賈 宇,王承強,梁嘉輝,湯 雷,張盛行

(1.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029；2.水文水資源和水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

1 引 言

服役期間的工業(yè)、工程材料會產生缺陷,例如裂縫、脫空、破損、腐蝕以及離層等；這些缺陷或已經對材料造成了損傷,或因后續(xù)發(fā)育逐漸引發(fā)危害[1]。微缺陷是大尺寸缺陷的早期形態(tài),隱蔽性較強；若能有效發(fā)現,可在破壞萌芽階段展開診斷,并追蹤破壞的發(fā)展,預防事故發(fā)生。

自從1955年Blaha等人[2]發(fā)現了疊加超聲振動對拉伸形變下的鋅單晶具有軟化作用,基于超聲振動調節(jié)材料性態(tài)逐漸得到關注[3-4],相應的工業(yè)工藝得以促進。在其后20余年的發(fā)展中,超聲振動開始與紅外熱成像結合,嘗試發(fā)現材料微缺陷。振動著的固體因為內耗規(guī)律的存在,振動能量將不可逆地耗散為熱,這種損耗包括超聲能量衰減；內耗敏感于結構形式,可靈敏地反應固體中的缺陷結構[5]。超聲選擇性激勵紅外熱成像技術(簡稱超聲熱像技術),基于固體內耗原理,利用超聲波激勵在待測構件缺陷處與完整部分之間產生溫度梯度[6]。該技術的探測系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器以及紅外熱像儀組成,系統(tǒng)示意圖[7]如圖1所示。

圖1 超聲選擇性激勵紅外熱成像探測系統(tǒng)示意圖[7]

超聲波發(fā)生器將市電(220 V、50 Hz交流電)轉化成高頻交流電信號并輸入超聲波換能器[8],換能器在高頻交流電信號驅動下振蕩出超聲頻的機械波；超聲波經換能器輸入待測構件中,當傳播至缺陷處時,超聲能量出現較大程度衰減并轉化成熱積聚在缺陷周圍,以此在缺陷處實現異于完整部分溫升的選擇性激勵；紅外熱像儀用于監(jiān)視待測構件表面溫度場,缺陷處積聚的熱量在熱像圖中表現為顯著溫升段,利用熱像圖數據采集軟件分析并解譯缺陷。

超聲熱像技術利用固體介質的熱彈效應、滯后效應等,在微缺陷處激發(fā)出大量的熱,這種熱激勵方式具有先進性:超聲波在固體介質中傳播較快,單一激勵源即可快速檢查一定范圍區(qū)域,非均勻加熱程度小,缺陷形態(tài)可直觀地在熱像圖中呈現[9]。因此,圍繞不同材料中微缺陷的探測能力,超聲熱像技術得到了較廣泛地研究。本文從應用領域及材料、缺陷分辨尺度、微缺陷聲振致熱機理及超聲熱像探測效率4個方面,綜述了超聲熱像技術的研究進展。

2 應用領域及材料

超聲熱像技術最初在航空、航天工業(yè)中得到了關注,在復合材料及金屬的缺陷探測中被大量研究。

Pye等人(1981)[10]以玻璃纖維增強塑料為研究對象,系統(tǒng)探究了探測該材料中疲勞裂紋的方法。Dillenz等人(1999)[11]提出將低頻調幅超聲波輸入被測物,對復合材料中縱向裂紋實現選擇性加熱。Piau等人(2008)[12]辨識了等離子涂層中通過壓彎破壞產生的張口隱裂紋。許章菁等(2021)[13]基于惠更斯原理、雙源干涉增強效應以及面接觸激勵方法,研究了具有超聲能量集中導向作用的弱沖擊雙源激勵裝置,并對復雜結構的碳纖維復合材料缺陷進行了檢測。

Guo等人(2013)[14]檢查了重型鋁制飛機結構中的裂縫,發(fā)現該技術對閉合裂紋的探測效果良好。Plum等人(2011)[15]探測了大型鋼構件中的萌芽態(tài)裂紋；敬甫盛等(2020)[16]采用超聲熱波成像技術對機車鉤舌部件進行裂紋檢測,該技術對鉤舌表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感,在裂紋等缺陷檢測中有特殊的應用優(yōu)勢。

湯雷等(2012)[17-18]使用超聲熱像技術在混凝土試件中閉合裂紋處激勵出了似連續(xù)的亮點和亮斑,如圖2所示；并發(fā)現:對于鋼筋混凝土試件,鋼筋與混凝土的粘接面在激勵中不會出現與裂紋處亮斑相混淆的顯著溫增。賈宇等(2019)[6]從激勵頻率、激勵耦合壓力和激勵功率3個方面對超聲熱像技術探測混凝土裂紋進行了試驗研究,獲得了可有效發(fā)現混凝土裂紋的激勵參數。

圖2 中部折斷未貫穿的混凝土試件超聲激勵熱像圖[18]

超聲熱像技術的研究已從均質材料(復合材料、金屬)拓展至多組分材料—混凝土,發(fā)現了疲勞裂紋、脫膠以及分層等；確定了鋼筋與混凝土的粘接面在激勵中不存在影響裂紋尖端辨識的熱信號,并且超聲熱激勵對構件表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等均不敏感。然而,混凝土與金屬等的材料特性差異顯著,有一定的脆性；當前的超聲熱像技術不能較好地匹配混凝土材料的特性聲阻抗,以及構件的結構特點,未形成成套、穩(wěn)定的用于混凝土微缺陷探測的設備及方法。

3 缺陷分辨尺度

Piau等人(2008)[12]在碳化鎢涂層中制作了隱裂紋,在對該涂層進行超聲激勵時發(fā)現了隱裂紋,通過電子顯微鏡觀察到顯著溫升裂紋的寬度約為1μm。Morbidini等人(2006)[19]在鋼梁跨中預先開口,然后對該梁跨中進行循環(huán)荷載作用下的三點彎破壞,制作了張口寬度1～20 μm的真實裂紋,如圖3,并使用超聲熱像技術在該寬度段的裂紋處激勵出了顯著溫升。

圖3 裂縫觀測儀視野下真實裂紋[19]

湯雷等(2012)[17-18]對中部折斷未貫穿橫截面的混凝土梁展開激勵,折斷裂紋尖端出現了似連續(xù)亮斑。賈宇等(2019)[7]在混凝土試樣中預制了張口寬度包括0.01～0.09 mm的標準微裂紋,在分別使用20 kHz和40 kHz超聲波激勵試樣時,預制裂紋處均出現了顯著溫升。

試驗證明,超聲熱像技術在金屬材料中可識別0.5 μm寬度的裂紋,在復合材料中可識別1 μm的裂紋,在混凝土材料中可識別0.01 mm級的裂紋。然而,受限于微缺陷制作水平,超聲熱像技術對缺陷的分辨尺度是否可達到更細微觀的量級,有待進一步試驗論證。

3 微缺陷聲振致熱機理

利用超聲熱像技術辨識缺陷,關鍵是對缺陷實現選擇性熱激勵。選擇性熱激勵的存在是由于微缺陷具有聲振致熱行為,故闡明支撐該行為的機理,是決定超聲熱像技術發(fā)展成熟的關鍵。當前,機械波激勵下缺陷生熱機理的研究,可按缺陷內部是否存在接觸面劃分為兩類。

3.1 缺陷內部接觸

對于內部存在接觸面的缺陷,接觸面的摩擦是生熱主要原因[20]。米小兵等(2004、2005)[21]圍繞超聲激勵下裂紋接觸界面生熱的理論計算問題,基于彈性動力學理論,以罰函數法為界面約束方法,以節(jié)點-單元法開展接觸搜索,模擬分析了隱裂紋在超聲激勵中接觸、滑移及脫離的過程,又結合熱力學第一定律計算了該過程中的生熱量。Renshaw等人(2011)[20]觀察到了超聲激勵中生熱裂紋內表面上的摩擦痕跡,如圖4,證實了摩擦生熱的存在。Holland等人(2011)[22]量化研究了Ti 6-4鈦金屬摩擦生熱時生熱量與裂紋長度、振動應力之間的關系。Plum等人(2011)[15]對裂縫表面摩擦生熱過程進行了數值仿真,計算結果與試驗結果吻合。湯雷等(2013)[23]針對混凝土試件特點,基于摩擦生熱機理建立了有限元數學模型,模擬了內部缺陷發(fā)熱過程。

圖4 鈦金屬裂紋摩擦生熱熱像圖及

3.2 缺陷內部非接觸

對于內部不含接觸面的缺陷,塑性形變、粘彈性形變、振動阻尼是其生熱的可能原因。Homma等人(2006)[24]認為塑性形變生熱易發(fā)生于裂紋尖端,粘彈性生熱則易發(fā)生于吸聲材料中。Montanini等人(2012)[25]通過在鋼梁中開設一列列的平底孔洞并向洞中填滿蜂蜜來模擬孔隙缺陷,然后開展超聲激勵試驗,試驗中同時測量了生熱和振動模態(tài),經過分析認為洞中較顯著的差異溫增是由與粘彈性效應相關的振動阻尼引起。王國梅等(2015)[26]研究了振動阻尼生熱的原因,發(fā)現阻尼越大,振動波衰減越多,衰減的振動波以熱能的形式釋放出來；黏滯效應在復合材料中最為明顯,在受到超聲振動的交變應力作用時,由于遲滯現象的存在,使得每次應力循環(huán)中產生消耗功。

此外,機械波激勵下缺陷的生熱問題還可以更為細致地理解為基質加塞物(散射體)聲散射問題:受激缺陷發(fā)生振動并向外輻射聲波,摩擦、塑性形變或振動阻尼等在此過程中消耗缺陷的振動能量,并轉化為熱；缺陷向外輻射的聲波越強烈,生成的熱量越顯著。基質加塞物的聲散射問題也得到了大量研究,Flax等人(1978)[27]提出了聲學共振散射理論,從散射譜的角度對基質加塞物的聲散射規(guī)律進行了物理闡述。Sessarego等人(1998)[28]試驗了樹脂中鋁球的聲散射規(guī)律,通過分析接收的散射波觀察到了鋁球的共振散射；然后數值計算散射聲場,結果與試驗相符合。賈宇等(2017)[29]以含微缺陷的混凝土簡支試件作為激勵對象,分別以試件的自振頻率和40 kHz的超聲頻率為激振頻率展開熱激勵,綜合試驗結果及理論分析得出,超聲頻是引起微缺陷較大程度振動的敏感頻率,可以實現缺陷處的顯著溫升。

超聲激勵下金屬、復合材料缺陷的生熱機理雖已獲得了較豐富的認識,但激勵過程中各生熱因素的發(fā)生條件未完全掌握,它們對微缺陷生熱效果的貢獻大小以及何時何者起主導作用,并不明確。此外,混凝土微缺陷聲振致熱機理的研究在參考金屬、復合材料中的探究結果后,根據常規(guī)認識結合數值仿真、試驗研究進行了定性討論；尚未在準確控制激勵條件、邊界條件的前提下,開展生熱物理過程明確的針對性研究。

4 超聲熱像探測效率

Pye等人(1981)[10]在430 mm×740 mm×6 mm玻璃纖維增強塑料板中疲勞裂紋處激勵出了高于周圍0.3～1.0 ℃的差異溫增,典型溫升熱像圖如圖5。Guo等人(2013)[14]以V型490 mm×66 mm×10 mm鋁合金梁為激勵對象,其中裂紋沿梁厚度貫穿,長度為52 mm；使用功率2000 W的20 kHz超聲波激勵該梁,經過0.25 s的激勵,裂縫尖端出現1.3 ℃溫升。

圖5 疲勞裂紋處被激勵出顯著溫增(熱像圖)[10]

4.1 超聲熱激勵能力

在超聲熱激勵能力優(yōu)化方面,聲混沌現象[30]被認為可以增強超聲激勵效果:Han et al.(2002、2004)[31-32]在進行航天材料的微裂紋探測研究中探究了激勵頻率與熱激勵效率之間的關系,得出超聲換能器的輸出頻率、布設位置以及與試件表面的接觸狀態(tài)易影響聲混沌的產生,聲混沌可使低能量超聲波較顯著地識別裂紋?？芄饨艿?2019)[33]以含20 mm裂紋缺陷的合金鋼材料汽輪機葉片為實驗對象,將超聲激勵頻率設置為20 kHz,輸出時間設置為20 ms,幅值設置為100 %,分別選取預緊力為50 N、100 N、150 N、200 N、250 N以及300 N。得出結論:當預緊力為100～150 N時,裂紋區(qū)域生熱最明顯,裂紋的檢測效果最好。賈宇等(2019)[6]使用50 W的40 kHz超聲波激振器在1000 N耦合壓力下發(fā)現了0.06～0.23 mm寬的混凝土裂紋,該裂紋距離激勵源約200 mm。

4.2 熱像圖圖像處理

在熱像圖的圖像處理方面,唐長明等(2020)[34]利用圖像差分運算和形態(tài)學開運算相結合的預處理對超聲紅外熱波序列圖較好地去噪,結合改進的自適應遺傳算法和二維最大熵的圖像分割方法對圖像實現了較快速地分割。姬龍鑫等(2020)[35]提出了基于小波變換的紅外熱圖像處理方法,探索了該算法對紅外熱圖像缺陷對比度和信噪比的增強效果,使得紅外圖像對比度在視覺效果和定量指標方面都有明顯提高,裂紋形態(tài)在熱像圖中的呈現更加清晰。

在超聲熱像探測效率的研究中,開展了聲混沌現象激發(fā)、激勵預緊力施加、熱成像信噪比人工增強以及激勵強度控制等超聲熱激勵能力優(yōu)化方面的工作；此外,基于算法二次開發(fā),還進行了熱像圖圖像處理方面的研究。研究取得的結果,為利用超聲熱像技術高效探測較大尺度構件中的缺陷奠定基礎。然而,當前超聲熱像技術有效激勵的范圍依然較小,主導超聲波發(fā)生系統(tǒng)熱激勵裂紋效率的參數及其影響因素未被明晰,激勵效能提升的研究未將超聲波發(fā)生系統(tǒng)與被激勵對象統(tǒng)籌考慮,且未涉及激勵系統(tǒng)的功能優(yōu)化；此外,單一激勵源激勵的探測方式也限制了該技術的探測范圍。

5 結語與展望

超聲選擇性激勵熱成像技術經過半個多世紀的探索,在室內試驗研究方面取得了豐碩的成果,實現了0.01 mm級微缺陷的探測尺度,單一激勵源探測半徑不小于200 mm,探測時間最短可為0.25 s等突破。缺陷在肉眼易見之前,從萌生到發(fā)展的過程跟蹤識別對于風險防控能力提升有本質性促進作用,材料損傷斷裂力學理論的突破也離不開微裂紋生長過程探測手段的支撐；隨著科學技術的不斷發(fā)展,工業(yè)、工程對材料安全的要求日益提高。因此,超聲熱成像技術擁有廣闊的發(fā)展前景,后續(xù)的研究焦點有以下方面:

(1)研究微缺陷在聲振致熱時的振動行為,設計激勵邊界條件,探明微缺陷生熱過程中起控制作用的主要物理過程,建立激勵參數、缺陷形態(tài)參數以及生熱量三者的函數關系,實現基于熱像溫度場解譯微缺陷形態(tài)。

(2)研究超聲激勵系統(tǒng)功能特點,并分析激勵試驗中影響系統(tǒng)能量輸出的主要因素及作用規(guī)律,優(yōu)化超聲激勵器耦合壓力的施加方法,使得激勵耦合壓力適應超聲波發(fā)生系統(tǒng)工作性態(tài),提高發(fā)生系統(tǒng)聲能量輸出能力。此外,基于被激勵對象的材料參數,研究特性聲阻抗適配的超聲波復合材料激勵器,提高超聲能量輸入被激勵對象的能力。

(3)混凝土工程關鍵構件重要部位微裂紋的探測亟待突破,相比于金屬及復合材料,混凝土為混合組分材料,脆性顯著,進一步研究適合工程環(huán)境下,裂紋生長較長時間跨度追蹤需求的超聲紅外探測系統(tǒng)與方法。