張金玉，馬永超

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基于紅外鎖相法的涂層脫粘缺陷檢測與識別

張金玉，馬永超

（火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025）

通過建立涂層的三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型，對涂層脫粘缺陷模型的正弦調(diào)制加熱過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。在不同涂層厚度與缺陷尺寸下，分別提取缺陷中心處與無缺陷處表面溫度相位并進(jìn)行差值計(jì)算；沿缺陷半徑方向均勻取點(diǎn)，并對涂層表面平均溫度曲線進(jìn)行一階差分。研究結(jié)果表明：通過缺陷處與無缺陷處相位差可有效檢測缺陷，通過溫度一階差分可對缺陷進(jìn)行定量識別。

紅外鎖相；涂層缺陷；相位差；定量識別

0 引言

目前，特種功能涂層在現(xiàn)代工程機(jī)械設(shè)備上使用尤為廣泛，這些具有特定功能的涂層對于機(jī)械設(shè)備的壽命以及可靠性有極大的作用。但是在使用過程中，涂層極易出現(xiàn)各種缺陷損傷，一旦發(fā)生則將大幅度影響涂層功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而引發(fā)事故。因此，能夠及時檢測到涂層的缺陷損傷對于機(jī)械設(shè)備的壽命及性能保證具有重要意義。其中，脫粘則是特種功能涂層極易產(chǎn)生的一種缺陷。而目前常用的無損檢測方法，如超聲、渦流、射線等均存在很大的局限性，對于厚度極小的特種功能涂層的脫粘缺陷，無法進(jìn)行有效地檢測與識別，因此，涂層檢測技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。

紅外熱波無損檢測技術(shù)是近年來美國航空航天和國防領(lǐng)域興起的一種新的無損檢測技術(shù)。該技術(shù)克服了傳統(tǒng)無損檢測一些局限性，具有效率高、精確率高、結(jié)果直觀、檢測范圍大等優(yōu)點(diǎn)[2]，非常適合涂層質(zhì)量檢測。紅外熱波無損檢測通過施加主動激勵的方式對試件材料進(jìn)行加熱，采集探傷過程中的熱圖像和后期的圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對缺陷的檢測。

紅外無損檢測技術(shù)按照激勵方式分為脈沖法與鎖相法，相比于脈沖法，鎖相法具有對光源要求低、受光照不均勻影響小和對表面發(fā)射率變化不敏感、抗干擾能力強(qiáng)、對試件表面防反射處理要求低等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前國內(nèi)外針對鎖相法與涂層檢測的研究還很少，國內(nèi)研究中，文獻(xiàn)[4]通過脈沖法對試件缺陷進(jìn)行檢測，對缺陷的大小識別受影響因素較多，效果不明顯；文獻(xiàn)[5]通過鎖相法對涂層厚度進(jìn)行了檢測，沒有分析涂層缺陷的檢測；文獻(xiàn)[6]對涂層孔洞、脫粘缺陷進(jìn)行了檢測，但是對缺陷大小沒有進(jìn)行識別。國外研究中，文獻(xiàn)[7]通過鎖相法對玻璃纖維增強(qiáng)材料試件的缺陷進(jìn)行了有效檢測，但是沒有對缺陷進(jìn)行定量識別；文獻(xiàn)[8]通過脈沖法對鐵軌上的裂紋缺陷進(jìn)行了分析，存在信噪比低、誤差大等缺點(diǎn)。因此，本文采用紅外鎖相法對涂層脫粘缺陷進(jìn)行檢測與定量識別的仿真研究具有現(xiàn)實(shí)的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 紅外鎖相無損檢測原理

紅外鎖相無損檢測是對涂層表面施加功率隨時間變化的熱激勵[9]，熱量由涂層表面向內(nèi)部傳到，當(dāng)遇到涂層與基體之間的脫粘缺陷時，由于材料的熱屬性改變，熱波反射到涂層表面后，表面的溫度序列會發(fā)生改變[10-11]。用紅外熱像儀記錄表面的溫度，利用相位提取法，提取出涂層表面溫度變化的相位。根據(jù)涂層表面的相位分布，即可推斷出缺陷的位置與尺寸相關(guān)信息。檢測原理如圖1所示。

圖1 鎖相法檢測脫粘缺陷原理

2 紅外鎖相法的熱波理論分析

在使用鎖相法對涂層進(jìn)行檢測時，需要對涂層施加一個隨時間變化的正弦激勵。

熱波在涂層中傳遞時，滿足傅里葉熱擴(kuò)散方程：

其初始條件為：

邊界條件為：

式中：c為材料表面熱交換系數(shù)；l、l、l分別為涂層的長度、寬度、厚度。

由以上可以看出，通過解析法求解是比較困難的，因此本文通過有限元法對問題進(jìn)行分析。

3 缺陷的檢測

為探索紅外鎖相無損檢測對于脫粘缺陷的檢測與識別的有效辦法。建立如圖2所示的數(shù)學(xué)模型。其中基體長250mm，寬150mm，厚度5mm；涂層厚度2mm，涂層和基體的接觸面處以不同大小空氣柱模擬不同的脫粘缺陷；從左到右，從上到下缺陷直徑分別為1mm、4mm、7mm、10mm、13mm、15mm、17mm、20mm。其中環(huán)境溫度為25℃不變，試件初始溫度與環(huán)境溫度相同，表面對流換熱系數(shù)為10W/(m2·℃)，忽略表面輻射傳熱。涂層和基體的熱特性參數(shù)如表1所示。

圖2 涂層脫粘缺陷模型

表1 材料的熱特性參數(shù)

3.1 熱激勵加載與相位差的獲取

1）熱激勵加載

由于實(shí)驗(yàn)中無法加載負(fù)的熱流強(qiáng)度，因此我們對涂層表面加載強(qiáng)度為500[1－cos(2p)]W/m2的熱激勵并進(jìn)行仿真，獲取涂層表面的溫度變化曲線。其中，＝0.01Hz，加載時間＝200s，共兩個周期，每個周期取100個點(diǎn)，共200幀溫度圖像。

圖3為涂層表面溫度曲線，由圖可以看出，在激勵加載初期，溫度會異?？焖僭黾?，為了不影響提取溫度的穩(wěn)定性，取第101～200幀的溫度，由于是周期性截取，因此相位也不會發(fā)生改變。

圖3 涂層表面溫度曲線

分別取8個缺陷中心所對應(yīng)涂層表面的點(diǎn)，以及無缺陷處共9個點(diǎn)，求出每個點(diǎn)溫度序列的相位，無缺陷處相位為－0.6631rad，各缺陷中心相位如表2所示。

表2 缺陷中心相位

用無缺陷處表面相位分別減去各缺陷中心表面相位，結(jié)果如圖4所示。由結(jié)果可以看出，缺陷小于10mm時，相位差隨著缺陷尺寸的增大穩(wěn)定增長，大約在10mm處取得最大值。缺陷尺寸大于10mm后，相位差會逐漸減小，并且減緩速度也越來越小，根據(jù)曲線預(yù)估，在缺陷大于20mm后，相位差基本不會再變化。

3.2 涂層厚度與相位差

在模型結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)不變的情況下，將涂層厚度分別定為1mm、1.5mm、2mm、2.5mm，分別對各個模型進(jìn)行仿真計(jì)算，不同模型各缺陷處與無缺陷的相位差如圖5所示。

圖4 曲線尺寸與相位差

圖5 涂層厚度與相位差曲線圖

由圖5可以看出，不同涂層厚度之間，缺陷尺寸和相位差之間的曲線走勢是一樣的，區(qū)別在于變化幅度不同；當(dāng)缺陷尺寸一定時，隨著涂層厚度的增加，相位差會先增大后減小，當(dāng)缺陷直徑小于1mm時，難以檢測到缺陷的存在；由曲線走勢看出，當(dāng)涂層厚度大于3mm時，相位差會非常小，難以檢測到缺陷，在厚度為1～2mm之間，檢測效果最為明顯；在缺陷尺寸較小時，缺陷尺寸對于相位差影響更大，而在缺陷尺寸較大時，涂層厚度對于相位差影響較大。

4 缺陷的定量識別

由上章可知，通過缺陷中心表面相位與無缺陷處表面相位的差值可以有效地檢測出缺陷的存在。而在實(shí)際檢測過程中，不但要對缺陷進(jìn)行檢測，更重要的是對其大小進(jìn)行定量識別。

由于熱量在復(fù)合材料內(nèi)既有厚度方向的傳播又有沿平面方向的傳播，在缺陷的邊沿處，由于平面?zhèn)鞑嶙璧耐蛔?，溫度梯度也會發(fā)生變化，因此可以對表面溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定溫度梯度發(fā)生改變的位置，進(jìn)而確定缺陷的邊沿位置和大小。

建立如圖6所示的單缺陷模型，材料屬性和缺陷類型與上章一致，基體長150mm，寬80mm，厚度5mm，涂層厚度2mm，缺陷直徑40mm。

調(diào)制頻率為分別取0.01Hz、0.02Hz和0.05Hz，均加載3個周期，每個周期采100幀，共300幀。從缺陷中心開始，沿半徑方向每2mm取一個點(diǎn)，共取17個點(diǎn)，提取其溫度序列。取201～300幀的溫度平均值作為此點(diǎn)的值，平均溫度曲線及其一階差分如圖7～圖9所示。

由圖7～圖9可以看出，無論如何，徑向位置越大（離缺陷中心越遠(yuǎn)），溫度越低，對應(yīng)的溫度一階差分先下降而后上升，均在20mm位置處達(dá)到谷值，由此可見，通過計(jì)算溫度分布的一階差分谷值位置來確定缺陷半徑是可行的。雖然調(diào)制頻率對半徑的檢測結(jié)果幾乎無影響，但由圖7～圖9可以看出，當(dāng)調(diào)制頻率越大（調(diào)制周期越小），試件表面溫度的對比度和一階差分越小，因此，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，調(diào)制頻率過大時，試件表面溫度的對比度和一階差分容易被噪聲湮沒，不利于熱像儀采集，而隨著調(diào)制頻率的減小，試件表面溫度的對比度和一階差分也增大，有利于提高信噪比和檢測精度，因此在保證試件表面溫度在許可范圍內(nèi)的條件下，應(yīng)該減小調(diào)制頻率或增大調(diào)制功率。

5 結(jié)論

本文分析了鎖相法檢測涂層缺陷的原理，對涂層缺陷模型的正弦調(diào)制加熱過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了相位差與涂層厚度、缺陷尺寸之間的關(guān)系；并對缺陷大小進(jìn)行了定量識別。主要結(jié)論如下：

1）通過相位差可有效檢測缺陷的存在。當(dāng)涂層厚度一定時，相位差隨著缺陷尺寸的遞增，先增大，后減小。當(dāng)涂層厚度大于3mm時，相位差過小，難以有效檢測缺陷。

2）對涂層表面溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定溫度梯度發(fā)生改變的位置，進(jìn)而可以確定缺陷的邊沿位置和大小。

3）調(diào)制頻率過大時，表面溫度的對比度和一階差分過小，易被噪聲湮滅。在保證試件表面溫度許可范圍下，適當(dāng)減小調(diào)制頻率或增大調(diào)制功率。

圖6 單缺陷模型

圖7 0.01Hz時平均溫度與一階差分

圖8 0.02Hz時平均溫度與一階差分

圖9 0.05Hz時平均溫度與一階差分

[1] 王迅, 金萬平, 張存林, 等. 紅外熱波無損檢測技術(shù)及其進(jìn)展[J]. 無損檢測, 2004, 26(10): 497-501.

WANG xun, JIN Wan-ping, ZHANG Cun-lin, et al. Actuality & evolvement of infrared thermal wave nondestructive imaging technology[J]., 2004, 26(10):497-501.

[2] Maldague X P V.[M]. 2001, 4(3): 307.

[3] 霍雁, 趙躍進(jìn), 李艷紅, 等. 脈沖和鎖相紅外熱成像檢測技術(shù)的對比性研究[J]. 激光與紅外, 2009, 39(6): 602-604.

HUO Yan, ZHAO Yue-jin, LI Yan-hong, et al. Comparison between pulse and lock-in infrared thermography technology[J]., 2009, 39(6):602-604.

[4] 王永茂, 郭興旺, 李日華. 紅外檢測中缺陷大小和深度的測量[J]. 激光與紅外, 2002, 32(6): 404-406.

WANG Yong-mao, GUO Xing-wang, LI Ri-hua. Measuring defect diameter and depth in infrared testing[J]., 2002, 32(6):404-406.

[5] 張金玉, 孟祥兵, 楊正偉, 等. 紅外鎖相法涂層測厚數(shù)值模擬與分析[J]. 紅外與激光工程, 2015(1): 6-11.

ZHANG Jin-yu, MENG Xiang-bing, YANG Zheng-wei, et al. Numerical simulation and analysis of lock-in thermography for thickness measurement of coating[J]., 2015(1):6-11.

[6] 樓淼, 呂香慧, 張宇, 等. 有機(jī)防腐涂層質(zhì)量的紅外熱波無損檢測[J]. 激光與紅外, 2012, 42(5): 522-525 .

LOU Miao, LV Xiang-hui, ZHANG Yu, et al. IR nondestructive testing of anti-corrosion organic coating[J]., 2012, 42(5):522-525.

[7] Roberto Montanini, Fabrizio Freni. Non-destructive evaluation of thick glass fiber-reinforced composites by means of optically excited lock-in thermography[J]., 2012, 43: 2075-2082.

[8] Peng D, Jones R. Modelling of the lock-in thermography process through finite element method for estimating the rail squat defects[J]., 2013, 28: 275-288.

[9] 賈文抖, 范春利, 孫豐瑞, 等. 缺陷紅外診斷的熱激勵方式對比研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(10): 849-854. JIA Wen-dou, FAN Chun-li, SUN Feng-rui, et al. A comparative study on thermal excitations of thermographic defect inspection and identification[J]., 2014, 36(10): 849-854.

[10] 孔祥謙. 有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1986.

KONG Xiang-qian.[M]. Beijing: Science Press, 1986.

[11] GUO X, DING M. Simulation of thermal NDT of thickness and its unevenness of thermal barrier coatings[J]., 2010, 31(1): 198-203.

Detection and Recognition of the Debonding Defect of Coating Based on Lock-in Thermography

ZHANG Jinyu，MA Yongchao

（Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China）

In this paper, the 3D unsteady heat conduction model of coating is established, and the sinusoidal modulation heating process of the debonding defect model of coating is analyzed numerically. The phase of temperature changes on coating surface of defect center and no defects are extracted respectively and the difference with different coating thickness and defect size is calculated. First order difference is used for the processing of average temperature curves of coating surface which were extracted along the defect radius direction. The results show that coating defect could be detected and recognized well by phase difference and the first order difference of temperature.

lock-in thermography，coating defect，phase difference，quantitative recognition

TQ630.72，O657.33

A

1001-8891(2016)10-0894-05

2016-05-27；

2016-08-06.

張金玉（1964-），男，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闊岵o損檢測，智能故障診斷。

國家自然科學(xué)基金（51275518）。