基于红外热波技术的金属表面微裂纹检测研究

余尚行

(广东轻工职业技术学院机电技术学院，广东 广州 510300)

作者简介：余尚行(1982—)，男，实验师，硕士，主要研究方向为机械制造，feixiang_0202@126.com.

摘要：针对传统金属表面微裂纹检测技术存在识别率低、检测成本过高等问题，提出了基于红外热波技术的检测方案。利用红外热波状态函数描述温度场的变化趋势，在非稳定的条件下定位金属构件表面的微裂纹位置和深度；基于红外热像仪采集不同频率、相位的反射波特点，在相空间范围内确定红外热波的矢量变化趋势；以红外热波缺陷特征为基础，生成红外热波图像序列集合，再利用多项式数据拟合的方式处理红外图像像素点随温度的变化趋势。实验结果表明，所提检测方法提取的红外热波微裂纹图像清晰、位置精确，缺陷检测的时间成本更低。

关键词：红外热波；金属构件；微裂纹；序列集合

中图分类号：TP391   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0101-06

金属构件在机械制造、航空航天、建筑基建、车辆工程等不同领域应用广泛^［1-3］，金属构件加工产业同时也是我国国民经济发展和国防工业振兴的支柱产业之一，在总体产业结构中占据核心地位^［4］。在使用过程中，金属构件表面会承受巨大、复杂的外力，包括金属疲劳应力、热应力、冲击力和腐蚀力等^［5］，长期服役后金属构件表面不可避免地会产生微裂纹，带来不同程度的安全隐患^［6］。为了不破坏金属表面的物质构成，同时提高检测精度和检测效率，无损检测技术被广泛地应用于金属微裂纹的检测。目前，常用的金属表面微裂纹无损检测技术主要包括渗透检测技术^［7］、射线检测技术^［8］和涡流检测技术^［9］等。其中,渗透检测技术的应用范围较广，依靠渗透液的毛细作用可以识别出较为复杂的表面裂纹缺陷，但该检测技术方案无法精确识别出缺陷的严重程度，且检测的代价与成本较高；射线检测技术主要利用γ射线等检测射线判断金属表面是否存在缺陷^［10］，该技术方案的检测结果较为直观，对于金属表面的突变缺陷和固有缺陷的检测灵敏度较高，但对于复杂的微裂纹检测效果不佳，同时如果操作不当会造成环境污染甚至威胁检测人员的生命；涡流检测技术是一种基于电磁感应的无损检测，在实验室环境下对于微小裂纹检测的灵敏度较高，但该种检测技术方案对于检测环境有较高的要求，环境噪声、温度、湿度等因素都会影响到检测精度，因此该技术方案适用的场景较少。通过分析和研究现有金属构件表面无损检测方案的不足，本文提出了一种基于红外热波技术的无损检测方案，红外热波技术是随着红外线技术、计算机图像技术快速发展而产生的一种高精度无损检测技术，能够适应金属构件的多种缺陷形态，同时还可以确保检测精度、控制检测成本。

1 红外热波检测特性分析

红外热波的波长较长，能量高，且具有良好的方向性。红外线在传播中能够与金属表面微小缺陷耦合，并产生衍射、反射等复杂变化^［11-12］。提取反射红外热波中的缺陷信息并形成红外图像^［13］，能够准确地获取缺陷的位置、类别及程度信息，实现对金属表面微小裂纹缺陷的检测。红外热波与传统 γ射线、超声波等检测方式相比，穿透力强、定位精确且不会造成对环境的污染和对人体的损伤。物体都具有红外辐射的特性，红外热波技术利用金属表面温度与材料固有特性之间的关系，判断表面是否存在微裂纹等缺陷，并利用红外影像仪将热成像图显示出来。沿金属构件的表面加载红外脉冲热流，表面吸收热量后向内部传递，如果金属存在裂纹则此处的热属性与无缺陷部位的热属性存在较大差异，会导致红外热波出现非均匀流动。