摩擦焊焊縫的振動紅外熱像無損檢測技術(shù)的研究

本項(xiàng)目研究了摩擦焊焊縫內(nèi)部裂紋缺陷的振動紅外熱像檢測方法和技術(shù)。研究內(nèi)容包括：超聲紅外熱像檢測的傳熱和振動規(guī)律，焊縫熱像檢測的熱激勵方法和激勵系統(tǒng)，熱像檢測數(shù)據(jù)處理方法，振動熱像檢測應(yīng)用軟件開發(fā)。研究結(jié)果表明，相對于復(fù)合材料而言，金屬材料內(nèi)部裂紋的檢測宜用短時超聲激勵；采用一定支撐方式和超聲激振相結(jié)合容易實(shí)現(xiàn)共振，有利于微小缺陷的檢測；采用功率超聲電源和夾芯式壓電陶瓷超聲換能器組成的激勵系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高頻激振；利用先進(jìn)的熱像信號處理方法可使原始紅外熱像中的缺陷信息得到顯著增強(qiáng)，從而提高檢測方法的缺陷探測能力。項(xiàng)目的主要工作成果是：提出了摩擦焊焊縫振動熱像檢測的方法；完善了摩擦焊焊縫振動熱像檢測理論；找出了金屬材料內(nèi)部裂紋超聲振動激勵紅外熱像檢測的規(guī)律，優(yōu)化了檢測條件；發(fā)展多種先進(jìn)熱像數(shù)據(jù)處理方法；開發(fā)了超聲激振裝置、應(yīng)用軟件及振動熱像檢測原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有單次檢測面積大、速度快、對人安全和可視化等優(yōu)點(diǎn)，是裂紋等內(nèi)部缺陷檢測有力工具。本課題的研究對解決我國摩擦焊接頭內(nèi)部缺陷檢測難題及推動紅外熱無損檢測技術(shù)的進(jìn)步都具有重要意義。 2100433B

摩擦焊焊縫振動紅外熱像無損檢測技術(shù)(VibroIR NDT)在航空航天制造和維修中有迫切的需求和廣闊的應(yīng)用前景。本項(xiàng)目將研究摩擦焊焊縫內(nèi)部閉合裂紋和緊貼型缺陷VibroIR NDT的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。以超聲激振、彈性振動、內(nèi)摩擦和傳熱等物理耦合過程的數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，建立焊縫VibroIR NDT的計(jì)算機(jī)仿真分析方法，研究試件在高頻振動激勵下機(jī)械能向熱能轉(zhuǎn)化及熱的傳遞規(guī)律；開展超聲激振方法和激振模式研究；進(jìn)行檢測條件的優(yōu)化；研究低對比度紅外熱像序列的信號分析、處理和噪聲抑制方法以及缺陷特征提取和表征算法。項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)是，在國內(nèi)首次對摩擦焊焊縫的VibroIR NDT進(jìn)行系統(tǒng)的研究，提出激振方法和信號處理等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)檢測技術(shù)的演示驗(yàn)證。項(xiàng)目完成后將形成有自主版權(quán)的摩擦焊焊縫VibroIR NDT技術(shù)，對保證摩擦焊的焊接質(zhì)量和推動IR NDT技術(shù)的進(jìn)步都具有重要的意義。

熱紅外圖像是灰度圖像，沒有色彩或陰影，圖像分辨率低，圖像缺乏層次感；由于景物熱平衡、傳輸距離和大氣衰減等原因，造成熱紅外圖像空間相關(guān)性強(qiáng)、對比度低、視覺效果模糊；外界環(huán)境的隨機(jī)干擾和紅外成像系統(tǒng)的不完善，給熱紅外圖像帶來多種多樣的噪聲，這些分布復(fù)雜的噪聲使得熱紅外圖像的信噪比高不利于后續(xù)環(huán)節(jié)如圖像融合、目標(biāo)識別的處理。熱紅外圖像中普遍存在著目標(biāo)邊緣輪廓模糊，背景對比度差等缺點(diǎn)，如果紅外傳感器較遠(yuǎn)，再加之受大氣惡劣條件的影響，此時獲得的熱紅外圖像信噪比和對比度將更低，圖像質(zhì)量很差。

紅外熱成像技術(shù)是一種非接觸式的可視化探測方法，具有探測范圍大、信息損耗小等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可進(jìn)行全天二十四小時不中斷作業(yè)，白天黑夜均不影響其探測效果，同時通過光電轉(zhuǎn)化、目標(biāo)處理等方法將紅外信號轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像，并且可以將每點(diǎn)的溫度值計(jì)算出來。紅外熱成像技術(shù)使人類可以直觀的識別物體表面溫度分部狀況，從而進(jìn)一步分析物體內(nèi)部存在的問題，為我們由表至里的探測提供了可能。

紅外熱成像儀是以對紅外線敏感的光敏元件為基礎(chǔ)，由紅外線探測器、光機(jī)掃描系統(tǒng)組成，接收物體因內(nèi)部熱能量而向外輻射的紅外線，使用光學(xué)成像原理將這種能量以光學(xué)可視化的形式顯示出來。面陣焦平面陣列器件因其沒有光機(jī)掃描及探測器轉(zhuǎn)換過程，簡化了可視化的過程，而成為當(dāng)前比較領(lǐng)先的熱成像手段。模擬信號經(jīng)過解調(diào)器處理、放大后使用探測器或者在顯示屏上顯示所生成的熱紅外圖像或者溫度值，而且可以對獲取的溫度值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算及統(tǒng)計(jì)。

對象的選擇是左右探測效果的重要因素，選取對象時需考慮其所處的環(huán)境情況，當(dāng)對象溫度與其背景溫度相差不大時，探測會有很大難度。在這種狀況下，需要探測人員熟知熱輻射的特點(diǎn)，調(diào)節(jié)合適工作波段，讓探測對象在該波段下的熱輻射能量能顯著的顯示出來。除此之外，還需詳細(xì)了解目標(biāo)的外形特征、尺寸大小、正常溫度范圍等一些系類詳細(xì)信息，方便我們在探測時給出正確判斷。

通常來說，獲取熱圖像的方法是使用熱像儀，熱像儀是依據(jù)紅外熱輻射原理工作的。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，新半導(dǎo)體材料的不斷出現(xiàn)，紅外測溫技術(shù)的完備程度不斷提高，熱圖像的獲取速度快，獲取的熱圖像精度和靈敏度高，在科學(xué)研究、現(xiàn)代工程技術(shù)和軍事領(lǐng)域中應(yīng)用越發(fā)廣泛 。