用于检测高反射率铝合金大曲率加强板倒角区域水平微裂纹的激光斑点扫描热成像技术

《Infrared Physics & Technology》：Laser spot scanning thermography for detecting horizontal microcracks in chamfered regions of high reflectivity aluminum alloy large-curvature stiffened panels

　　

摘要

针对大曲率无涂层高反射铝合金加筋结构上水平微裂纹的激光点扫描热红外检测，裂纹引起的热响应信号微弱且易受结构干扰，如加筋反射、倒角处热积累以及激励位置变化等。为解决上述问题，本文基于大感兴趣区动态最低温度重建（LROI-Dmin）热图重建，提出了一种基于动态规划的特征路径跟踪方法（DP-FPT）。该方法将重建梯度场中的裂纹响应表征为具有方向性和空间连续性的微弱特征路径，通过负梯度代价构造、全局路径优化和特征保持处理，在提取裂纹路径的同时抑制非目标结构响应。实验在一种大曲率无涂层7075铝合金加筋试件上进行，涵盖三种扫描位置和两种激光功率，共六种测试条件。当扫描路径直接经过裂纹区域时，裂纹路径提取率（CPER，定义为在预设容差范围内成功定位的参考裂纹轨迹比例）在30 W和45 W时分别达到95.6%和96.4%。在所有六种实验条件下，DP-FPT的平均信噪比（SNR）为33.52 dB，平均CPER为89.8%，整体优于Otsu、Canny、PCA-K-means和小波方法。结果表明，利用裂纹空间连续性进行路径级特征提取，可有效降低复杂结构背景干扰，提高高反射曲面上微弱水平微裂纹的提取性能。

引言

机翼加固面板、发动机喷管及客舱连接结构等关键承力航空航天部件广泛采用高强度轻质金属材料[1]、[2]。在复杂载荷长期耦合作用、极端温度循环及腐蚀环境等因素影响下，倒角、焊缝及加筋连接处等应力集中区域容易产生微裂纹[3]。尽管此类裂纹在早期阶段扩展速度通常较慢，但其持续演化会加剧局部应力集中、降低材料性能，最终威胁结构完整性和服役可靠性[4]、[5]。因此，复杂金属部件表面微裂纹的早期、快速、准确检测具有重要的工程意义。在现有无损检测技术中，激光红外热像（LIT）通过激光照射提供局部热激励，通过检测裂纹引起的热传导和热扩散扰动来识别缺陷。凭借其非接触操作、高灵敏度、快速检测及直观热响应等特点，LIT特别适合曲面、加筋区域及局部可及性受限的结构。根据激光能量的时空调制方式，代表性方法包括扫描激光热像[6]、飞点激光热像[7]、激光阵列热像[8]、锁相激光热像[9]和脉冲激光热像[10]，在金属微裂纹检测方面展现出相当潜力。

尽管具有上述优势，直接对无涂层航空航天铝合金结构进行LIT检测仍具有挑战性，因为其低发射率和高反射性可能导致激光能量吸收不足、红外反射强烈及热响应不均匀。虽然常使用石墨或黑色涂层来提高表面吸收率，但此类表面处理会改变部件原始状态，因此不适合需要在线检测和保持表面完整性的应用。针对无涂层金属表面，Puthiyaveettil等人[11]研究了热吸收率对裂纹热响应的影响；Weekes等人[12]分析了裂纹尺寸与热像可检测性之间的关系；Chen等人[13]结合主成分分析与K-means聚类以增强热异常提取；Yang等人[14]采用扫描激光热像结合小波自相似分析用于铝合金疲劳微裂纹检测。然而，这些研究主要基于几何相对简单的平面试件。在实际航空航天结构中，存在大曲率表面、加筋、倒角及连接区域，问题会显著复杂化，其中激光入射角变化、局部能量分布差异及热扩散路径变化可能产生持续的非缺陷响应，包括加筋诱导的镜面反射、倒角处热积累及结构边缘效应。由于这些响应可能表现出与真实裂纹相似的灰度、梯度和空间连续性特征，它们可能掩盖微弱裂纹信号，导致路径偏移并引起误识别。尽管Qiu等人[15]证明了激光阵列热像用于曲面裂纹检测的可行性，但所研究的表面以漫反射为主，与无涂层高反射航空航天铝合金结构仍存在显著差异。

近年来，主动红外热像技术在激励优化、多域特征重建、智能识别和定量表征方面取得了进一步发展。Zhou等人[16]研究了线激光宽度对缺陷响应的影响，并结合离散傅里叶变换与主成分分析实现了移动检测过程中的热图重建。Wang等人[17]进一步将自适应帧差与改进的目标检测网络相结合，增强了连续扫描条件下复合材料缺陷的实时识别能力。在金属裂纹定量检测方面，Li等人[18]提出了一种时频域瞬态特征重建（TFFR）方法，该方法提取调频超声诱导热响应的瞬时幅度和相位特征，以减轻横向热扩散和噪声的影响，实现裂纹定量尺寸测量。随后，他们进一步引入多模态算法优化，实现了疲劳裂纹尺寸的定量评估[19]。此外，阵列相控热波衍射断层成像[20]和自适应热波雷达断层成像[21]已实现内部缺陷的三维重建。这些研究在实时检测、缺陷定量化及三维表征方面推动了主动热像技术的显著进步；然而，它们主要针对内部缺陷、超声诱导界面热源或数据驱动分类问题，而非从高反射复杂金属结构中连续提取微弱表面裂纹路径。为更直接地抑制非缺陷热响应，我们此前的研究提出了LROI-Dmin方法[22]，该方法可增强裂纹引起的热异常，同时降低划痕、凹坑及随机温度波动的影响。然而，在大曲率加筋结构中，由加筋反射、倒角热积累及激励位置变化引起的连续异常区域仍可能与裂纹响应重叠。因此，剩余的挑战不仅是增强微弱热异常，更要在强结构热干扰下可靠地区分并连续定位裂纹路径。

为应对上述挑战，本文提出了DP-FPT方法，用于无涂层、高反射、大曲率加筋铝合金结构中的连续微裂纹路径提取。动态规划已广泛应用于路径优化、图像分析和人工智能领域[23]、[24]、[25]、[26]。考虑到裂纹响应在梯度重建场中通常表现为微弱但具有方向性和空间连续性的路径，DP-FPT将裂纹检测建模为连续性约束下的全局路径优化问题。具体而言，该方法构建裂纹候选梯度代价场，综合考虑局部梯度强度、路径连续性及相邻位置间变化，全局搜索最优响应路径。此外，引入特征保持带和方向形态学处理，在保持微弱裂纹特征连续性的同时抑制孤立噪声和非目标结构响应。实验在无涂层、高反射、大曲率加筋铝合金部件上进行，系统评估了DP-FPT在不同激光功率、扫描位置及结构干扰条件下的CPER、定位误差、SNR和抗干扰能力。本研究因此为复杂结构干扰下无涂层、高反射、大曲率加筋铝合金结构中微弱水平裂纹相关热响应的连续提取提供了实验依据。

章节摘要

试件制备

试件结构如图1(a)所示，由九块曲率相同的7075铝合金块精确装配而成。7075铝合金具有高比强度，广泛应用于航空航天承力结构。为在大曲率加筋结构表面构建模拟水平微裂纹缺陷，相邻铝合金块叠合接触面进行了抛光处理，并微调块体的相对位置，从而

材料与结构特性的干扰

在对带有十字形加筋的大曲率铝合金部件进行水平微裂纹热像检测时，热响应信号受到多种复杂干扰因素的影响，增加了从热图中准确识别和提取真实裂纹特征的难度。图6展示了检测过程中获取的代表性局部原始热图，而图7则呈现了时间序列的重建结果。

结论

为应对无涂层、高反射大曲率铝合金加筋结构水平微裂纹检测中由加筋反射、倒角区域热积累及激励位置漂移引起的结构干扰，本研究基于LROI-Dmin热图重建提出了DP-FPT方法。基于实验分析与不同特征提取方法的对比，得出以下结论：

• (1)

CRediT作者贡献声明

王慧鹏：撰写——审阅与编辑。孔鹏飞：撰写——原稿撰写。李世生：调查研究。董礼宏：撰写——审阅与编辑。孔伟城：调查研究。刘会忠：形式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（NSFC，批准号52175206、52130509）的资助。

王慧鹏|孔鹏飞|李世生|董礼宏|孔伟城|刘会忠

江西理工大学机电工程学院，江西赣州 341000，中国