秦亞，王進

(1.湘潭大學化學學院，湖南湘潭 411100； 2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

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塑料制品內部缺陷檢測方法的研究

秦亞1，2，王進2

(1.湘潭大學化學學院，湖南湘潭 411100； 2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007)

摘要：介紹了塑料制品的生產流程及可能存在的缺陷，對塑料制品的無損檢測方式進行了探討。以某玻纖增強尼龍制品為例，詳述了紅外無損檢測和數字射線檢測的原理及操作過程，對比分析了兩種無損檢測方法的檢測結果，并得出結論：數字X射線無損檢測方法對玻纖增強尼龍制品內部缺陷的檢測是有效的。

關鍵詞：塑料制品；無損檢測；應用

聯系人：王進，教授級高工，主要從事軌道交通用高分子材料及制品的研發(fā)、測試分析及標準化制定工作

塑料制品質輕、比強度高，具有良好的耐腐蝕性、絕緣性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，隨著塑料工業(yè)迅速發(fā)展，塑料制品被廣泛用于農業(yè)、工業(yè)、建筑、包裝、國防尖端工業(yè)以及日常生活等各個領域[1-2]。但塑料制品的生產工藝復雜、技術參數難以準確控制，生產的制品中易存在影響其使用性能的內部缺陷，因此避免帶有潛在危險缺陷的塑料制品的出廠和使用，是決定其能否安全應用的關鍵。與生產工藝控制和破壞性抽樣檢測等常用的產品質量方法相比，無損檢測是最有效、最直接的質量檢測手段[3]。目前，無損檢測在金屬材料上的應用已經比較成熟，而在塑料方面應用較少[4]，因此研究塑料制品內部缺陷的無損檢測方法對其質量控制具有重要意義。

筆者以某玻纖增強尼龍制品為例，詳述了紅外無損檢測和數字射線檢測的原理及操作過程，對比分析了兩種無損檢測方法的檢測結果。

1　塑料制品內部缺陷的類型

1.1塑料制品生產流程

塑料成型加工最主要的方法是擠出成型、注射成型、吹塑成型和壓制成型。其中80%的塑料制品采用注射成型[5]，由于成型材料、成型模具、成型工藝等多種因素的影響，注射制品的內部及表面往往存在一定的缺陷。某玻纖增強尼龍塑料制品采用注射成型工藝，其生產流程如圖1所示。

圖1　某玻纖增強尼龍塑料制品生產流程

1.2塑料制品內部缺陷的類型

塑料在成型過程中由于原料、工藝、模具的不完備性而產生缺陷，塑料制品中常見缺陷類型有氣孔、龜裂、焊接痕等[6]。具體原因如下：(1)氣孔是由于原料含水分、原料溫度太高、注射壓力太小、注射速度太慢、模具溫度太低等因素造成的。(2)龜裂主要是由于應力變形所致，應力變形主要包括因填充過剩、脫模推出等造成的殘余應力；因設計不合理造成外部應力集中；因化學藥品、吸潮造成的水降解。(3)熔接痕由于來自不同方向的熔融樹脂前端部分被冷卻，在結合處未能完全熔合而產生的缺陷。

2　玻纖增強尼龍塑料類制品無損檢測方法研究

無損檢測[7-8]是利用聲、光、電、磁等特性，在不損害或不影響被檢測對象使用性能的前提下，檢測被檢對象是否存在缺陷或不均勻性，并對缺陷的類型、性質、數量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化做出判斷和評價的所有技術手段的總稱。近年來，科學技術的進步使無損檢測技術獲得了快速發(fā)展，不僅射線、超聲等傳統(tǒng)的檢測技術進一步發(fā)展，而且還產生了激光全息干涉、激光超聲、紅外、聲發(fā)射、微波、遠場渦流、電磁超聲、磁記憶、超聲相控陣等眾多的無損檢測新方法、新技術[9]。

2.1紅外無損檢測的研究

(1)紅外無損檢測原理。

紅外輻射是位于可見光中紅光以外的光線，故又稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線，和所有電磁波一樣，紅外輻射是以波的形式在空間直線傳播的。任何物體，只要其溫度高于絕對零度就有紅外線向周圍輻射。紅外無損檢測是依據紅外輻射的基本原理，使用紅外輻射的分析方法對物體內部能量流動情況進行測量，最后使用紅外熱像儀顯示檢測結果，直觀上對缺陷進行判定的一種方法[10]。

當物體溫度與環(huán)境溫度存在差異時，會在物體內部產生熱量的流動。在進行無損檢測時，若向工件注入熱量，其中一部分熱流必然向內部擴散，并引起工件表面的溫度分布的變化。對于無缺陷的物體，當熱流均勻注入時，熱流能夠均勻地向內部擴散或從表面擴散，因而表面的溫度場分布是均勻的；如果物體內部存在隔熱性缺陷時，熱流會在缺陷處受阻，造成熱量堆積，導致表面出現溫度高的局部熱區(qū)；當物體內部含有導熱性缺陷時，試樣表面就會出現溫度較低的局部冷區(qū)。由以上幾種情況分析可看出，當工件內部存在缺陷時，就會在工件有缺陷區(qū)域和無缺陷區(qū)域形成溫差，且該溫差除了取決于工件材料的熱物理性質外，還與缺陷的尺寸、距表面的距離及其熱物理性質有關。由于工件局部溫差的存在必然導致紅外輻射強度的不同，利用紅外熱像儀即可檢測出溫度的變化狀況，進而判斷缺陷的情況。

(2)紅外無損檢測設備及操作。

紅外檢測的主要設備是紅外熱象儀。以某紅外熱成像儀為例，其檢測過程為：首先從儀器箱中取出儀器，打開儀器電源開關；設置目標輻射值和環(huán)境溫度；設置測溫方式(點溫測量/最高溫追蹤顯示)；設置自動調節(jié)或手動調節(jié)；旋轉調整鏡頭；調整圖像亮度、對比度至最佳效果、選擇合適的溫度范圍；將被檢樣品放入烘箱，烘箱溫度設為50℃，加熱1 min；對樣品進行紅外觀察，尋找可疑問題點，凍結并存儲圖像；用USB線連接熱像儀和電腦；進行圖像分析，做出紅外檢測報告。

(3)某玻纖增強尼龍塑料產品的紅外無損檢測及結果分析。

圖2為某玻纖增強尼龍塑料制品的可見光圖。圖3為對應紅外圖，從紅外圖中可看到其表面溫度分布，右側為溫度標示，不同溫度對應不同顏色。

圖2　某玻纖增強尼龍塑料制品的可見光圖

圖3　某玻纖增強尼龍塑料制品的紅外圖

軌距擋板周邊溫度高、內部溫度低、傳熱不均勻是導致其表面溫度不均勻的原因之一，通過紅外熱像儀可確定某一點的溫度，但不能直觀看到何處有缺陷。

利用軟件對某玻纖增強尼龍塑料制品紅外圖像進行分析，得到其最大值、最小值和平均值分布圖(見圖4)，可讀出三個白色方框中溫度的最大值、最小值和平均值，從溫度分布上看出由左到右溫度是升高的，初步推論最左側方框可能存在氣孔疏松等缺陷以致傳熱較慢，整個部分溫度較低，而最右側方框對應的內部結構比較均勻存在較少缺陷，中間方框的內部結構應介于兩者之間。

圖4　某玻纖增強尼龍塑料制品最大值、最小值和平均值分布圖

圖5為某玻纖增強尼龍塑料制品對應折線溫度分布圖。軟件分析不僅可以確定某個區(qū)域的溫度分布，而且能夠確定某條折線上的溫度分布，如圖5所示，對應三個白色方框大致畫出相同位置的一條折線，橫坐標對應150個像素點，縱坐標為溫度，可對應讀出每點的溫度以方便實驗研究的需要。三條溫度曲線的趨勢都是溫度先降低再升高，推斷折線中部對應部分可能存在氣孔或疏松等缺陷，但由于傳熱不均勻導致溫度曲線出現先降低再升的可能性是存在的，因此通過紅外無損檢測不能直觀地確定該塑料制品內部是否存在缺陷，應結合該制品切開的剖面圖來確定紅外無損檢測方法對其內部缺陷檢測的適用性。

圖5　某玻纖增強尼龍塑料制品對應折線溫度分布圖

2.2數字射線檢測的研究

(1)數字射線檢測原理。

射線是指波長較短的電磁波，或運動速度高、能量大的粒子流，射線在穿過物質的過程中將發(fā)生衰減而使其強度降低，衰減的程度取決于被檢材料的種類、射線種類以及所穿透的距離。當把強度均勻的射線照射到物體的一個側面時，由于各部位對入射射線的衰減不同，透射射線的強度分布將不均勻，這樣采用照相、熒光觀察等手段，通過在物體的另一側檢測射線在穿透物體后的強度分布，就可檢測出物體表面或內部的缺陷，包括缺陷的種類、大小和分布情況。

射線檢測(RT)是基于被檢測件對透入射線的不同吸收來檢測零件內部缺陷的檢測方法，其幾乎適用于所有材料，能直觀地顯示缺陷影像，便于對缺陷進行定性、定量分析，對體積型缺陷比較靈敏，但難于發(fā)現垂直射線方向的薄層缺陷，檢測費用較高，同時射線對人體模型有害，需作特殊防護。最近幾年數字化X射線直接成像(DR)技術已經獲得了廣泛的應用[11]，為射線實時成像檢測和實現待測工件的自動化定量檢測與評估提供了有效的手段，DR的基礎是射線成像技術，DR檢測技術不僅僅指單個系統(tǒng)和單項技術，廣義的指整個具有數字圖像處理功能的射線成像系統(tǒng)。

數字射線檢測主要利用X射線能夠透視成像的物理特性，將被檢試樣的內部結構展示出來。其主要的工作過程如下：X射線源發(fā)出X射線并穿透試樣，透過的X射線被線陣掃描系統(tǒng)獲取后，經過信號轉換成可見的圖像信息，并通過圖像處理軟件處理計算后，將測量計算結果通過顯示器顯示出來，系統(tǒng)自動將不合格品分揀出來，合格品進入下道工序。

(2)數字射線檢測系統(tǒng)及流程。

數字X射線成像系統(tǒng)主要由X射線源、數字探測器、數據采集系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)等組成，其設備主要包括X射線探傷機、數字探測器和計算機等。數字射線[12-13]內部檢測示意圖見圖6。其主要工藝流程為：由注射成型機生產出的試樣經傳輸帶傳輸，進入檢測室進行X射線透視檢測，X射線穿透由上道工序傳輸的被檢試樣，透過的X射線被平板探測器獲取后轉換成已處理的電信號，并通過圖像處理軟件處理后，在電腦上顯示出投影圖像，系統(tǒng)自動將不合格品分揀出來，合格品進入下道工序。

圖6　數字射線內部檢測示意圖

(3)某玻纖增強尼龍塑料產品的數字射線檢測及結果分析。

圖7a為某玻纖增強尼龍塑料制品正面實物圖片，圖7b為相對應的X射線檢測圖。圖8a為其反面實物圖，圖8b為相對應的X射線檢測二維圖。

圖7　某玻纖增強尼龍塑料制品正面圖

從圖7b的X射線檢測圖中可以看到，該產品肩部A位置存在大量氣孔、B位置存在密集疏松，觀察圖8b得到同樣的結論：在該塑料制品A位置存在明顯氣孔、B位置也存在缺陷，綜合以上分析初步得出結論：玻纖增強尼龍塑料制品肩部A位置和B位置存在缺陷，缺陷類型為密集疏松。

圖8　某玻纖增強尼龍塑料制品反面圖

通過軟件對玻纖增強尼龍塑料制品X射線圖片進行分析，對其內部氣孔進行量化，確保操作人員可以量化內部氣孔的尺寸信息，直觀評估產品是否達標。下面為其檢測報告結果，從檢測結果報告中得知檢測該產品時的實時電壓70 kV，實時電流2.98 mA，網格圖中每個方格代表5×5 mm2，通過網格能準確定位缺陷的位置和大小，若缺陷尺寸符合檢測要求，則產品合格；若缺陷尺寸超過要求，則判定該檢測樣品不合格。玻纖增強尼龍塑料制品檢測結果報告見圖9。

圖9　玻纖增強尼龍塑料制品檢測結果報告

將試樣切開以驗證數字X射線檢測的準確性。圖10為切開的玻纖增強尼龍塑料制品，圖11為其對應的剖面圖。

圖10　切開的玻纖增強尼龍塑料制品

圖11　玻纖增強尼龍塑料制品剖面圖

從切開的剖面圖中可看到，該產品肩部A位置存在較大的氣孔且分布較廣，B位置有疏松存在且分布密集，游標卡尺對氣孔的測量直觀地顯示出氣孔直徑超標，該產品不符合生產要求。綜上所述，切開的某塑料制品剖面圖上顯示的缺陷與X射線的檢測結果是一致的，因此運用X射線對某塑料制品內部缺陷進行無損檢測的方法是有效的。

3　結論

(1)紅外無損檢測具有檢測結果易于保存、效率高、適用范圍廣等優(yōu)點，適合大尺寸產品內部缺陷的檢測，不適于小型產品的缺陷檢測，且其對內部缺陷不敏感，對低發(fā)射率和導熱快的材料檢測困難，檢測結果不直觀，只能看到表面溫度分布圖，圖片還須經過專門軟件分析，耗時費力，易受外界因素干擾，不適用于大批量產品的檢測[14–15]。從紅外檢測圖上無法觀察到與切開剖面圖上一致的缺陷信息，故紅外無損檢測不適用于對玻纖增強尼龍塑料制品內部缺陷的檢測。

(2)數字射線檢測既有檢測結果直觀、易于分析和保存的優(yōu)勢，又能適用于大批量產品的檢測，其所得圖像質量可以與射線照相底片相媲美，通過X射線檢測圖可以直接觀察到玻纖增強尼龍塑料制品的內部缺陷，運用軟件對產品內部缺陷進行定性定量分析獲得內部缺陷的尺寸信息，直觀評估產品是否達標，從X射線檢測圖上觀察到的缺陷信息和切開的剖面圖上的缺陷信息結果一致，因此數字X射線無損檢測方法對玻纖增強尼龍塑料制品的內部缺陷檢測是有效的。

參 考 文 獻

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Study on Testing Methods of Internal Defects in Plastic Products

Qin Ya1， 2， Wang Jin2
(1. College of chemistry， Xiangtan University， Xiangtan 411100， China；2. Zhuzhou Times New Material Technology Co. Ltd.， Zhuzhou 412007， China)

Abstract：Manufacturing process and possible defects of plastic products were talked about. Meanwhile two nondestructive testing methods applied on glass fiber reinforced nylon product，infrared thermography and digital radiographic testing were discussed，including principles and operation processes of them. The detection results of these two kinds of nondestructive testing methods were compared and analyzed，leading to final conclusion：digital X-ray radiographic testing method is an effective method for detection of internal defects in glass fiber reinforced nylon products.

Keywords：plastic product；nondestructive testing；application

中圖分類號：TQ320.77

文獻標識碼：A

文章編號：1001-3539(2016)04-0094-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.04.022

收稿日期：2016-01-27