劉 瑋

（河鋼股份有限公司承德分公司，河北 承德 067000）

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，制造工業(yè)對于金屬材料的要求越來越嚴(yán)苛。金屬零件質(zhì)量的好壞會對工業(yè)設(shè)備的性能產(chǎn)生重要影響。目前，很多大型設(shè)備故障和安全事故都是由于有缺陷的金屬零件沒有被及時檢測和修復(fù)。在機(jī)械設(shè)備的使用過程中，設(shè)備的金屬表面不可避免會產(chǎn)生孔洞、裂痕和凹陷，這些缺陷會影響整個設(shè)備的正常運(yùn)行，威脅著生產(chǎn)安全。因而，對于機(jī)械設(shè)備金屬表面的缺陷檢測具有重要意義。近年來，隨著渦流、紅外線、超聲波等技術(shù)方法的應(yīng)用為金屬材料的無損檢測提供了技術(shù)支持。但目前常用無損檢測技術(shù)具有一定局限性，大多適用于檢測材料的內(nèi)部缺陷，由于缺乏定量分析，對金屬表面的檢測存在明顯不足。

紅外熱成像檢測技術(shù)在熱傳導(dǎo)理論的基礎(chǔ)上，通過采集金屬材料表面的紅外熱輻射，對采集到圖像和信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)對物體的缺陷位置進(jìn)行定位。紅外線的波長在微波和可見光之間，相比于自然光具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，紅外熱成像檢測技術(shù)一般使用3μm～5μm和8μm～14μm兩個頻段的紅外線，通過相應(yīng)的設(shè)備能夠顯示和分析紅外線的輻射量，檢測熱量在金屬材料中的傳遞情況，從而確定金屬物件的缺陷情況。當(dāng)物體存在表面缺陷時會在物體內(nèi)部形成“熱點”高溫區(qū)或者“冷點”低溫區(qū)。分析不同溫度分布情況就可以確定缺陷位置。

作為新興的無損檢測技術(shù)，紅外熱成像無損檢測技術(shù)具有快速實時、大面積、非接觸、無污染遠(yuǎn)距離檢測等優(yōu)點，為金屬零件表面缺陷檢測提供了行之有效的技術(shù)手段。

1 紅外熱成像金屬缺陷檢測方法

1.1 紅外熱成像檢測方法總體設(shè)計

設(shè)計的金屬表面缺陷檢測方法由圖像獲取模塊、預(yù)處理模塊、缺陷分割模塊以及缺陷分類模塊組成。在熱成像CCD攝像機(jī)上配置濾光片，通過紅外光的照射從而獲取金屬表面的紅外熱成像圖。通過視頻采集卡將CCD攝像機(jī)獲取的圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在中央處理器中進(jìn)行存儲和運(yùn)算處理，并將結(jié)果在顯示終端輸出。紅外光源的參數(shù)會直接影響紅外檢測方法的檢測效果。針對不同金屬對象應(yīng)選擇不同的紅外光源以及不同的照明方式。明域光多用于檢測反射光，暗域光一般檢測散射光[1]。

1.2 紅外熱成像金屬表面缺陷檢測方法

由于金屬材料存在缺陷，溫度分布不均勻從而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)不是穩(wěn)態(tài)過程，方法建模中一般將材料設(shè)為均勻同形體。由于熱輻射的能量損耗約占總能量的4%，熱對流的能量損耗約占總能量的4%，一般在實驗中忽略其對邊界條件的影響。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，建立三維理論模型：

T為三維場的場變量，α=k/λc為導(dǎo)溫系數(shù)，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，C為比熱容，Q為內(nèi)部熱源[2]。該同性導(dǎo)熱微分方程表明導(dǎo)入物體的能量和物體內(nèi)部內(nèi)源的能量之和未物體溫度升高所需要的總能量。在推導(dǎo)大面積平板金屬物體時，可以將上述理論模型表示為：

在三維熱傳導(dǎo)模型的基礎(chǔ)上，理論分析確定了在邊界條件下絕熱處理具有可行性，在模型中某時刻溫度分布情況可以作為紅外熱成像檢測無損檢測方法的近似解法。

1.3 ANSYS有限元仿真熱分析

ANSYS有限元仿真熱分析有穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種模式，一般分建模、加載、處理三個步驟。在預(yù)處理過程中需要確定模塊類型并設(shè)置實常數(shù)，劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建金屬材料的幾何模型。在加載過程中需要定義熱分析類型，確定對應(yīng)選項，從而確定模型的初始化條件。處理主要指熱分析后對結(jié)果的確定和輸出處理[3]。

本設(shè)計的ANSYS有限元仿真熱分析以鋁板作為檢測對象，設(shè)定初始溫度為21℃，定義鋁板表面為對流換熱條件，系數(shù)為12。在ANSYS中建立實體模型，模擬實際中金屬零件表面的空洞、凹陷，預(yù)設(shè)不同大小和深度的缺陷。施加21℃溫度載荷，模擬鋁板升溫、降溫過程。第一步加載在鋁板缺陷表面施加熱流強(qiáng)度500w，紅外輻射燈功率240W，持續(xù)加熱25min。第二部加載在鋁板正反兩面以及缺陷處施加空氣對流，施加時間10min，熱系數(shù)設(shè)為10。

2 實驗結(jié)果與仿真分析

設(shè)置兩組變量對照實驗，實驗1設(shè)置缺陷尺寸分別為孔深9mm和3mm，孔徑分別為7mm、5mm、4.5mm、2.4mm，孔洞中心保持間距32mm。實驗2設(shè)置缺陷孔徑為8mm和2.8mm，孔深分別為8mm、6mm、4mm和3mm，孔洞中心間距保持30mm。

在保持施加外界條件相同的情況下，采用Hotelling T2統(tǒng)計法對鋁板溫度云圖樣本集進(jìn)行結(jié)果分析。設(shè)缺陷云圖的總體均值矩陣和T2統(tǒng)計量為特征向量，采用一對一分類法和BRF函數(shù)運(yùn)算公式，得出判別率C的參數(shù)和。在實驗中設(shè)置變化參數(shù)r=[2-5,2-4,2…212]，C=[2-12,2-11,2-10…23]，（C，r）值設(shè)為運(yùn)算精度。Hotelling T2統(tǒng)計法識別率高達(dá)94.11%。溫度云圖樣本集正確識別率見表1所示[4]。

表1 溫度云圖樣本集正確識別率

對模擬結(jié)果進(jìn)行分析可得：在實驗鋁板的降溫過程中，有缺陷的部位顯著高于無缺陷的部位的表面溫度。這一結(jié)果主要因為金屬材料缺陷處阻礙了熱傳導(dǎo)過程，導(dǎo)致缺陷區(qū)的溫度高于正常熱傳導(dǎo)區(qū)域的溫度。在孔深一定的情況下，溫度與缺失面積成反比，即孔徑越大，熱量的擴(kuò)散越快，溫度越低，使得缺陷越容易檢測出。在孔徑一定的情況下，溫度與缺陷孔深成正比?？咨钤酱螅饘俦砻鏌崃繑U(kuò)散的速度越慢[5]。

3 結(jié)語

利用紅外成像技術(shù)，設(shè)計了一種對金屬材料表面缺陷檢測和評估的方法，通過運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元傳熱分析，以鋁板為研究對象，探究了不同孔徑和孔深的缺陷熱傳導(dǎo)和溫度變化情況，總結(jié)了紅外成像技術(shù)在檢測金屬表面缺陷的有效性。設(shè)計尚處在試驗階段，在確定缺陷具體空間位置上有一定的局限性。隨著未來技術(shù)的發(fā)展，紅外成像技術(shù)在金屬表面缺陷檢測領(lǐng)域的應(yīng)用會日趨成熟。