棒材表面红外探伤技术.pdf

棒材表面红外探伤技术 1 红外探伤原理 红外探伤是利用物体辐射红外线的特点来发现缺陷的一种无损检测技术。红外线是 波长介于微波与可见光之间的电磁波，其波长在0.75～1000μm 之间，是波长比可见光 长的非可见光。任何物体只要其温度高于绝对零度（-273.15℃）都会辐射出红外线。物 体表面单位面积上的红外辐射强度 W 由斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述： W=εσT4 式中T 为绝对温度，σ 为黑体辐射常数，ε 为比辐射率。ε=1 的物体叫黑体，一般物体的 ε在0 与1 之间。斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了物体红外辐射强度随表面温度的变化规律， 它表明，物体的温度越高，红外辐射强度就越大。 物体向外界空间辐射红外线的原因是物体的分子热运动，物体的温度越高，分子热 运动越剧烈，辐射出的红外线强度也越大。我们知道，凡是存在温差的地方，就有热能 自发地从高温向低温传递。所以，当物体自身各处温度不同或与环境温度不同时，即会 发生热量的传递。由于材料或结构的不同，这种热量的转移会在物体表面形成温度不同 的区域。表面温度不均匀的区域分布称为表面温度场。 表面温度场的分布会受到物体表面状态的影响。当物体表面存在缺陷（如裂纹等） 时，由于缺陷会阻碍热能传播，造成局部的热量积累，所以缺陷部位的表面温度比无缺 陷处高。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体表面各处的红外辐射强度决定于该处温度的 高低，所以缺陷处的红外辐射较强。由此可见，物体辐射的红外线带有物体表面是否存 在缺陷的信息。利用红外线传感器采集物体表面温度场的分布状态，就能达到探测缺陷 的目的。 然而，对于金属棒材而言，在长期放置于常温环境下其表面温度场将趋于均匀，这 样，利用测量红外辐射的差异就难于发现棒材表面的缺陷。为了解决这个问题，棒材的 [2] 红外探伤需要采用外部热源主动加热棒材 ，注入的热量会使表面缺陷处的局部温度明 显改变，通过记录表面温度场的分布即可判知缺陷的存在。在实际的棒材表面红外探伤 中，是采用电磁感应的方法，通过在棒材表面感生涡流产生热量来进行加热的，如图1 所示。 在利用（高频）电磁感应加热棒材表面的过程中，不同缺陷引起的温升是不一样的， 根据测量红外辐射强度的变化特征，可以判断出缺陷的深度、大小和形状，并准确地识 别出缺陷的位置。这就是棒材红外热探伤的机理。 图1 棒材表面红外探伤原理 将有缺陷处的最高温度Tmax与无缺陷区的平均温度T之差，定义为最大表面温差ΔT， 即： ΔT =Tmax －T 最大表面温差反映了红外探伤的可能性，只有最大表面温差大于红外换能器的温度分辨 率时，才能被检测出来。将有缺陷处的最大表面温差ΔT与无缺陷区平均温度T的比值的 百分数定义为最佳检测灵敏度A ，即： T A  100% T 最佳检测灵敏度反映了缺陷红外热辐射的衬度，最佳检测灵敏度越高对缺陷的分辨能力 越强。最大表面温差和最佳检测灵敏度是反映红外探伤的二个重要指标。 2 棒材表面红外探伤方法 在进行棒材表面红外探伤时，需要对棒材实施表面预湿、感应加热、红外扫描、缺 陷识别、缺陷标识、分类收集等一系列过程。棒材表面红外探伤的工艺流程如图2 所示。 图2 棒材表面红外探伤工艺流程 表面预湿：在棒材表面均匀喷洒一层厚度约20μm～40μm 的水膜，其的目在于避免 红外线在棒材表面产生折射，以及减小棒材表面无缺陷区域的红外辐射差异。 感应加热：在感应线圈中通入高频电流，利用电磁感应作用在棒材表面的趋肤层中 感生涡流，涡流的焦耳热使棒材表面温度快速升高10℃～15℃，进而起到凸显出缺陷与 非缺陷温度异常的作用。 红外扫描：用红外扫描器接收来自棒材表面的红外线辐射场，并将红外光信号转化 为电压信号，进而描绘出棒材表面温度场的分布。对于圆钢棒材，需要 3 台互成 120° 布置的红外