǎo)致即使每次都采取相同的激勵(lì)頻率,也難以保證構(gòu)件的振動特性是一致的,使得無法有效地通過調(diào)節(jié)激勵(lì)頻率來控制裂紋的生熱特性,不利于裂紋缺陷的檢測效果。為解決此問題,Vaddi[43]等提出在超聲槍和待檢構(gòu)件之間使用耦合劑以消除非線性接觸的效應(yīng),這樣構(gòu)件的振動頻率就不會受到所用換能器的影響。

(3)預(yù)緊力

預(yù)緊力是指超聲槍與待檢構(gòu)件之間的作用力,之前一直是被忽略的一個(gè)因素,近來許多研究表明,預(yù)緊力是改變待檢構(gòu)件振動狀態(tài),使之出現(xiàn)非線性振動的原因之一[44]。因此通過控制預(yù)緊力的大小可在一定程度上改變構(gòu)件的振動狀態(tài),使超聲能量更高效地作用于裂紋生熱,研究發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)緊力的增大,被測平板振動能量總體上升且頻譜成分趨于規(guī)則和單一,但振動能量的空間分布也變得更不均勻；工具桿端面與被測平板之間接觸力的變化導(dǎo)致被測平板呈現(xiàn)不同的振動頻譜,而一定范圍內(nèi)振動頻譜的頻繁轉(zhuǎn)換使得振動能量產(chǎn)生波動[45]。但是過大的預(yù)緊力也可能導(dǎo)致構(gòu)件的破壞[32]。同時(shí)預(yù)緊力也可以通過改變裂紋面的接觸狀態(tài)來影響生熱,馮輔周[45]等發(fā)現(xiàn)預(yù)緊力的存在導(dǎo)致靠近激勵(lì)同側(cè)的裂紋附近區(qū)域的生熱量高于激勵(lì)異側(cè)。在掌握預(yù)緊力對裂紋生熱的定性影響的基礎(chǔ)上,今后可通過對預(yù)緊力的定量研究進(jìn)一步提升檢測效果。

針對檢測條件對裂紋生熱的影響,可以在檢測過程中采取合適的激振力和預(yù)緊力,盡可能激振足夠的時(shí)間,選取與待檢構(gòu)件頻率接近的激振頻率進(jìn)行激勵(lì),并在換能器和待檢構(gòu)件之間采取一定的耦合方式,以達(dá)到最好的檢測效果。同時(shí),這也反映了超聲紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展歷史較短,缺乏相應(yīng)的檢測技術(shù)規(guī)范,今后針對各種不同的待檢構(gòu)件探究最佳的檢測參數(shù)還有大量的工作需要完成。

5 信號處理

紅外熱像儀通過采集試件表面的原始溫度場信息得到紅外熱圖,信號處理即是對紅外熱圖中的熱信號進(jìn)行處理。由于超聲激勵(lì)下試件的生熱受到多種因素的影響,在缺陷區(qū)域傳遞到試件表面的熱傳導(dǎo)過程也會使熱信號產(chǎn)生一定的變化。因此在紅外熱像儀得到的熱信號中除了缺陷的特征信息外,還包含有大量的噪聲信號,需要我們對熱信號進(jìn)行一定的處理,以準(zhǔn)確得到缺陷的特征信息。信號處理也是超聲紅外檢測技術(shù)的最后一步,直接決定了檢測結(jié)果的直觀化和準(zhǔn)確性,通過對信號處理的研究可以實(shí)現(xiàn)缺陷的自動識別和缺陷信息的定量化,使其進(jìn)一步推向工程應(yīng)用領(lǐng)域,因此也是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

5.1 裂紋缺陷的自動識別

超聲紅外技術(shù)作為一門新興的無損檢測技術(shù),在實(shí)際檢測中很大程度上依賴于人的經(jīng)驗(yàn),這一特點(diǎn)導(dǎo)致該技術(shù)具有不穩(wěn)定性,同時(shí)極大地束縛了人力,檢測效率低下。為解決這一問題,近年的研究主要根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)原理和大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立模型,通過采取合適的算法對采集到的熱信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,來達(dá)到自動化識別的目的。Gao[46]等在對發(fā)動機(jī)葉片的檢測中,采取了主成分分析和魯棒估計(jì)的算法來實(shí)現(xiàn)了對裂紋缺陷的自動識別,并且發(fā)現(xiàn)了人眼無法識別的微小裂紋。馮輔周[35]等采用極大似然估計(jì)和wald法建立了裂紋檢出概率的模型,此模型可以在檢測到一定尺寸以上的裂紋時(shí)發(fā)出警報(bào),但是該模型僅采集了激勵(lì)開始時(shí)刻的背景信號和激勵(lì)開始時(shí)刻的溫度差作為信號,采集的信號不完善使得該模型缺乏穩(wěn)定性。Holland 等[16]分別對振動、缺陷生熱以及熱傳導(dǎo)三個(gè)過程建立了一個(gè)功能比較完整的模型,來預(yù)測裂紋的生熱,由于缺陷生熱模型是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?所以仍需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 裂紋缺陷的定量化

在對實(shí)際結(jié)構(gòu)件的檢測中,如果不能在缺陷達(dá)到一定尺度前發(fā)現(xiàn)其特征信息,則會極大地增加結(jié)構(gòu)件服役的安全隱患,因此對于缺陷的尺寸、位置的量化有著較高標(biāo)準(zhǔn),這就要求超聲紅外技術(shù)必須由定性化檢測盡快實(shí)現(xiàn)定量化檢測。意大利墨西拿大學(xué)的Montanini等[47]開發(fā)了一種相圖分割的算法用以建立熱圖與缺陷實(shí)際面積的對應(yīng)關(guān)系,確定了鑄鐵中缺陷的面積。美國愛荷華州立大學(xué)的Gao 等[48]將裂紋的尺寸信息融入到了混合效應(yīng)模型,建立了尺寸信息和檢出概率之間的函數(shù)關(guān)系。Mendioroz[49]等通過對試件表面的溫度數(shù)據(jù)添加白噪聲,然后采用反演的算法來定量表征裂紋的深度信息,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。法國國家航天航空研究中心的Bai 等[50]通過分析振動光譜實(shí)現(xiàn)了對復(fù)合材料中的微米級裂紋的識別。沈陽工業(yè)大學(xué)的Liu等[51]借鑒商業(yè)脈沖熱成像的熱成像信號重建法(TSR)來得到對缺陷信息更為敏感的熱信號導(dǎo)數(shù)圖像,對缺陷深度進(jìn)行了定量估計(jì)。

近年來建立的一些模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了裂紋缺陷自動識別和定量化功能性上的完整,即可以通過輸入檢測的數(shù)據(jù)自動得到裂紋的信息,但是由于缺乏對裂紋生熱本質(zhì)的理解以及采集數(shù)據(jù)的不全使其缺乏可靠性。另外,對于不同數(shù)據(jù)和模型所采取算法的區(qū)分和適用性也有待進(jìn)一步探討。

6 存在的不足及發(fā)展趨勢

由超聲紅外作為一門新興的無損檢測技術(shù),目前在重工業(yè)領(lǐng)域尤其是航空領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注,是一種快速高效檢測金屬內(nèi)部裂紋的無損檢測方法,但是由于研究時(shí)間較短,目前仍大量處于實(shí)驗(yàn)研究階段,尚未大規(guī)模的應(yīng)用到工程中。結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和工程應(yīng)用的實(shí)際問題,本文提出了一些該技術(shù)研究存在的不足之處:

(1)裂紋區(qū)域中,裂紋面之間在距離很大的情況下不會發(fā)生摩擦,但是仍能產(chǎn)生明顯的熱量,而目前的摩擦生熱機(jī)制無法有效地解釋這一現(xiàn)象。

(2)針對種類繁多的檢測對象來說,檢測參數(shù)對裂紋生熱的影響各不相同,檢測效果也會有較大區(qū)別,如許多結(jié)構(gòu)件表面有涂層的存在時(shí),如何調(diào)整檢測參數(shù)實(shí)現(xiàn)對基體裂紋的最佳檢測值得探討。

(3)各種信號處理技術(shù)的研究雖多,但對于處理方式之間的優(yōu)劣和適用性上還沒有進(jìn)行系統(tǒng)的區(qū)分和比較,不利于信號處理方式的優(yōu)化。

(4)由于缺陷生熱機(jī)制尚不完善導(dǎo)致建立的各種缺陷自動識別模型中仍有很大的經(jīng)驗(yàn)性成分,使得模型缺乏穩(wěn)定性和可信度。

(5)定量化的研究雖然能對缺陷進(jìn)行一定程度上的量化表征,但是目前的缺陷識別尺寸上大多仍停留在毫米級,而金屬結(jié)構(gòu)的表面微裂紋萌生于微米級。

針對該技術(shù)目前在金屬裂紋檢測方面研究存在的不足,并結(jié)合其特點(diǎn)及實(shí)際工程應(yīng)用,可以看出該技術(shù)仍有大量的研究工作有待開展。如仍需進(jìn)一步完善裂紋的生熱機(jī)制,可通過對裂紋生熱過程進(jìn)行更精細(xì)的模擬并結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段來展開研究。目前的研究對象較為單一,可對不同材料、結(jié)構(gòu)以及服役工況下構(gòu)件的最佳檢測參數(shù)進(jìn)行探索,并建立系統(tǒng)的檢測技術(shù)規(guī)范使其進(jìn)一步走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。在當(dāng)前智能制造的大背景下,對于構(gòu)件的裂紋檢測也提出了更高的要求,定量化趨向于高精度、檢測方式趨向于系統(tǒng)高度集成及自動化、離線檢測趨向于在線監(jiān)測。

7 結(jié) 語

快捷簡便、適用性強(qiáng)使得超聲紅外技術(shù)在金屬裂紋的檢測中具有巨大的應(yīng)用潛力。文中分析了四種生熱機(jī)制對超聲激勵(lì)下裂紋生熱的貢獻(xiàn),探討了各種檢測參數(shù)對裂紋生熱的影響,闡述了信號處理技術(shù)在推動超聲紅外檢測自動識別和定量化的研究進(jìn)展。指出了其面向工程應(yīng)用的一些不足并提出了建議。相信超聲紅外技術(shù)在工程需求的推動和技術(shù)原理的進(jìn)一步完善下勢必能為工業(yè)中金屬結(jié)構(gòu)件的檢測帶來革命性的變化。

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