红 外 热 波 无 损 探 伤 技 术

光谷子

      注:本项目介绍中采用的部分图片引自TWI公司公开资料
      红外热波无损探伤技术
      红外热波无损探伤技术在复合材料研究与航空航天安全检测研究中的应用
      项目内容
      红外热波无损探伤技术是一项二十世纪九十年代发展起来的实用技术。该技术是由美国韦恩州立大学工业技术研究所和物理系的一组科研人员发明并不断完善起来的，并一直得到美国政府机构如NASA，FAA，空军和自然科学基金的赞助。很多知名大公司，如洛克西得，波音，西北航空公司等也纷纷设立了红外热波无损探伤实验室以用于解决各自的无损探伤问题。据了解，国内在对此项技术的研究与应用上还几乎都是空白。

      核心技术、设备
      *红外热波无损探伤技术的核心是针对各类试件选择不同特性的热源对试件进行周期、脉冲、直流等函数形式的加热；采用现代红外成象技术，并在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集；使用根据热波理论模型和现代图象处理理论模型而研制的专用计算机软件进行实时图象信号处理和分析。
      *核心设备是“红外热波探伤仪”。包括热象仪、加热装置、控制装置、计算机及图象处理装置和专用计算机软件。
      与同类技术的比较
      *与传统的依靠物体自身热辐射而对其温场被动成象的探伤技术不同，红外热波无损探伤技术利用物体因其结构或材料不同而导致的热传导特性的不同，采用各式各样的加热方法对试件进行加热用以激发显示表面裂纹和暗藏于表面以下的各种损伤和异常结构变化，使用热成象仪在时间和空间上记录热传导过程中试件表面的温场变化，用热波理论和计算机图象处理技术分析所得热图象并最终达到探伤目的。
      *与多种常用的探伤技术，如超声波、X光、热成象、暗电流、全息摄影、染料、磁化等等相比，红外热波无损探伤技术具有适用面广（可用于所有金属和非金属材料），速度快（每个测量一般只需数秒钟），观测面积大（根据被测对象，一次测量可覆盖面积近一平方米），测量结果用图象显示，直观易懂，多数情况下不污染也不需接触试件等优点。
      应用领域和前景
      *红外热波探伤技术的功能和用途主要是无损探伤和检测。能应用的地方可以说是无穷无尽；特别是用于航空、航天、军工领域中有关飞行器安全的检测；用于各种新材料，特别是多层复合材料的研究；各工业、制造业中探测各种承重设备表面及表面下的疲劳裂纹；各种粘接、焊接质量检测，涂层检测；用于产品质量的监测；对设备运转情况的监测；用于对产品研发过程中加载或破坏性试验过程的评估等等。此外，这项技术还可以用来做定量测量分析，如测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及进行表面下的材料和结构特征识别。例如：
      *飞机检测：红外热波探伤技术用于各类飞机的探伤研究已经近10 年了。 其间得到了美国FAA、
      NSF、空军、波音公司、各航空公司的巨额资助。研究成果已被广泛认可。目前已开始进入实际应用并大有取代传统的超声波探伤办法之势。热波探伤技术用于飞机探伤主要是探测其蒙皮损伤。飞机蒙皮损伤大致有五类：一是起降过程中受异物撞击（如冰雹、飞沙、飞鸟等）后引起的损伤，特别是采用复合材料的部分，受撞击后表面完好，而强度和密封性已被破坏；二是因高低空压力变化产生的“吹气球”效应，从而导致应力集中处（铆钉附近）的金属因疲劳而产生裂纹；三是各种化学原因造成的锈蚀，特别是内表面锈蚀；四是各种原因引起的结构损伤，如各种失效的粘接、焊接、铆接；五是密封不好引起的机身蜂窝结构件和泡沫材料件的积水。热波探伤对于所有这五类损伤的检测效果都远优于其它探伤办法。不仅如此，采用热波探伤还可以对损伤做定量分析。如探测损伤深度、锈蚀程度以及能区别是积水还是渗漏的液压油等。这些结果都是经过大量实验室和实地、外场试验，不断总结经验和改进设备才得到的。
      *绝热层的检测：各种各样的热机、发动机都有两个基本问题：提高效率和防止过热烧毁。通用办法是在其燃烧腔内金属部件上涂陶瓷或合金材料的绝热层。而绝热层在金属上的附着性能常常决定了热机的寿命。世界最大的发动机制造商卡明斯就曾在研制一种大型发动机时遇到了该如何测量喷涂在活塞上的陶瓷绝热层的寿命问题。当工程师将涂有不同厚度的，采用不同配方的陶瓷绝热层的活塞放到引擎中实际运转不同时间段而最终取出后，竞无法确定陶瓷绝热层的附着情况。所有已知可用的探伤办法都无法做到即不损伤又不接触样品。而采用热波探伤的方法后，每个试件只需几十秒钟，便可将绝热层的附着情况清晰的显示出来。类似的试验我们还碰到一些。比如通用汽车公司铸铝缸体内衬附着问题；洛克西德公司涡轮发电机叶片绝热层在运行中同步监测问题等等。与这些情况类似，航天器的液体燃料发动机和火箭固体燃料发动机的喷口绝热层附着问题；各种镀膜、涂层、夹层的探伤问题；粘接质量问题等都可用同样方法进行探测。
      *单向、不接触厚度测量：比如测量喷漆的厚度；测金属板材的厚度等。精度可以非常高（如：测1mm厚铝板的精度可达到微米级，小于1％）。这里须强调“单向”和“不接触”，否则意义不大。这项应用实际上是研究飞机蒙皮锈蚀定量测量的附加成果。而其本身就有潜力形成专利产品，比如就叫不接触式单向热波测厚仪，相信也有市场。
      *裂纹探测：对于各种各样的裂纹进行无损检测一直是无损探伤界的难题。特别对那些与表面垂直并完全闭合的裂纹，曾长期没有可靠的检测办法。而采用热波无损探伤技术却可以得到令人满意的结果。这是近几年热波探伤技术发展最快的领域，其成绩引起了广泛关注。这一成果的实现关键是采用了超声加热法。这一成果于99年完成原理试验和少量的实验室应用试验，2000年才完成专利申请。从目前情况看，对所有已知的各种裂纹情况进行检测的结果还无一例失败。其中包括探测到了飞机蒙皮的疲劳裂纹；铸铝引擎外壳的裂纹；钢曲轴的裂纹；铜焊裂纹；陶瓷茶杯裂纹；牙齿上的裂纹；核桃皮上的裂纹等等。在今年美国QNDE国际无损探伤年会上这项技术倍受关注。虽然某些技术细节还在研究解决过程中，但其原理和方法定将得到广泛采用。特别是其用于大型工程中大面积、快速检测的可能性以及对各种输油、输气管道，燃料、化工原料、核材料等的储存、运输罐等等进行实地检测的潜力，应用前景十分广阔。
      红外热波无损探伤技术是近十年来在美国发明和不断完善的一项全新技术。项目方是该技术的发明及其开发过程的关键参与者，掌握仪器设备的设计和制造、原理试验和应用试验的核心技术。据了解，此项技术在中国尚鲜为人知，消除运作风险的有效办法是加大宣传力度，主动接触潜在用户。为此，项目方将提供红外热波无损探伤技术在美国的应用实例及最新研究成果。另外，此项引进技术近十年来一直处于国际领先地位。原有的英、法、德、日、加、和美国其它类似的研究组都因技术水平不及而没有形成实用产品并已逐渐退出竞争。再有，此项技术是经由很多人长期地研究和经验积累逐渐发展起来的，不仅专业性强，而且对设备和实验室的要求很高。因此，很难在近期内形成竞争。
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