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结合激光测振技术和主动红外热成像技术以增强GFRP的无损检测效果

时间:2020-07-23 点击次数:68

背景

GFRP学名玻璃纤维增强塑料,是一种比较常见的复合材料。这种结合了玻璃纤维和树脂填充的结构,使得它具有很多特殊的性能,包括很高电绝缘性能,宽泛的工作温度,较低的热传导性能和较高的抗腐蚀性能。这些性能也决定了GFRP材料在航空航天、市政建设和交通运输等多个行业都有广泛的应用。

而由此制作的部件的可靠性则由材料性能和其内部可能的缺陷密切相关。例如在制造阶段,过多的孔隙可能会造成材料的各向异性。而在在役使用阶段,由于外部的冲击损伤,也会造成裂纹、分层、基体断裂等多种类型的缺陷。

超声激光测振技术是最近兴起的一种无损检测技术,它通过分析测试试样的共振来分析其中的结构缺陷。该技术结合了超声激励和激光振动扫描方法。在固体材料中,结构的不均匀性会导致质量和刚度的局部变化,这些变化很容易被激光测振技术所探测到。这种在缺陷区出现的特殊共振现象首先是由Pye和Adams发现的。他们发现复合材料在一定有效量级的共振条件下会产生一个特殊的热能,这个热能是由缺陷相反的两侧之间的摩擦而产生的。随后Busse和Solodov等将这种现象定义为局部缺陷共振(LDR),它们有其特殊的共振频率。

随后Segers等人通过使用3D扫描测振技术研究了平底孔的平面内和平面外共振响应,而近期Solodov等人研究发现类似于平底孔的缺陷,不同形状的平底孔,比如方形、圆形、锥形等都有其基本的共振频率。

但不幸的是,LDR技术看起来无法有效地了解缺陷的深度,而这可用通过一侧的主动红外热成像技术实现。但这种主动红外热成像技术只能检测不连续类型的缺陷,并且对于厚度大于10mm的工件也很难使用。

因而在此研究中,同时使用了单激励激光测振技术和主动红外热成像技术来对16mm厚度的GFRP复合材料中的圆形平底孔进行检测,以获得显著的检测结果。

2 检测对象和方法

检测对象是一块320x320x16mm的GFRP试块,其中包含了16个平底孔类型的缺陷,每个都是20mm直径,缺陷深度在1到12mm之间。

激光测振技术包含了一个扫描激光测振仪PSV-500-3D,一个信号发生器AWG-4163,带一个放大器。信号发生器激励一个超声脉冲给压电晶片探头。通过激光测振手段分析材料中的弹性波的传播,以及结构内部的不连续对其造成的干扰。

如前面提到的,使用振动分析技术可以对缺陷进行定位,已经确定缺点的尺寸和区域,但无法确定深度。为了得到缺陷深度信息,使用了主动红外热成像技术。该技术使用一个4x500W卤素灯作为加热源,持续加热10s。假设材料的热扩散系数已知,缺陷深度通过最大温度差的延迟时间来进行评估,该技术被证明是有效的,但缺陷深度限定在10mm以内。

3 结果分析

3.1 激光测振技术

下面是共振测振在平底孔上的结果,例如图中的16号缺陷(深度1.1mm),检测频率是12.5kHz。而8号缺陷(深度1.2mm)和5号缺陷(深度7.2mm),可以被所有频率检测到。

在全振动模式下,频率范围50Hz-100kHz,可以发现16个缺陷中的15个,只有最深的9号缺陷未被发现。通常来说,越深的缺陷振动观测得到的振幅越低。

可以看到,这些缺陷的尺寸是一样的,只是深度不同,就会造成显示上的差异,缺陷越深,振动强度越低。因而9号缺陷没有显示。通过ThermoLab软件,对检测结果进行二次处理分析,通过一个简单的算法可以明显提高缺陷的显示效果。

3.2 典型的红外热成像NDT方法和深度特性

使用单侧典型的红外热成像技术可以估计缺陷的深度,并与振动分析的结果结合,可提高缺陷的检出率。

使用红外热成像技术可以给出7mm以上深度的缺陷的深度,而7-12mm深度的缺陷没有检测出。

4 结论

共振激光测振技术证明是检测非连续类缺陷的有效工具,缺陷在不同深度上都可被检出。原始数据可以发现16个缺陷中的15个,而通过ThermoLab软件进行算法处理可以发现所有16个缺陷,而使用主动热红外技术可以对其中的部分缺陷进行深度评价。

待续

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