Инфракрасный неразрушающий контроль материалов

Активная термография — это усовершенствованная процедура неразрушающего контроля , в которой используется термографическое измерение тепловой реакции испытуемого материала после его внешнего возбуждения. Этот принцип можно использовать и для бесконтактного инфракрасного неразрушающего контроля (IRNDT) материалов .

ИРНДТ Метод основан на возбуждении испытуемого материала внешним источником, который сообщает материалу некоторую энергию. галогенные лампы , лампы-вспышки , ультразвуковой рупор В качестве источника возбуждения для ИРНДТ могут использоваться или другие источники. Возбуждение вызывает тепловую реакцию испытуемого материала, которая измеряется инфракрасной камерой . Можно получить информацию о поверхностных и подповерхностных дефектах или неоднородностях материала, используя подходящую комбинацию источника возбуждения, процедуры возбуждения, инфракрасной камеры и метода оценки.

Современные термографические системы с высокоскоростными и высокочувствительными ИК-камерами расширяют возможности метода контроля. Модульность систем позволяет использовать их для исследований и разработок, а также в современных промышленных производственных линиях .

Тепловизионный неразрушающий контроль компонентов может проводиться на широком спектре различных материалов. Термографический контроль материала можно рассматривать как метод инфракрасной дефектоскопии, способный выявить недостатки материала, такие как трещины, дефекты, пустоты, каверны и другие неоднородности. Термографические испытания отдельных компонентов могут проводиться в лаборатории или непосредственно на находящихся в эксплуатации технологических объектах.

Введение в инфракрасную термографию

Инфракрасная (ИК) термография метод анализа, основанный на обнаружении излучения в ИК-части электромагнитного спектра . Согласно закону излучения черного тела , все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают ИК-излучение. Устройство, обнаруживающее и создающее двухмерное изображение ИК-излучения, обычно называется ИК-камерой или термографической камерой, также называемой инфракрасной камерой. Результатом термографической записи является изображение или последовательность, соответствующая интенсивности теплового излучения записываемого объекта. Запись называется термограммой . Интенсивность теплового излучения объекта напрямую связана с температурой объекта. Таким образом, термограмма представляет собой изображение распределения температуры на поверхности объекта. ИК-термография в большинстве случаев используется для бесконтактного измерения пространственного и временного распределения температурных полей.

Схема принципов и факторов, влияющих на термографические измерения.

Характеристики

ИК-термография имеет ряд преимуществ – это бесконтактное измерение, она захватывает область (аналогично классической видеокамере в видимом спектре ) или позволяет измерять движущиеся или вращающиеся объекты, даже если объекты имеют очень высокую температуру. Однако интенсивность ИК-излучения, регистрируемая инфракрасной камерой, не зависит только от температуры измеряемого объекта.

Основным недостатком ИК-термографии является то, что на результат влияет ряд факторов, таких как термооптические свойства объекта ( излучательная способность , пропускаемость , отражательная способность ), температура окружающей среды, свойства окружающей среды и т. д. Знание оптических свойств измеряемого объекта имеет основополагающее значение для точного измерения температуры. Определение этих свойств зачастую является сложной задачей и требует как опыта, так и соответствующего оборудования.

Классификация

Термографию можно разделить на качественную и количественную, пассивную и активную. Качественная термография обычно не требует точного измерения температуры. Он оценивает только разницу температур между отдельными компонентами, между разными пятнами на одном и том же объекте или между измеряемым объектом и фоном. Качественная термография имеет множество важных применений, например, диагностика тепловых утечек, диагностика тепловых компонентов , поиск людей или в медицине. Напротив, целью количественной термографии является точное измерение температуры проверяемых объектов. В этом случае существенное значение имеет знание термооптических свойств измеряемых объектов. Кроме того, термооптические свойства часто зависят от температуры, а также необходимо учитывать влияние окружающей среды.

Важные применения количественной термографии включают мониторинг температуры во время термической обработки или определение тепловых граничных условий для численного моделирования тепловых процессов.

Как качественный , так и количественный подходы могут применяться с точки зрения пассивной или активной термографии. Если при его измерении на температуру объекта не воздействуют искусственно, ее называют пассивной термографией. Если к измеряемому объекту приложено искусственное возбуждение с помощью внешнего источника, это называется активной термографией. Внешнее возбуждение вызывает температурные контрасты, связанные с появлением неоднородностей или дефектов материала, или может быть использовано для идентификации свойств материала. Активная термография является важным методом обнаружения дефектов материалов, так называемым инфракрасным неразрушающим контролем (IRNDT). Активную термографию можно также применять для определения теплофизических свойств материалов.

Инфракрасный неразрушающий контроль (ИРНДТ)

Активная термография

Схема принципа активной термографии.

Активная термография использует внешний источник для возбуждения измеряемого объекта, что означает введение энергии в объект. Источники возбуждения можно классифицировать по принципам:

• поглощение оптического излучения или микроволн,
• электромагнитная индукция ,
• преобразование упругих волн (например, ультразвука),
• конвекция (например, горячий воздух),
• пластическое деформационное превращение (термопластический эффект при механическом нагружении).

Для активной термографии и неразрушающего контроля могут использоваться различные источники возбуждения, например, лазерный нагрев, лампы-вспышки, галогенные лампы, электрический нагрев , ультразвуковой рупор , вихревые токи , микроволны и другие. Измеряемый объект может быть нагрет напрямую внешним источником, например, галогенными лампами или горячим воздухом. Неоднородности или дефекты материала вызывают искажение температурного поля. Это искажение обнаруживается по разнице температур на поверхности материала. Другая возможность — использование теплофизических процессов в материале, когда механическая или электрическая энергия преобразуется в тепловую за счет дефектов и неоднородностей . Он создает локальные источники температуры, которые вызывают перепады температур, обнаруживаемые на поверхности объекта инфракрасными методами. Так обстоит дело, при ультразвуковом например, возбуждении.

Методы ИРНДТ

Разработано множество методов активной термографии для оценки измерений неразрушающего контроля. Выбор методов оценки зависит от применения, используемого источника возбуждения и типа возбуждения (импульсное, периодическое, непрерывное). В простейшем случае ответ виден непосредственно из термограммы. Однако в большинстве случаев необходимо использовать передовые методы анализа. Наиболее распространенные методы включают методы оценки блокировки, импульса или переходного процесса (ступенчатая термография). В некоторых случаях также можно использовать непрерывное возбуждение.

• Синхронная термография (метод периодического возбуждения). периодический модулированный Для возбуждения используется источник. Фазовый и амплитудный сдвиг измеряемого сигнала оцениваются, и анализ может выполняться различными методами. Подходящими источниками возбуждения являются галогенные лампы, светодиодные лампы , ультразвуковое возбуждение или электрический ток. Его преимущество заключается в том, что его можно использовать на больших поверхностях, а также он передает низкую тепловую энергию на контролируемую деталь. Недостатком является более длительное время измерения и зависимость возможностей обнаружения от геометрической ориентации дефектов (за исключением непрямого возбуждения, например ультразвука). Метод Lock-In подходит для испытаний компонентов с низкой температуропроводностью и имеет множество модификаций для различных конкретных приложений (таких как Lock-In Ref, Lock-In Online и т. д.).
• Импульсная термография (импульсный метод). очень короткий импульс – обычно в миллисекундах . Для возбуждения объекта используется Затем анализируется процесс охлаждения. В качестве источника возбуждения обычно используется лампа-вспышка. Преимуществом этого метода является скорость анализа и возможность оценить глубину дефектов. Недостатком является ограниченная глубина анализа, ограниченная область контроля (с учетом полезной мощности источников возбуждения) и зависимость возможностей обнаружения от геометрической ориентации дефектов.
• Переходная термография (ступенчатая термография, термоволновой метод). В принципе, возбуждение и оценка аналогичны импульсной термографии, однако длина импульса значительно больше. Требуются менее мощные источники возбуждения по сравнению с импульсной термографией. Таким образом, можно анализировать большие площади, а время измерения короче, чем в случае термографии с фиксированием. Как и в импульсной термографии, чувствительность метода ограничена геометрической ориентацией дефектов. Галогенные лампы являются подходящим источником возбуждения для такого типа оценки.
• Постоянное возбуждение. Самый простой метод, используемый только в специальных приложениях.

Для приложений IRNDT обычно используется высокоскоростная охлаждаемая инфракрасная камера с высокой чувствительностью. Однако неохлаждаемая болометрическая инфракрасная камера может использоваться для конкретных целей. Это может значительно снизить затраты на приобретение измерительной системы.

Системы ИК-неразрушающего контроля обычно являются модульными. Это означает, что различные источники возбуждения могут комбинироваться с различными инфракрасными камерами и различными методами оценки в зависимости от применения, испытуемого материала, требований ко времени измерения, размера контролируемой зоны и т. д. Модульность позволяет универсально использовать систему для различных промышленных, научных и исследовательские приложения.

Примеры применения

Метод ИРНДТ (инфракрасный неразрушающий контроль) пригоден для обнаружения и контроля трещин, дефектов, полостей, пустот и неоднородностей в материале, также метод можно использовать для контроля сварных соединений металлических и пластмассовых деталей, контроля солнечных элементы и солнечные панели , определение внутренней структуры материала и т. д.

Основным преимуществом метода IRNDT является доступность контроля различных материалов в широком спектре промышленных и исследовательских приложений. Измерение IRNDT является быстрым, неразрушающим и бесконтактным. Ограничивающим условием для метода ИРНДТ является глубина контроля в сочетании с размером и ориентацией дефекта/трещины/неоднородности материала.

Импульсный IRNDT-анализ демонстрационного образца

Демонстрация испытанного образца и результатов анализа IRNDT.

Демонстрационный и калибровочный образец изготовлен из углеволоконно- эпоксидного композита. На одной стороне расположены шесть отверстий разной глубины для имитации дефектов на разной глубине в диапазоне от 1 до 4 мм под поверхностью. Анализ IRNDT выполняется с плоской стороны.

Результаты импульсно-вспышечного анализа показывают, что дыры появляются в разные временные рамки оценки – в зависимости от их глубины. Таким образом, импульсно-вспышечный анализ позволяет не только обнаружить наличие дефектов, но и определить их глубину под поверхностью, если известна температуропроводность образца.

Проверка пластиковых деталей, сваренных лазером

IRNDT-анализ сваренной лазером пластиковой детали с дефектным сварным швом и с правильным сварным швом.

Лазерная сварка пластмасс — прогрессивная технология соединения материалов с различными оптическими свойствами. Классические методы контроля качества сварки и качества сварных соединений, такие как металлографический микроскопический анализ реза или рентгеновская томография , не подходят для рутинных измерений. Импульсный IRNDT-анализ во многих случаях можно успешно использовать для контроля сварных швов.

На изображениях показан пример контроля пластиковых деталей с дефектным сварным швом и с правильным сварным швом. Зазоры в дефектном сварном шве и правильная непрерывная линия сварного шва хорошо видны в результатах импульсно-импульсного анализа ИРНДТ.

Контроль лазерных сварных соединений

Оценка IRNDT с указанием дефектов сварного шва и правильности сварного шва внахлестку.

Лазерная сварка – это современная технология сварки плавлением . В настоящее время находит свое широкое применение не только в области научных исследований, но и внедряется в различных отраслях промышленности. Среди наиболее частых пользователей – автомобильная промышленность , которая благодаря своим стабильным постоянным инновациям позволяет быстро внедрять передовые технологии в свое производство. Очевидно, что лазерная сварка значительно расширяет возможности инженерных разработок и позволяет создать ряд новых изделий, которые ранее невозможно было изготовить традиционными методами.

Лазерная сварка позволяет получать качественные сварные швы разных типов, как очень тонких, так и толстых заготовок. Свариваемыми являются обычные углеродистые стали , нержавеющие стали , алюминий и его сплавы, медь , титан и, наконец, что не менее важно, специальные материалы и их комбинации.

Неотъемлемой частью производства сварных изделий является контроль качества . В отличие от традиционных методов неразрушающего контроля, ИРНДТ применяется не только после процесса лазерной сварки, но и во время него. Это позволяет в процессе производства решить, соответствует ли сварная деталь установленным критериям качества.

Внешние ссылки

• Активная термография и ИК неразрушающий контроль , Западночешский университет, Центр новых технологий, кафедра «Термомеханика технологических процессов»