文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

涡流热成像检测技术是一种无损检测技术，它通过探测和分析金属工件表面的温度分布来判断工件表面是否存在缺陷。

在焊缝表面缺陷检测中，涡流热成像技术被广泛用于检测焊缝中存在的缺陷，如裂纹、未焊透、气孔等。涡流热成像技术可以实现对焊缝表面的快速检测，对检测过程中产生的热干扰不敏感，因此适合于无损检测。

本文对涡流热成像技术的原理和基本过程进行了分析，在此基础上通过建立实验模型，研究了涡流红外热成像检测焊缝表面缺陷的可行性。

在研究中，首先分析了涡流红外热成像系统的组成及工作原理；然后，设计了一种用于焊缝表面缺陷检测的涡流红外热成像系统。

热成像原理

涡流红外热成像检测技术是将一束连续的电流脉冲在被测物体表面以一定的速度扫描，物体表面将产生温度变化。

当物体表面的温度随时间变化时，热成像系统利用传感器接收红外辐射能量，经过红外探测器转换为电信号，最终由微处理器将电信号放大后驱动图像采集卡和计算机进行图像处理，得到被测物体表面温度分布的图像。

热像仪是由电子元器件组成的一种检测仪器，它可把被测物体的温度场转换为电信号输入微处理器，并通过信号处理系统进行放大、滤波、整形等处理，然后将信号传送给CCD摄像机。

CCD摄像机把从温度传感器上接收到的微弱温度场转换成电信号，送入数字信号处理器进行处理，并根据CCD摄像机输出的视频信号处理结果输出相应的视频信号。

由于被测物体表面温度场分布与其内部热辐射之间存在差异，因此，CCD摄像机把从温度传感器上接收到的热辐射转换为电信号，经数字处理后输出视频信号。

热像仪可检测与其工作温度有关的各种因素，如被测物体的种类、形状、尺寸、工作环境、工作状态等。

它能自动地分辨出不同表面上不同类型和程度的缺陷和异常情况，并能对其进行分类。因此可以通过分析热像仪输出的热像图来判断被测物体内部是否存在缺陷或异常情况。

热像仪所获取的热图像包含了物体表面温度场分布信息，而红外热成像技术所获取的热图像包含了被测物体表面和内部的全部信息，因此通过对热图像进行处理可以获得被测物体内部和表面不同位置缺陷和异常情况。

涡流红外热成像检测技术是将一束连续的电流脉冲通过被测物体，形成涡流场，并在被测物体上形成涡流磁场；

当电流脉冲流过被测物体时，会在其表面产生感应电动势，在磁芯中产生交变磁场；由于金属材料具有良好的热传导性能，当涡流磁场经过金属材料时，会在其表面形成交变磁场；由于金属材料的磁导率不同，所以涡流磁场的分布也会有所不同。

通过对检测对象表面上的热图像进行分析处理可以获得其温度场分布、内部缺陷和异常情况等信息，并对其进行分类识别。因此涡流红外热成像检测技术在对金属材料进行无损检测中具有非常大的优势。

涡流红外热成像检测技术原理

涡流红外热成像技术的基本原理是利用物体在非热状态下所发射的红外辐射能，通过扫描热源来实现对物体表面的热传导特性、温度分布以及缺陷信息等物理量的检测，从而获得物体表面或近表面区域的温度场分布情况。

当被检测物体的表面存在缺陷时，由于缺陷引起的局部或整体升温，产生了热量向四周传递，致使周围空间温度发生变化，从而形成了温度场分布。

这种从热红外热像中分析出的温度场分布状态与缺陷形貌、尺寸、分布等参数有关。对于各种形状、大小和尺寸各异的缺陷，检测时只要知道缺陷的位置和形状尺寸即可实现自动检测。

由于涡流红外热像仪采用了独特的电路设计，具有较强的抗电磁干扰能力。因此，它可以通过干扰源进行判断，能够较好地避免金属材料中由于电磁耦合引起的干扰，且具有较强的抗干扰能力。

涡流红外热像仪采用了先进的图像处理技术，在软件上实现了缺陷与非缺陷区域之间图像对比、对比度调节、显示控制等功能。

当被检测物体表面存在有裂纹、孔洞、未焊透等缺陷时，被检测物体表面将会产生涡流现象。由于这些缺陷在涡流加热下，其内部将会产生热应力，从而使其表面产生热膨胀和收缩现象。

当这些热膨胀和收缩达到一定程度后，就会导致被检测物体表面与非被检测物体表面之间出现温差，并在此基础上形成温度场分布。通过对不同位置处的温差进行分析、比较和处理后，就可以得到被检测物体表面和非被检测物体表面之间温度场分布情况。

红外图像的缺陷特征

涡流红外热像仪是利用热源在物体表面的温度分布来识别缺陷的，由于焊缝表面与外界环境存在热交换，导致其表面温度分布发生变化，不同的缺陷其热传导方式也不相同，因此会导致热传导产生差异，通过分析红外热像仪的检测数据，可以对缺陷进行初步判定。

焊缝表面缺陷主要有以下几种：

气孔：气孔是由于焊接时由于高温和焊接压力造成焊缝内部气体析出，从而产生气孔。由于气孔处热量难以快速散出，因此在检测过程中可能会造成焊缝表面温度升高。当气孔位置与焊缝边缘重叠时，可能会造成漏检。

夹渣：焊缝中的夹渣是指在焊接时由于未熔合或未焊透而没有被熔化的金属，这类缺陷的形态多种多样，可以是柱状、块状、条状等，也可以是颗粒状、粉状等。

未焊透：未焊透是指在焊接时由于焊接参数不合适导致未焊透的现象。如果缺陷较小且位于焊缝边缘的话，可以通过人工打磨去除；如果缺陷较大且位于焊缝中心，则需要使用电弧或电弧压力将其去除。

焊瘤：焊瘤是指焊接时在焊缝两侧形成的像“牛角”一样的凸起，一般情况下，焊瘤位置处于焊缝表面最厚处（此处最易产生裂纹）。如果焊瘤出现在焊缝中心位置时，可以通过手工打磨去除。

裂纹：裂纹是指焊接时由于材料不合适、焊接工艺不恰当或者焊接参数不合适等原因造成的金属材料断裂。常见的裂纹形式有两种：纵向裂纹和横向裂纹。根据裂纹的不同形态可以分为：垂直于焊缝方向和平行于焊缝方向上的两种。

缺陷的定量识别

缺陷面积的确定：根据缺陷尺寸的大小，我们可以估算出缺陷的面积，然后根据面积可以大致估算出缺陷的深度。

缺陷深度的确定：如果缺陷大小相同，我们可以通过测量缺陷在焊缝上的深度，来估算出缺陷的深度。

对热图像进行分析：因为焊缝表面的温度变化不是均匀的，因此在扫描过程中可能会出现不同程度的温度波动。对于存在缺陷的地方，热成像信号会发生突变，这种变化对深度预测具有很大影响。

在分析时应注意：如有多个缺陷，我们可以将所有缺陷作为一个整体来分析。因为它们之间存在一定程度的相似性，因此可以通过检测它们来识别这些缺陷。

缺陷表面与环境之间存在温差：有些人认为当温度差异较大时，图像中存在过多的噪声。然而，我们不能忽视它们之间存在温差这一事实。

如果温度差异非常大，则焊缝表面可能会有更多的热量损失，而这些热量损失可能是由于表面温度较高引起的。因此，我们可以通过测量和比较不同部位之间温差来识别和分离这些缺陷。

测量值：在扫描过程中我们可以观察到温差或温度梯度等特征参数。当温差或温度梯度很大时，我们可以检测到这些参数的变化，进而判断有无缺陷。

将不同时刻的温差与不同时刻的温度梯度进行比较：当温差较小时（如在很小范围内），我们可以通过比较不同时刻传感器测量值来判断有无缺陷；当温差较大时（如在很大范围内），我们可以通过比较不同时刻传感器测量值来判断有无缺陷。

应用前景及发展趋势

在工业生产过程中，由于各种原因，焊缝表面难免会出现各种缺陷，其中缺陷的大小和形状是影响其质量的重要因素，对焊缝表面缺陷进行检测有助于提高产品质量和降低成本。

涡流红外热成像技术是一种非接触式检测方法，可对结构中的各种缺陷进行快速检测和定量识别，特别适合于焊缝表面缺陷的检测。

涡流红外热成像技术具有非接触、快速、准确和无损等优点，在焊缝表面缺陷检测中具有广阔的应用前景。然而，由于涡流红外热成像技术对红外辐射功率的要求很高，且存在复杂的干扰因素影响，因而在实际应用中仍存在一些问题需要解决。

涡流红外热成像技术的关键技术包括：对被测区域进行合理的几何建模、合理选择激励频率、合理选择探头布置方式和合理设计检测系统。为克服噪声干扰和环境影响，需对采集到的图像进行降噪处理；为了提高检测精度和准确度，还需对缺陷信息进行特征提取。

为了克服涡流红外热成像技术在焊缝表面缺陷检测中存在的问题，提高涡流红外热成像技术在焊缝表面缺陷检测中的应用效果，需深入研究涡流红外热成像技术在焊缝表面缺陷检测中应用中存在的问题，并提出相应解决方法。

笔者观点

本文主要研究了基于涡流红外热成像技术的焊缝表面缺陷检测方法，主要分析了涡流红外热成像检测技术的基本原理；

对基于涡流红外热成像技术的焊缝表面缺陷检测方法进行了系统地阐述和分析，研究了涡流红外热成像检测技术在焊缝表面缺陷检测中的应用，对基于涡流红外热成像技术的焊缝表面缺陷检测方法进行了总结和展望，主要得出以下结论：

通过研究发现，基于涡流红外热成像技术的焊缝表面缺陷检测方法是有效的、可行的；基于涡流红外热成像技术对焊缝表面缺陷进行检测，可实现焊缝表面缺陷的有效识别和定量，可用于实际工程应用。

参考文献

1.刘艳平：基于涡流红外热像仪的焊缝表面缺陷检测技术研究。《石油化工》，(4)：81-87。

2.赵学进：试件表面缺陷对涡流红外热成像检测的影响分析，《中国物理学报》，,47(3)：-.

3.朱培敏。基于涡流红外热像检测技术的不锈钢无缝管道缺陷检测。《中国科学》，,15(2)：65-70。

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