新型光束匀化激光红外热成像检测系统及应用

激光红外热成像检测方法具有检测距离远、检测速度快、检测结果可视化等优点,在纤维增强复合材料缺陷检测领域具有广阔的应用前景。为消除由于激光加热不均造成的检测能力较低等问题,本文提出和研究了一种基于衍射分束原理的激光光束整形和匀化方法,在此基础上开发了便携式光纤耦合光束匀化激光红外热成像检测系统,并将其应用于航空碳纤维增强复合材料结构快速检测上的应用研究,计算及实验结果表明该方法及系统大幅提升了激光光束的均匀度,有效消除了由于加热不均造成的背景噪声,提高了缺陷的检出率,可以实现对纤维增强复合材料内部分层脱粘缺陷和冲击损伤等的有效检测。与现有商用红外热成像检测系统相比,所开发系统具有更高的检测性能。

激光扫描红外热波成像的温度场分析

针对激光扫描红外热波成像无损检测技术,重点介绍了其理论基础、检测原理、温度-时间曲线;建立了激光扫描热传导模型,运用傅里叶变换法求出了激光扫描无限厚样品表面温度场分布,并采用镜像热源法得到了激光扫描有限厚样品表面的温度场分布。在此基础上得出,根据材料热导率的不同,当激光的扫描速度达到合适的范围时,样品表面温度-时间曲线基本服从脉冲热激励的一维热传导模型,为激光扫描热波成像技术的发展提供了理论基础。

激光扫描红外热波成像的双层结构温度场

为能准确描述激光扫描红外热波成像中样品表面的温度场特性,建立了高斯分布线型激光扫描热传导模型,导出了高斯分布线型激光扫描无限厚样品表面温度场表达式,得出当激光扫描速度达到合适的范围时,无限厚样品表面温度场基本符合一维热传导模型的结论;采用镜像热源法得到了激光扫描有限厚样品表面温度场表达式。根据热波反射与透射定律得出激光扫描双层结构的温度场数学模型,通过数值计算分析了不同缺陷深度和不同缺陷类型的样品表面温度场,为激光扫描热波成像技术判断缺陷深度和缺陷类型提供了理论基础。

金属增材制造内部缺陷激光热波检测方法研究

金属增材制造是近年来发展迅速的一种高效材料加工技术,为了保障构筑件的质量和可靠性,应避免其内部形成对结构力学性能有显著影响的缺陷。本文研究了激光红外热成像检测技术在金属增材制造亚表面缺陷检测上的应用。首先,基于有限元仿真结果,研究了激光红外热成像检测对不同深度和尺寸的金属亚表面缺陷检测的可靠性,进一步地,考虑了粗糙表面对检测的影响,并对比验证了常用红外热成像序列处理算法的噪声干扰抑制性能;最后,对加工有人工内部缺陷的选择性激光熔融试件进行了实验验证。仿真和实验结果表明,激光红外热成像检测可以可靠地检出宽深比大于1的金属增材制造内部亚表面缺陷,通过常用的热成像序列预处理方法,可以有效地抑制粗糙表面干扰造成的空间噪声,此外,由于激光红外热成像检测技术具备高效、非接触以及可视化的优势,有望成为金属增材制造在线监测的可靠技术。