[发明专利]一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法

说明书

本发明公开了一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法，对复杂表面强噪声信号、自然裂纹不连续以及内部粘连的特点，从改进传感架构入手，以新定义的评价指标即热对比度为最大原则，确定直导线提离距离和水平距离，从而确定区间涡流热成像区域。由于本发明中的热对比度考虑了目标区域和背景区域像素点的温度变化，也考虑了目标区域和背景区域的平均温度，兼顾了涡流密度以及涡流场的均匀性，对于背景噪声信号复杂的自然裂纹的检出非常有用，提高了检测的效性和效率。

技术领域

本发明属于缺陷检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于自然裂纹的脉冲涡流热成像缺陷检测方法。

背景技术

在汽车、核能、航空、铁路、造船等行业中，设备和零部件在制造和使用过程中，都可能产生裂纹。这些裂纹是非损伤产生的，称之为自然裂纹，例如，压力容器焊缝中的未融合、未焊透、疲劳形成的裂纹和应力腐蚀形成的裂纹，以及钢轨的滚动接触疲劳形成的裂纹(鱼鳞状剥离裂纹和斜线状裂纹)。自然裂纹存在着巨大的安全隐患，焊缝中的裂纹可能影响压力容器的致密性，造成重大事故；钢轨上疲劳形成的裂纹扩展到一定程度后，可能在火车运行过程中产生严重的脱轨事故。因此，对自然裂纹的分析和检测尤为重要。

脉冲涡流热成像缺陷检测属于主动式红外热成像缺陷检测，它使用高频交变电流在被检试件表面产生涡流，根据焦耳定律，部分涡流会转化为焦耳热，在试件表面及内部传播，试件表面的温度就会发生变化。当试件中存在缺陷时，涡流会发生绕行，焦耳热分布也会产生异常，通过红外热像仪可以检测到温度的异常，进而达到缺陷检测的目的。

脉冲涡流热成像缺陷检测可以捕捉到被测试件上缺陷引起的涡流场和热场的异常，进而判断出缺陷的位置和大小。检测灵敏度与感应器产生的磁场和涡流场的分布有关，比如磁场和涡流场的激励范围决定了检测系统的单次可检测面积，试件表面产生的涡流密度大小影响检测能力等。

焊缝、钢轨等试件由于表面粗糙，属于复杂结构。在制造和服役过程中因为交变应力和腐蚀等作用产生的裂纹(自然裂纹)较难检测。缺陷检测中存在以下难点：一方面复杂表面会产生相应涡流场变化和温度异常，干扰被检缺陷信号，使被检缺陷信号难以提取；另一方面自然裂纹缺陷处存在粘连，其电导率并不严格为0，使得缺陷不容易被检出。如果能对试件进行均匀加热，缺陷信号可以不被噪声信号掩盖，同时微弱的缺陷信号也能被有效提取出来。因此自然裂纹检测对加热均匀性要求较高。

提高加热均匀性的途径主要有两种：一是改进传感架构，二是优化激励参数。目前学者在这两个方面已经有了较大研究进展。

传感架构改进方面。常见的传感架构有直导线线圈、螺旋形线圈、亥姆霍兹线圈、磁芯环绕线圈等。

直导线线圈在试件表面形成一条高温带，此高温带涡流较为均匀，在垂直于线圈方向涡流场会减弱，脉冲涡流热成像缺陷检测中经常用到直导线线圈。 Bin Gao在对涡轮机进行疲劳评估时用到直导线线圈；Xiaoqing Li将直导线用于表面裂纹的定量检测，研究了裂纹各向尺寸对检测结果的影响。

螺旋形线圈在试件表面产生辐射状磁场和环形涡流场，可用来检测不同角度缺陷。M.S.Benmoussat使用螺旋形线圈检测金属材料表面缺陷。

亥姆霍兹线圈通过设置合适的线圈半径和间距，在两个线圈中间区域能够产生均匀磁场，适用于小型试件检测。Oswald-Tranta使用亥姆霍兹线圈对金属表面缺陷进行检测，并使用相位差评估缺陷深度信息；Jianping Peng使用亥姆霍兹线圈检测钢轨滚动接触疲劳裂纹。

磁芯环绕线圈在螺旋形线圈中加入了磁芯，可以使试件中产生更多的磁能。相比于单独的螺旋形线圈，能在试件表面形成更大的涡流场。Jian Zhao建立了磁芯环结构的理论模型，解释了其在电磁热成像检测中的优势，也用仿真和实验验证了其检测范围大、可以检测各种角度裂纹等特点。