胡海林，任煜文，郭 迪，歷 陽，張恒升，劉曉云，姜月秋

(沈陽理工大學(xué) 1.理學(xué)院；2.發(fā)展規(guī)劃處，沈陽 110159)

在各類設(shè)備或裝備的承重部件設(shè)計和制造中，無損檢測對設(shè)備或者裝置的安全使用都起著至關(guān)重要的作用。因此，在檢測過程中能否準(zhǔn)確的確定其缺陷位置以及能否進(jìn)行實時無損檢測是最重要的內(nèi)容。

傳統(tǒng)檢測技術(shù)不能很好地做到兼顧實時檢測和無損檢測兩點(diǎn)檢測要求，但是紅外熱成像無損檢測的檢測方式和特點(diǎn)非常符合這兩個要求。自從20世紀(jì)50年代初，世界上首臺紅外熱成像設(shè)備(紅外前視系統(tǒng)(FLIR))由美國德州儀器公司(TI)研制成功以來[1]，紅外熱成像技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為一種十分成熟的技術(shù)。紅外熱成像無損檢測技術(shù)具有：適用于金屬和非金屬以及復(fù)合材料的廣泛的檢測范圍、非接觸式的安全的檢測方式、不受被測物體幾何形狀限制的檢測能力、準(zhǔn)確直觀的檢測結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，讓這種檢測技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車制造、化工行業(yè)、建筑建設(shè)以及醫(yī)療器械等領(lǐng)域[2-3]。本文利用紅外測溫儀和有限元分析方法驗證紅外熱成像無損檢測技術(shù)可以檢測金屬樣品內(nèi)部缺陷。

1 實驗原理

1.1 紅外熱測溫原理

在自然界中，對于任何溫度高于絕對零度的物體，都會自發(fā)的向外以電磁波的形式輻射能量。在這些向外輻射的能量中就有紅外輻射能量，紅外測溫儀就是通過探測這些物體發(fā)出的紅外輻射能量并得到物體自身溫度場的情況。

1.2 物體應(yīng)力-應(yīng)變-溫度之間的關(guān)系

1853年，L.Kelvin發(fā)表了各向同性均勻體內(nèi)熱彈性效應(yīng)的理論[4]。由于該理論中涉及的溫度變化極小，在當(dāng)時的科技水平不足以證實理論。隨著紅外探測系統(tǒng)的發(fā)展，到現(xiàn)在有了高精度的探測裝置，此理論才得以證實[5]。假定在絕熱的條件下，在應(yīng)力變化過程中引起的熱損失很小，則由熱力學(xué)的基本定律和應(yīng)力-應(yīng)變-溫度關(guān)系[6]可以證明，對于經(jīng)受應(yīng)力變化的各向同性彈性體，其相對的溫度變化可表示為

(1)

式中：α是線性熱膨脹系數(shù)；ρ是密度；Cp是恒壓下的熱比；ΔT是溫度的變化量；T是絕對溫度；σ1、σ2和σ3分別是作用在部件上的主應(yīng)力分量。

K=α/ρCp為熱彈性常數(shù)。對于典型的工程材料，其熱彈性常數(shù)的數(shù)量級為10-11～10-12(N/mm2)-1。就鋼材而言，這個值是3.7×10-12(N/mm2)-1。很明顯，即使給與鋼材很大的應(yīng)力變化，其引起的鋼材自身的溫度變化也是很小的。由斯蒂芬·玻爾茲曼定律可知[7]，在經(jīng)歷溫度變化ΔT的物體的表面所產(chǎn)生的輻射通量變化是

Δφ=4ε·B·T3·ΔT

(2)

式中：ε是表面比發(fā)射率；B是斯蒂芬·玻爾茲曼常數(shù)，B=5.67×10-8W/(m2·K4)。

1.3 紅外熱成像系統(tǒng)

現(xiàn)在大多數(shù)的紅外熱像儀的主要組成部分有：紅外光學(xué)系統(tǒng)、光機(jī)掃描器、紅外探測器、信號處理模塊、顯示記錄系統(tǒng)及其它輔助裝置，如圖1所示。

圖1 紅外熱成像系統(tǒng)組成

本次實驗中使用的紅外熱像儀型號是FLIR T640。相機(jī)的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 紅外相機(jī)參數(shù)

2 紅外熱成像無損檢測實驗

2.1 實驗內(nèi)容

實驗過程，利用如圖2所示的抗彎設(shè)備對樣品進(jìn)行施加壓力，利用紅外熱像儀采集樣品在整個受力過程中表面溫度場的變化。

圖2 實驗設(shè)備

實驗樣品由兩部分構(gòu)成，這兩個部分都是同一種鋼材。將兩個部分分別利用攪拌磨砂焊和激光焊接兩種方式進(jìn)行焊接，實驗中將兩種焊接方式定義為部件內(nèi)部存在的缺陷。

2.2 實驗結(jié)果

由于金屬樣品受力形變的過程十分漫長，所以，圖像只選取了溫度變化和形變最為明顯的時間段上的6個時間點(diǎn)并得到圖3，圖3為不同時間樣品紅外熱像圖，6個時間點(diǎn)分別是，第一個時間點(diǎn)00:23.983;第二個時間點(diǎn)00:46.966；第三個時間點(diǎn)01:11.949:第四個時間點(diǎn)01:35.932；第五個時間點(diǎn)01:59.915；第六個時間點(diǎn)02:23.900。

圖3 紅外熱像圖

圖3中的sp1和sp2是定義的兩個缺陷點(diǎn)，可直觀地看到金屬樣品在受力過程中表面溫度場的明顯變化。從第一張圖像開始金屬樣品整體的溫度場已經(jīng)明顯的高于環(huán)境溫度，sp1和sp2附近的溫度與整體的溫度場還沒有相差太多，但是sp1處的樣品已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂的情況。隨著實驗的進(jìn)行，金屬樣品整體的溫度并沒明顯上升，而sp1和sp2附近的溫度變化逐漸的有所不同，同時sp1處金屬樣品的斷裂程度也越來越大。第4張圖可以明顯的看到在sp1處有一塊溫度異常區(qū)域，這個區(qū)域的溫度比周圍的溫度要高出3℃左右，在sp2附近也有溫度異常區(qū)域，但是溫度只比周圍溫度高出了不到2℃。第5張圖，由于金屬樣品的形變導(dǎo)致sp1不能測量到樣品缺陷區(qū)域的溫度，但從熱圖中觀察到sp1和sp2缺陷處的溫度場依然高于周圍的溫度。

利用紅外熱像儀自帶的分析軟件FLIR R&D software可以得到兩個測量點(diǎn)的溫度變化曲線如圖4所示。并且通過分析溫度曲線可以得到兩個測量的最大溫度分變?yōu)椋簊p1處是41.3061℃、sp2處是42.7633℃。

圖4 測溫點(diǎn)的溫度曲線

從圖4中可知，在測量區(qū)域處的溫度還未達(dá)到最大值之前，溫度的變化過程并不規(guī)則。sp1處的溫度變化整體在增加，而sp2處的溫度卻在最大溫度之前逐漸下降，造成這個結(jié)果的主要原因是在測量過程中周圍環(huán)境和檢測設(shè)備發(fā)熱，但是，按照實驗原理兩個區(qū)域的最大溫度不同。所以只分析兩個區(qū)域最大溫度與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系的方案是可行的。

根據(jù)各向同性均勻體內(nèi)熱彈性效應(yīng)的理論所得，樣品存在的不同缺陷使得樣品的材料屬性不同。當(dāng)樣品受力后產(chǎn)生形變，由于材料不同導(dǎo)致形變不同，進(jìn)而導(dǎo)致材料的溫度場變化不同。利用這個結(jié)論，可以實現(xiàn)利用紅外熱像儀檢測工作中的物體表面溫度場，發(fā)現(xiàn)溫度異常區(qū)域并確定缺陷位置。

實驗中使用的紅外熱像儀熱靈敏度較高，從視頻截圖中可明顯觀察到整個環(huán)境溫度在實驗過程中并無明顯變化，只有檢測點(diǎn)處有明顯的溫度變化。因此，環(huán)境溫度對于實驗結(jié)果的影響可以忽略不計。為使實驗結(jié)論更有可靠性和說服力，利用有限元分析的方法來建立模型，對實驗進(jìn)行模擬，并利用理論模擬結(jié)果驗證實驗結(jié)論。

3 有限元分析

3.1 模擬方案

基于紅外熱成像無損檢測試驗及各向同性均勻體內(nèi)熱彈性效應(yīng)的理論所知，根據(jù)物體所受的應(yīng)力變化可得到其溫度變化，物體所受應(yīng)力直接表現(xiàn)為物體產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變的大小即可反應(yīng)應(yīng)力的大小，進(jìn)而反應(yīng)物體表面溫度場的變化。因此，提取出鋼材樣品的缺陷部分，根據(jù)材料性質(zhì)的變化設(shè)置不同的兩個缺陷參數(shù)。對兩個缺陷模型分別受到相同應(yīng)力研究應(yīng)變和造成相同應(yīng)變研究受到的應(yīng)力進(jìn)行模擬，通過得到的結(jié)果對實際實驗進(jìn)行驗證。

3.2 模擬過程

分析實驗中金屬樣品的受力情況，可以得到如圖5的結(jié)果。

圖5 金屬樣品受力圖

在實驗過程中，金屬部件整體只有中間的部分受到壓力。從樣品的結(jié)構(gòu)上可以看出，兩個缺陷并不是直接受力，而是主力的分量。為了減少模擬中不必要的誤差，假定兩個缺陷處受到的分力是相同的。通過以上的分析，可以將金屬部件中的缺陷單獨(dú)取出并放大兩個區(qū)域的體積進(jìn)行獨(dú)立的分析。

為了得到清晰的云紋圖并觀察到模型明顯的形變，將金屬模型設(shè)置大小為100mm×100mm×10mm，如圖6所示。

圖6 金屬模型示意圖

模擬中需要定義實驗中金屬樣品的材料屬性，包含材料的楊氏模量、泊松比和屈服應(yīng)力。由于實驗中使用的是普通的鋼材，所以選用鋼材的彈性常數(shù)。兩種缺陷的存在使得材料的楊氏模量會發(fā)生改變，具體參數(shù)如表2所示。

表2 模型參數(shù)

模擬中需要確定邊界條件，根據(jù)金屬部件受力后實際情況只產(chǎn)生了在垂直方向上的形變，因此邊界條件只需要固定模型的4周即可。為了得到直觀的形變和應(yīng)力云紋圖，載荷設(shè)置為10kN。以上設(shè)置全部完成后，最終制作好的模型如圖7所示。

圖7 施加載荷模型

3.3 模擬結(jié)果

利用ABAQUS軟件得到最終的Mises應(yīng)力云紋圖和應(yīng)力、應(yīng)變曲線圖。圖8 為應(yīng)力不同的應(yīng)變模擬Mises應(yīng)力云紋圖，圖8a是楊氏模量210000的模型1的應(yīng)力云紋圖，圖8b是楊氏模量為240000的模型2的應(yīng)力云紋圖。

從圖8整體的應(yīng)力云紋圖看，不能看出任何區(qū)別，還需要應(yīng)力和應(yīng)變的具體變化數(shù)值。圖9是模型1的應(yīng)力和應(yīng)變隨時間的變化曲線，圖10是模型2的應(yīng)力和應(yīng)變隨時間的變化曲線。

圖8 Mises應(yīng)力云紋圖

圖9 模型1的應(yīng)力應(yīng)變隨時間變化曲線

圖10 模型2的應(yīng)力應(yīng)變隨時間變化曲線

通過圖9和圖10的變化曲線看出，在載荷相同的應(yīng)力的情況下，由于楊氏模量的不同會導(dǎo)致模型的應(yīng)變量有所不同。根據(jù)物體楊氏模量的特性，楊氏模量的大小決定了材料發(fā)生形變的難易程度，對于楊氏模量越大的材料越不容易發(fā)生形變，因此模型2的應(yīng)變會小于模型1的應(yīng)變。通過以上的模擬方案可以確定，分析方向沒有問題，符合基礎(chǔ)原理。但是，以上的模擬結(jié)果表示，相同受力導(dǎo)致的不同的形變，根據(jù)式(1)可以得到樣品的溫度變化是相同，并不符合之前實驗得到的結(jié)果。因此，還需要改變變量使得模型最終的應(yīng)變量相同，研究應(yīng)力的區(qū)別，進(jìn)而對紅外熱成像無損檢測實驗進(jìn)行驗證。

將樣品最終的缺陷視為樣品受到應(yīng)力后產(chǎn)生應(yīng)變的一種特殊情況。因此，通過確定一個準(zhǔn)確的應(yīng)變量并定義這個應(yīng)變量為樣品的缺陷狀態(tài)，研究造成這個應(yīng)變量所需要施加的應(yīng)力值，結(jié)合各向同性均勻體內(nèi)熱彈性效應(yīng)理論，既可驗證紅外熱成像無損檢測實驗。

在這組模擬中，將模型1視為不存在缺陷的標(biāo)準(zhǔn)金屬構(gòu)件，模型2作為金屬構(gòu)件中存在的缺陷，并且定義這個缺陷在斷裂時的應(yīng)變量值為0.000264，即模型1受到100MPa的載荷時的應(yīng)變量。模擬確定模型2在達(dá)到制定應(yīng)變量時所承受到載荷。模型中的幾何屬性不做任何修改，模型1的所有參數(shù)不修改，依舊使用第一種模擬方案的載荷，所得到相同的Mises應(yīng)力云紋圖、應(yīng)力和應(yīng)變隨時間的變化曲線，分別如圖8a和圖9所示。

對于模型2，在材料屬性方面依舊是楊氏模量240000的鋼材。對模型所施加的載荷進(jìn)行修改已達(dá)到與模型1楊氏模量210000的模型有近似的應(yīng)變量0.000264。將新的模型定義為模型3。經(jīng)過多次模擬后得到合適的結(jié)果，結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 模型3的Mises應(yīng)力云紋圖

圖12 模型3應(yīng)力和應(yīng)變隨時間變化曲線

從模型3仿真得到的結(jié)果看出，為了達(dá)到和模型1相同的0.000264的應(yīng)變量，施加在模型3上的應(yīng)力需要增加到113.086MPa。

3.4 結(jié)果分析

在第一組模擬中，楊氏模量210000的模型1作為金屬樣品本身且為一種缺陷。楊氏模量240000的模型2作為存在于金屬樣品內(nèi)部的另一種缺陷。給模型1和模型2施加100MPa的應(yīng)力，模型1產(chǎn)生應(yīng)變量為0.000264的形變量，模型2產(chǎn)生應(yīng)變量為0.000231的形變量。將模型1視為金屬樣品本身，模型2作為內(nèi)部缺陷，可以通過應(yīng)力應(yīng)變變化曲線得到，金屬樣品和內(nèi)部存在的缺陷在受到相同的載荷作用時，由于其楊氏模量的不同導(dǎo)致缺陷的形變會與金屬樣品發(fā)生的形變有差異。把模型1和模型2視為存在于金屬樣品中兩種不同的缺陷，可以通過應(yīng)力應(yīng)變變化曲線得到，不同的缺陷在受到相同的載荷作用后，由于缺陷的楊氏模量的不同導(dǎo)致兩種缺陷發(fā)生的形變不同。

在第二組模擬中，模型1被定義為鋼材本身，不再作為金屬樣品中存在的缺陷。模型2作為存在與金屬樣品內(nèi)的一個缺陷。在這組模擬中把模型1受到100MPa應(yīng)力作用后產(chǎn)生的大小為0.000264的應(yīng)變量定義為缺陷模型2在斷裂時的應(yīng)變量。通過調(diào)節(jié)施加在模型2上的載荷大小，當(dāng)載荷大小為113.086MPa時，模型2的應(yīng)變量為0.000264。通過以上的模擬結(jié)果可以得出，金屬樣品在受力過程中，樣品本身的形變與其內(nèi)部缺陷處的形變由于兩者楊氏模量的不同，使得兩者的形變不同，當(dāng)樣品缺陷發(fā)生斷裂等缺陷狀態(tài)發(fā)生時，缺陷處累加的力與金屬樣品本身累加的力不同。

根據(jù)各向同性均勻體內(nèi)熱彈性效應(yīng)的理論，由于模擬中設(shè)置的載荷是對金屬樣品在一個受力面施加一個應(yīng)力變量，所以在利用式(1)進(jìn)行計算時需要對公式本身進(jìn)行變形，并得到如下公式

(3)

模擬中金屬樣品定義的是普通鋼材，所以K=α/ρCp=3.7×10-12(N/mm2)-1是一個確定不變的常數(shù)。T作為絕對溫度不會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響，因此造成ΔT改變的量只有應(yīng)力σ1。通過兩組模擬得到的結(jié)論，結(jié)合模擬得到的數(shù)據(jù)利用式(4)進(jìn)行計算可以得到

ΔT1=3.7×10-4T

=3.7×10-4(273.15+t)=0.11℃

(4)

=4.181×10-4

ΔT2=4.181×10-4T

=4.181×10-4(273.15+t)=0.125℃

(5)

ΔT=ΔT2-ΔT1=0.125-0.11=0.015℃

(6)

式中t為室溫。由于在模擬過程中并沒有設(shè)置環(huán)境溫度，所以在上式中作為一個常數(shù)處理。式(4)中ΔT1是金屬樣品本身的溫度變化情況，式(5)中ΔT2是金屬樣品中缺陷的溫度變化情況。

計算結(jié)果可知，兩種情況的溫度變化存在區(qū)別，由于只是給模型2定義了一個普遍的缺陷狀態(tài)，并不是模型2真正斷裂時的應(yīng)變量，所以二者的溫度差與實際實驗的溫度差并不完全相符。但是根據(jù)實驗原理，以上得到的模擬結(jié)果是符合理論研究的。綜合以上理論和數(shù)據(jù)分析可以得到，金屬樣品在受力過程中，樣品本身和樣品內(nèi)部存在的缺陷由于二者材料屬性的不同導(dǎo)致其楊氏模量的不同，使得受力后二者發(fā)生的應(yīng)變不同，隨著形變逐漸增大作用力累加在樣品和缺陷上效果，即做功也逐漸有所不同，最終導(dǎo)致金屬樣品和內(nèi)部缺陷的溫度場有所不同。因此，驗證了利用紅外熱成像無損檢測技術(shù)確定金屬樣品內(nèi)部缺陷的方法的可行性。

4 結(jié)束語

利用紅外熱成像無損檢測技術(shù)確定金屬樣品內(nèi)部缺陷的方法的可行性成功的得到了驗證。這種高效、直觀、精準(zhǔn)、非接觸式的、無損檢測方法，可以快速安全并且精準(zhǔn)的記錄工作過程中金屬部件溫度場的變化。

利用有限元分析方法定量地分析金屬受力情況下內(nèi)部缺陷的溫度場變化，金屬內(nèi)部的缺陷處的溫度場不同于正常的金屬部件。即在熱彈性常數(shù)相同的條件下，對于不同楊氏模量的材料施加相同的應(yīng)力后造成不同的應(yīng)變量，越大的應(yīng)變量的導(dǎo)致材料的溫度變化越大，越小的應(yīng)變量的導(dǎo)致材料的溫度變化越小?？梢岳眉t外熱成像技術(shù)對受力金屬部件進(jìn)行實時無損的檢測。