红外热成像检测飞机蜂窝结构的积水.pdf

1红外热成像检测飞机蜂窝结构的积水 红外热成像检测飞机蜂窝结构的积水 孟铁军 陈江明（东航工程技术公司西安维修基地 陕西 中国 710082）摘要：摘要：随着先进的民用航空器设计中大量采用复合材料结构设计,航空器维修领域将面临大量复合材料中缺陷检测的问题，本文主要介绍了使用红外热成像技术在飞机蜂窝结构积水缺陷检测的应用，分析比较了现在常规复合材料的检测方法与红外热成像检测的特点，详述了红外热成像检测程序和注意事项，并提出了红外热成像检测现状存在的问题和未来广泛的应用前景。关键词：关键词：红外热成像；无损检测；蜂窝积水；加热毯；红外热像仪；复合材料 1、前言 自从 1800 年英国科学家 William Herschel 通过对光的试验首先发现了红外线后，红外热检测技术得到快速发展。作为一门无损检测新兴的专业，它具有快速实时、不需耦合、远距离、大面积检测、准确直观等优点使得这项技术首先在军事上得到应用，20 世纪 60 年代，红外热成像检测技术开始被用于非军事上领域，并得到高速发展。现在红外热成像检测技术已广泛应用于航天、航空、医学、电力、冶金、石化等众多领域。在国外，许多政府机构资助开发相关的研究项目；有些企业例如波音公司、洛克希德马丁公司、空客公司、美国西北航空公司等也都建立了自己的实验室用于解决红外无损检测实际应用中问题。因此红外无损检测技术在欧美发达国家民航业得到了广泛的应用，积累了丰富的实践经验，使红外热成像无损检测逐渐发展成为一种常规无损检测技术。而在国内民航维修业，红外热成像无损检测的应用尚处于起步阶段。随着欧美大、中型民航客机大量采用复合材料，复合材料在飞机结构中的比重越来越大，随着飞机的老龄化，复合材料结构不可避免地出现多种损伤，其中蜂窝积水是比较常见而难以检测的一种，蜂窝积水会造成结构重量增加、蒙皮脱粘等后果，进一步发展会造成结构的严重损坏，甚至部件脱落，危及飞行安全。而红外热成像无损检测技术在检测蜂窝积水方面有着明显的优势。现有针对复合材料检测的手段基本沿用金属材料的方法以超声检测、声振检测、射线检测为主。但由于复合材料和金属材料存在较大的物理性能、结构特点和制造工艺等差异，针对金属材料的检测方法不能够完全满足复合材料的检测要求。而红外热成像新兴技术具有高速、直观、可靠等优点，非常适合外场、现场、在线在役检测，因此空客、波音等飞机制造商和政府机构如 NASA、FAA、空军等均大力发展该项技术以进一步提高飞机安全性和可靠性。2、红外热成像检测的原理 任何物体的温度高于绝对零度（-273）时，物体内部都有热的传导和表面的红外辐射。其辐射能量的主波长既是物体表面温度的函数，也与物体表面状态有关。当被检物体内部出现不连续性时，其热传导性能将发生改变，并使表面温度分布出现差别。利用红外热成像检测装置测定被检物体的热辐射的差异并将其形成影像，从而检测出被检物体内部不连续性的方法，我们称为红外热成像检测方法。通常用于红外成像检测的波长是在电磁波谱红外波段范围的 3-30m。红外热成像检测中的热辐射属于电磁波，它与我们熟知的其他电磁辐射如 x 射线、光、无线电波一样可以被反射、传导和吸收。物体所发射的红外线数量和波长取决于物体的温度。因此物体具有不同的温度和发射系数，热像仪接收来自物体的辐射，便可测定物体表面的温度场分布，图 1 为红外热成像仪工作原理。通常根据检测的激励方式，红外检测分为有源红外检测法和无源红外检测法。有源红外检测法是指检测时利用热源向工件表面注入热量，热量扩散到工件内部，当有缺陷存在时，热流就会被阻隔或加速扩散，经过一段时间后缺陷区域就会有热量堆积或过量损失，这样就形成了温度梯度变化和差异，再借助热成像设备捕获工件各处热辐射分布，从而判定工件内部缺陷的方法，也称主动式热激励方式。无源红外检测法是指不向工件注入热源而利用工件本身的热辐射进行的检测方法，又称被动式红外检测方式。民用航空器维修中主要采用主动式热激励方式进行红外热成像检测，利用试件因其结构或成分的非均匀性而导致的热传导特性的差异，针对不同检测对象采用多种加热方法对试件进行加热，使用红外热像仪对试件的温场变化进行记录并使用专用软件处理数据以判定结果。常用的热激励方式有电热毯、烤炉、红外线灯、热空气源、闪光灯、调制辐射等，但在某些情况下还可以使用冷却方法如利用喷雾器、冷气喷射器、冷冻设备、低温液体、汽化等主动激励方式。民用航空器维修中，也有用无源红外检测法检测蜂窝积水的工作，例如波音飞机在飞机落地后 1 小时内进行外襟翼后缘蜂窝结构积水检查就属于这种类型。图 1.红外热成像仪工作原理 3、民用航空器红外热成像的应用 民用航空器采用了大量的复合材料，如升降舵、方向舵、扰流板、襟翼、起落架舱门等部位。图 2 所示是某型民用航空器的升降舵结构，上、下面板由非金属蜂窝夹芯结构和碳纤维增强塑料（CFRP）蒙皮构成。在飞机运行过程中，由于蒙皮分层、高低空温度的大幅波动、潮湿及高低空压力变化形成的“吹气球”效应等因素的影响，复合材料结构的密封性受到破坏，空气中的水分滞留在蜂窝夹芯中形成了积水。蜂窝积水的危害主要是造成蒙皮脱胶和结构重量增加，降低结构性能和强度，进一步发展会造成结构的严重损坏危及飞行安全。为此，空客和波音均引入红外热成像检测技术作为传统复合材料检测方法 X 射线照相法、液晶法和超声脉冲回波法的补充。特别是对于蜂窝 2夹芯中的积水缺陷，因为水的热容量大，积水会使热量保持时间延长，使得检测效果非常明显。图 2.常见的蜂窝积水示意图 通过使用特制的加热毯对升降舵检查区域进行加热。加热结束后，在自然降温的过程中，由于非金属蜂窝材料的比热远小于水（约为水的 1/5），所以蜂窝材料降温比水快得多，因此含有积水的蜂窝处温度分布异于不含水的蜂窝，此种差异相应地造成红外辐射的差异，使用红外线热像仪可检测出红外线频谱的差异并将被检测物体的红外热像实时地显示在屏幕上，该图像以灰度或颜色（取决于显示模式）表示被检测物体各部位的温度。由图像可知其含水的位置、形状、尺寸等信息。红外热成像技术检测蜂窝积水与传统方法的 X 射线照相法、液晶法和超声脉冲回波法比较有明显的优势。表 1 是这四种方法的优缺点对比，可见红外热成像是最为适宜在民航外场实施原位检测蜂窝积水的方法。表 1 蜂窝积水检测方法的对比 方法 优 点 缺 点 X 射线照相法 不受材料、结构的限制；能永久保存记录；对气孔等体积性缺陷敏感。操作复杂，检测工期长；检测双层结构时，缺陷定位困难；从胶片上不易区分积水和填充的胶；X 射线对人有害，须进行防护，不便于施工；检测结果不能立即得到，费用昂贵。液晶法 实时显示操作方便；无需特殊设备、液晶板能够重复利用；费用较低。检查间隔较短，须较为频繁地实施重复检查；灵敏度不够高，依赖温度；通常仅能检查下面板、并且要液晶板与工件直接接触；难以标记损伤区域；检测大面积区域时耗时多。超声脉冲回波 易于操作，灵敏度高；费用低。检测效率低，适用于面积较小的局部检查；仅可从下表面检查下面板的积水。红外热成像 灵敏度高于 X 射线照相法和液晶法；易于分辨积水在双层结构的哪一层；检测结果立即可知；检测效率高，工期短，不用接触工件；无需特别的安全措施，便于施工。新兴技术，不够成熟；需昂贵的初期投入特殊设备（加热毯、红外热像仪等）；受试件几何形状的限制、依赖温度；填充物或胶会形成虚假显示干扰判断。3原位检测升降舵面板所需的红外热成像检测设备包括红外热像仪、便携式监视器、加热毯、温度控制装置、电压转换器、延长线、计时器、保温材料、透明塑料薄膜、记号笔等。红外线热像仪用来获得试件的红外热像并实时地显示在屏幕上。加热毯用来对检测区域进行加热，加热时间由温度控制装置控制。透明塑料薄膜和记号笔用来标记检测出的积水区域。计时器用来控制检测时间，防止施工超时。电压转换器和延长线用来在不同的检测场所提供电源。图 3 是加热毯和温控器的实物图。图 3.加热毯和温度控制器 图 4.升降舵积水的红外热成像图 红外检测程序中除加热毯按照飞机规格订购外，对其他检测设备参数也有严格要求，例如，红外热像仪的技术参数要求为：测温范围-20至 120，工作波段 7.5-13m，温度分辨力 0.1 C(在30 C)，空间分辨力 1.3 mrad，观察视场 2418等。红外检测程序实施中，检测的环境温度始终控制在 1030，检测前首先封住升降舵前缘的孔，目视检查待检表面是否存在损伤、不连续或修理痕迹等可能影响检查结果的因素。将加热毯按照飞机结构形状放置在升降舵上表面适当位置，连接温度控制器，启动加温开关，对升降舵加热至少 32 分钟，使其温度达到 853，并保持至少13 分钟，然后停止加热，撤除加热毯。使用校准好的红外热像仪对停止加热后的下面板立即检查，在 10 分钟之内完成检查。完成下面板检查后，在停止加热后 10 分钟至 20 分钟内立即检查上面板。按照规定的扫查方式检查被检区，扫查间距控制在 200mm，扫查时视线尽可能与被检查表面垂直，红外热像仪距离检测表面 1-2m。上下表面的检查必须在 20 分钟内完成检查，否则应对相关区域应重新加热并实施检查。检测中对发现的积水区域用记号笔进行标记，并在检查结束后将透明塑料薄膜覆盖在检查区域，在薄膜上标记积水区域作为记录的一部分。对于检测结果进行评定，按照程序进行检测，本程序可以发现面积大于等于 120 mm2、含水量大于 10%的蜂窝单元的积水损伤。4、影响检测灵敏度的因素和展望 红外热成像检测灵敏度主要受激励参数、材料特性和外部环境等方面的影响，对检测结果的影响有时较大。因此要关注主要影响因素，如：检测中对存在不能控制的外部热源（如：炉、烤炉、空调出口、白炽灯和运转中的发动机等）区域，不能进行检查；检测环境宜在机库内无风环境中进行等等。红外热成像检测技术的操作简单，图像清晰，可靠性高，工期短，非常容易应用于航空公司航线运行状态的飞机实施在役检查。这项技术不仅对蜂窝结构的积水检查有明显优势，在对复合 4 5材料的脱粘、冲击损伤、分层等缺陷检测也都有实际广阔的应用前景。但在有些实际情况下，因为受到多变量影响，检测的评定需要富有经验的检测人员分析才能做出正确判断，因此人员的培养和标准体系的建立对大力开展红外热成像检测技术有着重要推动作用。早在 1992 年美国无损检测学会就将红外线检测方法列入认证专业，开展了人员资格认证工作，欧美国家已建立起相关的标准体系。而在我国民航系统，红外热成像检测技术尚属于新兴技术，处于起步阶段，还需尽快建立相关的标准、规范，开展相应的人员培训和资格鉴定与认证工作，才能够使红外热成像检测技术在我国民用航空器维修领域得到更广泛的应用。参考文献：参考文献：1（美）赫利尔（Hellier,G.J）编著,戴光译.无损检测与评价手册.北京.中国石化出版社.2006 2 鲍 凯,王俊涛,吴东流.新兴的无损检测技术-红外热波成像检测J.无损检测.2006,28(8);394-408 3 航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册工艺检测.北京.航空工业出版社.1993 4 杨小林,代永朝,李艳红,蒋淑芳.红外热波技术在飞机复合材料损伤检测中的应用J.无损检测.2007,29(4);200-202