隨著汽車輕量化和價格下降，包括鋼材在內(nèi)的各種材料得以應用。因此，焊接、粘接以及機械接合等各種接合工藝變得多樣化。特別是存在不同材料之間的接合可靠性和耐久性問題。

本文介紹一種無損檢測方法，該方法通過外部激發(fā)測量對象（光、超聲、渦流、電流、熱彈性等），使其產(chǎn)生溫度變化，然后使用紅外攝像機檢測測量對象內(nèi)部的缺陷、裂紋、接合狀態(tài)、內(nèi)部剝離、密度變化和涂膜厚度等。

1.紅外攝像機

因為無損檢測使用的紅外攝像機要以高靈敏度捕捉瞬變現(xiàn)象，因此需要有高時間分辨率的高幀速率。每個像素的空間分辨率由與紅外攝像機一起使用的透鏡所決定的空間分辨率視角決定，如要檢測大型目標和精細區(qū)域，要使用高像素的紅外攝像機。

2.光激發(fā)無損檢測

圖1-光學增強方法的基本原理

圖1為光激發(fā)無損檢測裝置概圖。該方法分為圖2所示的脈沖熱成像和圖3所示的鎖相熱成像兩種。

圖2-脈沖熱成像的基本原理

脈沖熱成像方法通過瞬間燈光激發(fā)使測量對象出現(xiàn)溫度上升，在溫度下降的過程中，通過圖像顯示正常位置和缺陷位置出現(xiàn)的溫度變化和時間相位滯后。該方法針對捕捉表面附近缺陷和熱傳導系數(shù)較高的金屬瞬變的檢查。

圖3-鎖相熱成像的基本原理

鎖相熱成像方法通過重復亮燈激發(fā)測量對象，通過圖像顯示正常位置和缺陷位置出現(xiàn)的溫度變化和時間相位滯后。

3.光激發(fā)無損檢測示例

圖4-脈沖熱成像檢測焊接

圖4為脈沖熱成像的檢測示例，圖中顯示干電池底部的焊接位置狀態(tài)。通過捕捉金屬等高熱傳導系數(shù)材料的瞬間溫度變化等瞬變現(xiàn)象，清楚識別正常位置和缺陷位置。

圖5-脈沖熱成像進行時域檢測

圖5為手機鋰離子電池的時間序列圖像。左圖為光激發(fā)后短時間內(nèi)觀察的測量對象表面附近的內(nèi)部圖像，右圖為較長時間后觀察的較深位置的內(nèi)部圖像。因為存在導熱差異產(chǎn)生的時間差，所以可以分層顯示內(nèi)部結構。

圖6-鎖相熱成像檢測復合材料

圖6為使用光激發(fā)鎖相熱成像儀檢測復合材料車身缺陷的圖像。

圖7-缺陷與鎖相頻率的關系

圖7為深度方向上缺陷位置不同的復合材料平板檢測示例。改變光激發(fā)的鎖相頻率，0.5Hz的高頻只可使測量對象表面附近發(fā)生溫度變化，可以檢測檢測測量對象表面附近的缺陷。另一方面，使用0.06Hz的低頻可以檢測測量對象深度方向的缺陷。因此，在光激發(fā)鎖相熱成像中，通過改變激發(fā)頻率，可以檢測從測量對象表面到缺陷的傳熱溫度變化和相位滯后，從而可以推斷缺陷深度。

4.超聲波激發(fā)無損檢測示例

圖8-超聲增強法的基本原理

圖8為超聲波激發(fā)無損檢測裝置的概要。通過超聲波換能器激發(fā)測量對象，使用紅外攝像機檢測測量對象內(nèi)部的龜裂或裂紋通過內(nèi)部摩擦或滯后而發(fā)熱的狀態(tài)。

圖9為通過超聲波激發(fā)檢測的鉚釘殘留圖像。左圖為鉚釘熔化后成為一體的良品圖像，即使使用超聲波激發(fā)也不產(chǎn)生熱量。右圖中的鉚釘處存在間隙，可以測量到超聲波激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)熱。

另外，測量對象激發(fā)方法有機械負荷和渦流方法兩種。此處使用感應線圈進行感應加熱，檢測圖像如圖10所示。

圖10-通過渦流激發(fā)評估焊接部件

左側的紅外成像圖像中，測量對象表面焊接的材料不同，發(fā)射率也不同，因此無法評估焊接內(nèi)部有無缺陷。但是相位圖像不容易受到測量對象表面狀態(tài)的影響，可以進行檢測。因此，實際進行汽車鎖相檢測時，無法檢測發(fā)射率均勻的黑色涂層表面。因此，通過不受表面發(fā)射率和形狀影響的相位信息可以進行檢測。

5.鋼板激光焊接與粘合劑充填檢測示例

顯示模擬汽車接合使用較多的鋼板激光焊接與粘合劑充填狀態(tài)的試驗級評估結果。

圖11-各種焊接缺陷

如圖11所示，生產(chǎn)線中的激光焊接存在各種缺陷和不良。

○氣孔/針孔

○焊接裂紋

○滲透缺陷

○未熔合

○底切、焊瘤

圖12-激光焊接樣本的尺寸

圖12為形狀尺寸，2片0.75mm厚的鋼板重疊在一起進行焊接，通過改變激光輸出。

圖13-各種焊接缺陷的熱成像圖

如圖13所示評估模擬6種焊接狀態(tài)的試驗片。

圖14-粘接樣本的尺寸（鋼材）

圖14所示形狀尺寸的2片0.8mm厚鋼板的重疊粘接狀態(tài)。

圖15-熱成像顯示粘合劑充填狀態(tài)

圖15中的粘合劑寬度為0.3mm，中間未粘接位置分別有長度為5mm、10mm和20mm的空隙，在該狀態(tài)下檢查評估粘合劑的充填狀態(tài)。

圖16-熱成像顯示粘合劑寬度差

圖16為粘合劑寬度從0.15mm變化為0.5mm時，檢查評估粘合劑的寬度差。

圖17-粘接樣本尺寸（鋼材和玻璃）

圖17所示形狀尺寸的0.8mm厚鋼板與4.9mm厚玻璃板重疊5mm寬度狀態(tài)。

圖18-各種粘接缺陷的熱成像圖

圖18顯示粘合劑的充填狀態(tài)評估結果。

6.總結

通過對測量對象進行光激發(fā)和超聲波激發(fā)，可以使用圖像評估測量對象內(nèi)部的缺陷和剝離狀態(tài)。高性能紅外攝像機可以捕捉非常輕微的溫度變化，并且可與鎖相熱成像組合改進S/N。通過時間序列處理和改變激發(fā)頻率，可以觀察原來難以觀察的測量對象的內(nèi)部深度方向信息。另外，通過圖像處理將正常位置和缺陷位置進行二進制處理，可以用作自動識別的檢測裝置。

責任編輯：gt