振動熱成像
振動熱成像是一種主動熱成像檢測方法,不依賴于被檢查料件中現有的熱量,而是利用機械振動來檢測和定位裂紋等缺陷。振動熱成像通常使用頻率在20kHz至45kHz范圍內的超聲波頻率來激發被測料件,產生這些超聲波振動頻率的常見激發源是超聲波焊機。
振動熱成像屬于非破壞性檢測,也是一種非接觸式方法。超聲波喇叭或換能器需要與工件接觸,測量過程中這些振動會通過料件傳播。當振動在工件中傳播遇到裂紋時,裂紋面摩擦生熱,產生微小溫升,就會被熱像儀檢測并定位缺陷。

振動熱成像檢測裝置
振動熱成像檢測裝置由高速熱像儀、帶電超聲波換能器(不可見)和結構件組成。啟動設備施加超聲激勵后,料件(如剎車轉子)上的缺陷裂紋處因摩擦產生局部溫升。
在金屬部件的振動激勵檢測中,通常需要非常快的熱像儀,這里的“快”特指探測器積分時間短且相機幀速率高。因為金屬材料的高熱導率會使裂紋區域產生的微弱溫升在幾毫秒內迅速消散。
超聲波換能器覆蓋的裂紋不可見,換能器將大量能量耦合到料件中。所以,看到換能器周圍區域變熱是正常的。這種變熱并不表示存在缺陷或裂紋,而是換能器和工件之間的振動和由此產生的摩擦生熱。

渦輪葉片上的裂紋檢測
上圖顯示了鈦渦輪葉片裂紋的振動熱成像檢測過程: 葉片置于木塊上,鋁箔包裹的超聲波換能器激振。經調色板處理的圖像顯示,低溫區(藍)與高溫區(橙至亮黃)對比鮮明,清晰可見兩條裂紋。此方法對裂紋檢測非常有效。
振動熱成像——形狀復雜的部件也可檢測
相較于行業標準方法——染料滲透檢測(需刷涂染料、滲入、清洗、紫外顯影,耗時且無法探測近表面隱形裂紋),振動熱成像能有效檢測近表面隱形裂紋和微裂紋。
其原理是:裂紋區因熱導率差異在紅外圖像中形成高溫區(橙/黃),且熱量會向周圍(藍)擴散(開花效應),放大裂紋顯影尺寸,提升微裂紋檢出率。

渦輪葉片中的微裂紋
上圖葉片之前已使用染料滲透法檢查過,發現的裂紋標有“S”和一些黑線。用振動熱成像技術檢查同一渦輪葉片后,缺陷和裂紋的實際程度變得顯而易見。
為這兩個結果圖像選擇的調色板是灰度調色板,裂紋顯示為黑色區域。從結果圖像可以看出,渦輪葉片表面布滿了微裂紋。這種程度的裂紋可能會導致渦輪發動機發生災難性故障,而僅使用染料滲透檢測則無法發現這種情況,使用振動熱成像技術檢查則效果更佳。
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