红外热像检测对工业焊接接头内部缺陷的热分布特征分析

红外热像检测是工业领域非接触式识别焊接接头内部缺陷的核心技术，其通过捕捉表面热分布异常反推内部缺陷状态。焊接接头（母材、焊缝、热影响区）的内部缺陷（如气孔、裂纹、未熔合）是工业设备失效的主要诱因，而热分布特征是缺陷与周围材料热导率差异的直接体现——缺陷会破坏热流连续性，导致表面出现温度异常。因此，分析不同缺陷的热分布特征，是实现缺陷精准识别与定量评估的关键，对保障压力容器、管道等设备的运行安全具有重要实用价值。

焊接接头内部缺陷类型及热传导基础

工业焊接接头的内部缺陷多源于工艺偏差，常见类型包括：气孔（内部圆形空洞，由焊接时气体未逸出形成）、裂纹（线性不连续，因应力或脆化产生）、未熔合（母材与焊缝未结合，热输入不足导致）、夹渣（非金属夹杂物，如氧化物残留）。这些缺陷的共同特点是破坏了材料的连续性，改变热传导路径。

焊接接头的热传导遵循傅里叶定律，热流密度与温度梯度、材料热导率正相关。由于母材、焊缝、热影响区的热导率差异（如低碳钢45W/(m·K)、不锈钢15W/(m·K)），正常区域热流均匀扩散；而缺陷（如气孔的空气热导率0.026W/(m·K)）的热阻远高于金属，会导致热流“受阻”，最终在表面形成温度异常——这是红外检测的核心逻辑。

气孔缺陷的热分布特征

气孔是最常见的内部缺陷，其热分布特征为“圆形热斑”：主动加热时（如卤素灯），气孔处热阻大，热量无法扩散，表面对应区域温度高于周围（如低碳钢中1mm深、5mm直径的气孔，温度差可达10℃）。

气孔的大小、深度直接影响热斑形态：直径越大，热斑面积越广（5mm气孔对应8-10mm热斑）；深度越深，温度差越小（深度从1mm增至5mm，温度差从10℃降至2-3℃）。多个相邻气孔会形成联合热斑，温度差更大，更容易识别。

裂纹缺陷的热分布特征

裂纹是危害性最大的缺陷，热分布特征为“线性热异常带”。因裂纹是线性空气间隙，热流沿裂纹方向被完全阻挡，表面出现沿裂纹延伸的线性高温区——横向裂纹（垂直热流）的温度差可达15℃，纵向裂纹（平行热流）约5-8℃。

裂纹长度越长，线性热斑越明显；深度越深，温度差越小。闭合裂纹（未开口）的热分布与开口裂纹无差异，因内部空气仍形成高阻热区。裂纹分支会导致热斑“分叉”，这是区分裂纹与表面划痕的关键（划痕热斑仅在表面，裂纹热斑随时间向内部延伸）。

未熔合缺陷的热分布特征

未熔合是面状缺陷（母材与焊缝未结合），热分布特征为“片状热斑”。例如坡口根部未熔合会在焊缝中心形成沿坡口走向的片状高温区，层间未熔合则在焊缝中部形成平行于焊缝的热斑——因面状空气间隙的热阻大，热量积聚形成大面积高温区。

未熔合面积越大，热斑范围越广（10mm×5mm未熔合对应15mm×8mm热斑）；位置越浅（如1mm深），温度差越大（12℃），深度增至5mm时温度差降至3-4℃。半熔合（部分结合）的温度差更小，因部分热流可通过结合处传递。

夹渣缺陷的热分布特征

夹渣是非金属夹杂物（如二氧化硅、硫化锰），热导率（1-5W/(m·K)）高于空气但低于金属，因此热异常较弱。热斑呈“不规则斑块”，温度差2-5℃（低碳钢为例）。

大夹渣（＞3mm）的热斑明显，小夹渣（＜1mm）需高分辨率热像仪（像素间距≤17μm）才能检测。夹渣成分也影响热分布：二氧化硅（1.4W/(m·K)）的热阻比硫化锰（5W/(m·K)）大，温度差更大。夹渣常与气孔伴生，热斑呈“不规则斑块+圆形热斑”的复合特征。

影响热分布特征的关键因素

热分布特征受多因素影响，重点关注四点：

其一，缺陷取向：裂纹垂直热流时热阻最大，温度差最大；平行热流时热阻最小，温度差最小。球形气孔的热斑更圆，椭圆形气孔的热斑更扁。

其二，材料属性：不锈钢与碳钢焊接时，焊缝热导率（15W/(m·K)）远低于母材（45W/(m·K)），焊缝中气孔的温度差比碳钢焊缝大2-3倍。

其三，检测条件：脉冲加热早期（1-5s）反映表面缺陷，后期（10-30s）反映内部缺陷；连续加热时热斑逐渐扩大，温度差持续增加。加热功率过大易导致材料变形，过小则温度差不足。

其四，环境因素：环境温度＞30℃会增加背景噪声，风速＞2m/s会加速散热，温度差减小50%以上。现场检测需用保温罩、防风屏减少干扰。

热分布特征与缺陷定量关联的方法

要实现缺陷定量评估，需建立热分布与缺陷参数的关联，常用方法包括：

温度差阈值法：采集正常区域温度，设定阈值μ+3σ（99.7%置信区间），超过阈值的区域为缺陷。通过实验建立经验公式ΔT=k×(A/d)（k为材料常数，低碳钢k≈0.8），如ΔT=5℃、d=2mm时，A=12.5mm²。

热像序列分析：记录加热后0-60s的热像，分析热响应曲线——气孔曲线“上升快、下降慢”，裂纹曲线“线性升降”，未熔合曲线“快速上升、缓慢下降”。通过曲线峰值温度、上升时间估算深度（上升时间越长，深度越深）。

数值模拟法：用有限元软件（ANSYS）建立热传导模型，模拟不同缺陷的热分布。如模拟气孔深度1-10mm的热分布，得到ΔT=20×exp(-d/2)，当ΔT=5℃时，d≈2.77mm，误差＜5%。