CSTM-無損檢測 紅外檢測 渦流紅外熱成像檢測方法編制說明

《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法CSTM無損檢測標(biāo)準(zhǔn)命名規(guī)則》團體標(biāo)準(zhǔn)編制說明一、工作簡況1.任務(wù)來源本標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會（以下簡稱：CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會）無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會審查，CSTM標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》立項，標(biāo)準(zhǔn)項目歸口管理委員會為CSTM/FC94無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會，標(biāo)準(zhǔn)計劃編號為CSTMLX940000432-2020，由四川大學(xué)牽頭承擔(dān)《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》團體標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。計劃項目周期為2020.06-2020.12。2.標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和目的渦流熱成像檢測技術(shù)適用于導(dǎo)電材料（包括金屬和非金屬材料）的表面和亞表面缺陷檢測，包括裂紋、閉合缺陷、組織不均勻等的檢測。方法在經(jīng)歷了較長一段時間的基礎(chǔ)理論研究后，目前其理論和技術(shù)日趨成熟，已得到一些應(yīng)用,但尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)予以規(guī)范，需要通過標(biāo)準(zhǔn)的制定對檢測方法、設(shè)備以及人員進行規(guī)范,促進人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。3.工作主要過程按照中國材料與試驗團體標(biāo)準(zhǔn)委員會標(biāo)準(zhǔn)制修訂程序的要求，《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》團體標(biāo)準(zhǔn)的編制完成了以下工作：（1）起草階段：CSTM/FC94無損檢測技術(shù)及設(shè)備領(lǐng)域委員會成立之后，積極開展各項標(biāo)準(zhǔn)制定工作，為保證后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性，針對《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》組建成立了標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，確定了標(biāo)準(zhǔn)編寫原則和分工，提出標(biāo)準(zhǔn)編制進度安排。2020.6~9標(biāo)準(zhǔn)草案的研討標(biāo)準(zhǔn)起草工作組根據(jù)編寫原則與分工，完成了文獻調(diào)研，經(jīng)多次討論與溝通，形成了標(biāo)準(zhǔn)草案的討論稿。2020.10~11標(biāo)準(zhǔn)草案的修訂與完善各參與單位和人員針對討論稿提出修改建議，通過討論交流達成一致意見后，分別對標(biāo)準(zhǔn)草案進行修訂，形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿并提交至秘書處，由秘書處發(fā)布并征求意見。2020.12標(biāo)準(zhǔn)定稿送審（2）征求意見階段：起草工作組根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)編寫原則與分工完成《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》征求意見稿后，將征求意見稿發(fā)送相關(guān)單位和專家進行意見征集。迄今未收到修改意見或建議。4.主要參加單位及工作組成員主要參加單位包括：四川大學(xué)、愛德森（廈門）電子有限公司、中國特種設(shè)備檢測研究院、電子科技大學(xué)、上海金藝檢測技術(shù)有限公司等。工作組成員包括：楊隨先、鄭陽、高斌、伍劍波、林俊明、田貴云、俞躍、沈彥文等。二、標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況及制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則1.標(biāo)準(zhǔn)化對象簡要情況渦流熱成像技術(shù)是一種新型無損檢測技術(shù)，它利用感應(yīng)渦流加熱被檢對象，用紅外相機成像獲得被檢對象表面的溫度分布圖像，從而獲得缺陷信息。本標(biāo)準(zhǔn)著重描述了渦流熱成像檢測的技術(shù)原理、測試設(shè)備、檢測方法與流程、參數(shù)設(shè)置、結(jié)果分析與數(shù)據(jù)處理。2.制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則（1）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)或理由渦流熱成像檢測技術(shù)日趨成熟，已得到一些應(yīng)用。需要通過標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法、設(shè)備以及人員進行規(guī)范。促進人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。（2）制修訂標(biāo)準(zhǔn)的原則本標(biāo)準(zhǔn)為無損檢測領(lǐng)域的通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之一，編寫時遵循“廣泛參與、合理易用、服務(wù)產(chǎn)業(yè)”的標(biāo)準(zhǔn)編制原則，充分考慮企業(yè)、使用單位各方面的意見和建議。旨在指導(dǎo)和規(guī)范渦流熱成像檢測技術(shù)應(yīng)用推廣，方法實用、易操作，參數(shù)設(shè)定科學(xué)合理且有理論或?qū)嶒炓罁?jù)。本標(biāo)準(zhǔn)編制遵循經(jīng)濟社會發(fā)展需求原則、技術(shù)先進和經(jīng)濟合理原則、適應(yīng)貿(mào)易全球化需求原則、維護公眾利益原則、協(xié)商一致原則、廣泛參與和公開透明原則。本標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)編寫和內(nèi)容編排等方面參照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》，GB/T20001.4《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第4部分：試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》給出的規(guī)則起草。三、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進標(biāo)準(zhǔn)的情況國際、國內(nèi)無相同標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)現(xiàn)有以下近似標(biāo)準(zhǔn)：閃光燈激勵紅外熱成像GB/T31768-2015；機器狀態(tài)監(jiān)測與診斷熱成像GB/T30831-2014；無損檢測機械及電氣設(shè)備紅外熱成像檢測方法GB/T28706-2012；Q/TM杭州泰默檢測技術(shù)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/TM10002—2018脈沖渦流熱成像檢測方法?，F(xiàn)有征求意見中標(biāo)準(zhǔn)為：20173565-T-469_無損檢測主動式紅外熱成像檢測方法。本標(biāo)準(zhǔn)起草中部分參考了Q/TM10002—2018。四、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容本標(biāo)準(zhǔn)主要包括：1范圍，2規(guī)范性引用文件，3術(shù)語和定義，4原理，5儀器和設(shè)備，6試驗步驟，7試驗數(shù)據(jù)處理，8檢測報告，9人員要求10安全性。本標(biāo)準(zhǔn)的全部內(nèi)容，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)起草工作組協(xié)商一致。五、主要試驗（或驗證）結(jié)果的分析、綜述報告、技術(shù)經(jīng)濟論證，預(yù)期的經(jīng)濟效果等5.1主要實驗（或驗證）結(jié)果的分析、綜述報告本標(biāo)準(zhǔn)所使用的方法，經(jīng)過眾多實驗和多次現(xiàn)場檢測應(yīng)用，其有效性得到了驗證。標(biāo)準(zhǔn)編制組對本標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的渦流激勵紅外熱成像方法進行了多次現(xiàn)場檢測驗證分析，實驗驗證內(nèi)容主要涉及渦流激勵紅外熱成像方法的原理、檢測設(shè)備和器材、缺陷量化分析等。5.1.1渦流激勵紅外熱成像檢測機理渦流激勵紅外熱成像無損檢測的基本原理是基于電磁渦流效應(yīng)與焦耳定律。利用法拉第電磁感應(yīng)原理在導(dǎo)體材料內(nèi)部感應(yīng)出渦流并產(chǎn)生焦耳熱，當(dāng)被測工件表面或亞表面存在缺陷時，被測體中的渦流場傳導(dǎo)路徑會發(fā)生改變，并造成焦耳熱分布不均，進而影響材料表面的溫度場。這種由于焦耳熱分布不均引起的溫度場變化可以被紅外成像儀記錄，經(jīng)圖像處理和數(shù)據(jù)分析可獲得工件的缺陷信息。圖1為渦流激勵紅外熱成像檢測工件缺陷的原理示意圖。計算機控制渦流發(fā)生器產(chǎn)生高頻、大幅值的脈沖交變電流通過激勵裝置，同時計算機控制紅外相機記錄工件表面的溫度場變化。圖2所示為缺陷工件內(nèi)部的渦流分布與局部溫升示意圖。感應(yīng)渦流在傳導(dǎo)過程中繞過缺陷，從缺陷端部與底部通過，造成渦流局部集中，形成紅色所示的局部高溫區(qū)域。同時缺陷兩側(cè)因渦流強度減小，形成藍色所示的局部低溫區(qū)域。圖1脈沖渦流激勵紅外熱成像檢測工件缺陷的原理示意圖圖2缺陷工件內(nèi)部的渦流分布與局部溫升示意圖5.1.2檢測設(shè)備渦流激勵紅外熱成像無損檢測系統(tǒng)主要包括高頻電源、渦流發(fā)生器與激勵裝置、熱像儀、控制和圖像采集與分析計算機。其中，高頻電源為激勵裝置提供交變大電流；渦流發(fā)生器與激勵裝置的作用是將高頻電源輸出的電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍懿Ⅰ詈系奖粰z工件；紅外熱像儀通過測量被測對象的紅外熱輻射對其表面熱分布進行成像；圖像采集與分析計算機一方面設(shè)置高頻電源的工作參數(shù)，控制其啟停；另一方面采集記錄熱圖像序列數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理分析和顯示。為滿足大部分材料的檢測需求，高頻電源與渦流發(fā)生器我們采用了美國Ameritherm公司的EASYHEAT0224，如圖3所示。該激勵源為商用精密感應(yīng)加熱模塊，其最大功率2.4kW，最大電流400A，激勵頻率范圍150kHz-400kHz，從觸發(fā)到達到預(yù)設(shè)輸出功率用時不超過5ms。圖3高頻電源與渦流發(fā)生器EASYHEAT0224根據(jù)魏德曼-弗蘭茲定律，大部分金屬材料的熱導(dǎo)率與電導(dǎo)率成正比，即高電導(dǎo)率的材料往往具有高熱擴散系數(shù)。根據(jù)焦耳熱公式，高電導(dǎo)率降低了材料的加熱效果，而另一方面，高熱擴散系數(shù)加速了熱量在材料中的橫向擴散。因此，為保證檢測金屬材料缺陷時圖像具有較高的對比度，需要采用高速紅外熱像儀觀測記錄材料的熱擴散過程。實際測量中，紅外熱像儀型號為美國FLIR公司生產(chǎn)的FLIRA655sc熱像儀，如圖4所示，該熱像儀工作波段為7.5~13.5μm，環(huán)境溫度為20℃時熱靈敏度小于0.03℃，可提供640×120像素的圖像，紅外圖像的最大采集頻率為200Hz。計算機軟件系統(tǒng)為FLIRResearchchIRMax4軟件，以此進行現(xiàn)場處理和后期圖像分析。圖4FLIRA655sc熱像儀5.1.3測試實驗及結(jié)果利用以上設(shè)備，我們搭建了渦流激勵熱成像檢測系統(tǒng)，如圖5所示。采用該系統(tǒng)我們不僅檢測了具有高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，而且成功檢測了從低導(dǎo)電率的碳纖維復(fù)合材料到高導(dǎo)電率的鋁試件等多種導(dǎo)電材料。大量的成功實例驗證了該實驗系統(tǒng)設(shè)計的合理性。下面介紹鋁合金焊縫缺陷檢測與量化分析實驗。圖5渦流激勵熱成像檢測系統(tǒng)圖6（a）展示的試件由兩塊鋁合金薄板焊接而成，焊縫長250mm，寬20mm；焊接成長300mm，寬170mm，厚7.18mm的鋁合金薄板，在焊縫表面人工加工7條不同角度的裂紋，裂紋的尺寸如表1，如圖6（b）所示，圓圈位置即為被檢裂紋所處位置。表1焊縫缺陷特征數(shù)據(jù)焊縫缺陷標(biāo)記\焊縫缺陷特征數(shù)據(jù)長/mm寬/mm深/mm角度/°C15.100.882.180C25.100.882.11915C35.100.882.1830C45.100.882.1545C55.100.882.1460C65.100.882.0775C75.100.882.0990(a)未上色鋁合金焊接板塊全貌圖(b)缺陷標(biāo)記圖圖6鋁合金攪拌摩擦焊不同角度的缺陷試驗前先放置矩形感應(yīng)線圈的長邊于試件正上方，使線圈一直與鋁合金薄板的短邊（即寬20mm的邊）平行，不同角度的焊縫缺陷與線圈的位置關(guān)系如圖7所示，確定線圈的提離值為1.6mm。然后進行熱像儀的溫度標(biāo)定和焦距設(shè)置，使熱像儀現(xiàn)場溫度顯示均勻。熱像儀鏡頭離試件的距離在11~45cm之間，為了避免線圈遮擋缺陷，應(yīng)使熱像儀與鋁合金薄板的法線方向呈25°~30°，并調(diào)節(jié)三腳架的位置，使所需檢測缺陷處于熱像圖視野中心。接著打開離心泵，使得冷卻水在線圈內(nèi)循環(huán)冷卻。設(shè)置采集時間為2s，啟動渦流裝置和熱像儀采集裝置開始實驗。θ由線圈和焊縫缺陷的法向夾角決定焊縫缺陷的法向線圈的法向θ由線圈和焊縫缺陷的法向夾角決定焊縫缺陷的法向線圈的法向圖7不同角度的焊縫缺陷與線圈的位置關(guān)系30°15°0°30°15°0°90°75°60°45°90°75°60°45°圖8不同角度焊縫缺陷在電流400A、加熱時間20ms的溫度分布圖8展示了角度分別為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°缺陷在電流400A、加熱時間20ms的溫度分布。可以看出，在相同電流大小、相同加熱時間下，紅外渦流熱成像能有效檢測鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫表面不同角度的缺陷，并且隨著角度的增加，圖像顯示越明顯。為更好地分析近表面微裂紋檢測效果，現(xiàn)提取最大溫差變化曲線在不同角度焊縫缺陷的提取區(qū)域，如圖9所示；圖9最大溫差變化曲線在不同角度焊縫缺陷的提取區(qū)域現(xiàn)提取當(dāng)激勵時間為200ms時，所有缺陷分別在300A、400A、500A、600A的電流下的溫度變化規(guī)律圖像，如圖10所示；可以看出隨著缺陷角度的增加，最大溫差也逐漸增大，0°—15°溫差緩慢增加，15°—45°溫差增加劇烈，45°—90°溫差趨于穩(wěn)定；同時，4條折線相互交叉，證明電流大小對于缺陷最大溫差的影響不明顯。圖10缺陷最大溫差隨電流大小的變化規(guī)律圖11缺陷最大溫差隨激勵時長的變化規(guī)律現(xiàn)提取當(dāng)激勵電流為400A時，0°和45°缺陷分別在在200ms、300ms、400ms、500ms、600ms的激勵時長下的溫度變化規(guī)律圖像，如圖11所示；可以看出在0°缺陷時，最大溫差穩(wěn)定在0.4℃，在45°缺陷時，最大溫差在0.7℃下趨于穩(wěn)定。針對鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫缺陷試件進行了渦流激勵熱成像檢測，數(shù)值計算分析了渦流激勵下裂紋處的生熱過程，并制作試件進行了試驗驗證，得到的結(jié)論如下所述：渦流熱成像檢測方式可有效檢測出鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫缺陷，被檢試件表面溫度場在裂紋處分層明顯，可清晰觀察。通過分析試件表面最大溫差隨電流的變化曲線，發(fā)現(xiàn)在激勵時長一定的條件下，隨著缺陷角度的增加，最大溫差也逐漸增大，0°—15°溫差緩慢增加，15°—45°溫差增加劇烈，45°—90°溫差趨于穩(wěn)定；同時電流大小對于缺陷最大溫差的影響不明顯。因此，在實際檢測過程中，角度在45°（線圈和焊縫缺陷的法向夾角）以上的缺陷更易檢測出來。通過分析試件表面最大溫差隨激勵時長變化曲線，發(fā)現(xiàn)在電流一定的條件下，激勵時長對缺陷最大溫差影響不大，趨于穩(wěn)定。5.2技術(shù)經(jīng)濟論證渦流激勵熱成像檢測是無損檢測發(fā)展的一個重要的方向，該方法不與被檢材料有任何接觸，屬于真正意義上的無損檢測。其利用感應(yīng)渦流在缺陷與非缺陷位置的分布不同影響材料表面的溫度場，進而通過熱像儀進行表面溫度檢測?？梢詸z測各種導(dǎo)電材料各種類型缺陷的識別與量化、自動化程度高。近年來，渦流激勵熱成像檢測具有可視化、非接觸、高效等優(yōu)勢獲得了無損檢測領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，成為新的研究熱點。如果能盡快將這種新穎的檢測方法推廣應(yīng)用，將會帶來很大的經(jīng)濟效益，制定《無損檢測紅外檢測渦流紅外熱成像檢測方法無損檢測紅外檢測渦流激勵紅外熱成像方法》標(biāo)準(zhǔn)的工作勢在必行。在充分理解和貫徹國家質(zhì)量、安全等相關(guān)