红外热波无损检测技术及其进展

摘 要：综述了红外热波无损检测技术的基本原理、技术特点，给出了一些典型的应用试验结果，介绍了国内外相应研究的发展状况和进展。

关键词：红外热波；无损检测；热波检测

红外热波无损检测技术（简称热波检测）是一门跨学科的技术。它的研究和应用，对提高航空航天器，多种军、民用工业设备的安全可靠性具有重要意义。美国多家大公司（如GE、GM、福特、洛克西德和西屋等）及政府机构（如NASA、FAA、空军、海军）等已经在广泛应用和推广该技术。

2003年9月该项技术的应用研究也列入了我国国家863高科技发展计划，同时还获得了211工程重点学科建设经费等的支持。

1.热波检测原理

热波（Thermal Wave）理论及应用的研究重点是研究热源，特别是变化性热源（如周期、脉冲、阶梯函数热源）与媒介材料及其几何结构之间的相互作用。被加热后，不同媒介材料表面及表面下的物理结构特性和边界条件将影响热波的传输并将影响媒介表面的温场变化。通过控制热激励方法和测量材料表面的温场变化，可以获取材料表面及其表面以下的结构信息，从而达到检测的目的。红外热波检测的核心是针对被检物的材质、结构和缺陷类型以及特定的检测条件，设计不同热源（如高能闪光灯、超声波、电磁、热风等）并用计算机控制进行脉冲式加热，同时采用红外热成像技术对时序热波信号进行数据采集，采用专用软件进行实时图像信号处理。热波无损检测采用了主动式控制热激励的方法，与传统的被动式红外热成像检测是有区别的。不同被测物、检测环境和条件，需要采用大功率闪光灯、超声波、激光、THz 波、热风、电磁感应、电流、机械振动等不同方式的热激励手段及相应的机械装置、控制装置及编制控制和图像数据处理软件。

2.主要应用和技术特点

2.1主要应用

红外热波技术可应用于①检测航空/航天器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀，机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、表征、损伤判别与评估。②火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。③新材料（特别是新型复合结构材料）的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用研究的整个过程中进行无损检测和评估；加载或破坏性试验过程中及其破坏后的评估。④多层结构和复合材料结构中，脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。⑤各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的探测。⑥各种粘接、焊接质量检测，涂层检测，各种镀膜、夹层的探伤。⑦测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。⑧表面下材料和结构特征识别与表征。⑨运转设备的在线、在役监测。

2.2 技术特点

热波检测具有如下特点，即 ①适用面广，可用于所有金属和非金属材料。②速度快，每个测量只需几十秒钟。③观测面积大，根据被测对象和光学系统，一次测量可覆盖至平方米量级。对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。④直观，测量结果用图像显示、直观易懂。⑤定量，可以直接测量到缺陷深度、厚度，并能作表面下的识别。⑥单向非接触，加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。⑦设备可移动、探头轻便，十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。

3.国内外发展概况

1990年以来，国际上积极开展红外热波无损检测技术的研究。美国无损检测协会组织编写的无损检测手册红外与热检测分册里，有大量的篇幅论述红外热像无损检测在航空航天、电子、石化、建筑等许多领域的应用。美国、俄罗斯、法国、加拿大等国已把红外热波检测技术广泛应用于飞机复合材料构件内部缺陷及胶接质量检测、蒙皮铆接质量检测。美国还把它用于航天飞机耐热保护层潮湿检测，Atlas空间发射舱复合材料的脱粘检测，A3火箭无损检测。美国韦恩州立大学的工业制造研究所在该技术领域的研究上一直得到美国政府机构和许多大公司科研基金的支持，处在该领域研究的最前沿，取得了很多实际的研究成果。在 FAA1998 ，1999和2000年飞机机身无损探伤技术竞标中，此技术击败包括X 射线、超声波、暗电流检测等多项技术而唯一胜出。并逐渐被NASA、美国空军和海军、波音、洛克希德，各大汽车公司及各大航空公司等许多知名大公司所采用。自20世纪90年代中期以来，这些政府机构和大公司纷纷设立了红外热波无损检测实验室，用于研究解决各自独特的无损检测问题。据介绍，中国目前从事与无损检测技术相关工作的人员约有25万人，涉及无损检测技术应用、科研、教学与培训、经销、技术咨询、工程服务等的专业单位在5000个以上。截止2002年10月份，中国无损检测器材设备的制造单位大约有400家，分布25个省、自治区和直辖市。据调研结果显示，目前国内对此项技术的研究与应用与国外的差距甚大，仅有一些技术介绍和综述文章，以及初步试验。必须指出，由于被检物在材质、尺寸、制造工艺、形状等方面存在不同，所含缺陷也千差万别，因此没有一种无损检测的方法是万能的。通常选择使用的检测手段都是有针对性和个性化的。热波检测技术应被视为是对一些传统方法的补充、替代与进步，也可与各种现有的成功检测办法互为验证和参考。作为一种综合性应用技术，无损检测技术经历了从无损探伤（NDI） ，到无损检测（NDT） ，再到无损评价（NDE） ，并且向自动无损评价（ANDE）和定量无损评价（QNDE）发展。在航空领域，损伤容限理论已经逐步替代了安全寿命设计理论。无损检测不但应能检测出已经存在的缺陷，而且应能对缺陷（裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳缺陷）的发展规律进行监测，以保证损伤容限理论的正确实施。热波检测技术正是顺应了这种发展趋势，从功能上看，非常适合检测和监测裂纹、锈蚀、脱粘等一类疲劳损伤的发展性缺陷；从性能上看，具有快速、观测面积大、直观、准确、非接触等特点优势，适合于外场应用、在线在役检测。因此，此项技术在某种程度上势将取代一些传统的检测技术。

4.结语

红外热波无损检测技术是一项通用技术，具有很强应用性和可拓展性。可以应用于多种材料、结构和检测环境。该技术的应用既可作为产品评价的依据，也为工艺分析提供参考信息，可用于改进材料的产品质量、产品设计、加工制造、成品检验以及使用的各个阶段。

参考文献：

[1]刘莹，张记龙.材料的红外无损检测技术及其进展

[J].华北工学院测试技术学报 ，2001 ，15（4） ：275.

[2] Xavier PV Maldague ， Patrick O Moore. Nondestructive Testing Handbook Infrared and Thermal Testing [ M ].American Society for Nondestructive Testing ，2001.

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