張旭剛，張素香，程 旭，王 玨

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 100085）

常規(guī)的超聲波檢測，其一次波檢測區(qū)域小、效率低、勞動強(qiáng)度大，特別是飛機(jī)外場原位檢測時，不僅實施困難，結(jié)果可靠性差，且對飛機(jī)蒙皮漆及表面重要功能涂層的損傷較大。因此，開發(fā)一種高效的非接觸式無損檢測技術(shù)變得尤為重要。

激光剪切散斑技術(shù)是通過測量物體表面變形信息而獲得物體內(nèi)部不連續(xù)信息的一種數(shù)字光學(xué)干涉技術(shù)［1］，具有非接觸、全場、實時、快速檢測等特點；且檢測靈敏度高、受環(huán)境因素（振動、光線）影響小、加載形式靈活多樣（熱加載、真空加載、聲加載、振動加載等），特別適合飛機(jī)復(fù)合材料制件的外場原位無損檢測。因而，近年來得到了大量的關(guān)注［2－7］，并在蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷檢測的理論研究和工程化應(yīng)用研究方面取得了較大的發(fā)展。

筆者采用熱加載激光剪切散斑檢測系統(tǒng)，對一組預(yù)埋有不同尺寸和不同深度人工缺陷的復(fù)合材料層壓板進(jìn)行了LSS檢測能力的試驗。結(jié)果表明，當(dāng)層壓板中的缺陷埋深超過一定值或缺陷減小到一定程度時，熱加載下的激光剪切散斑技術(shù)檢測靈敏度急劇下降，甚至無法檢測；但仍然可以以足夠的靈敏度和精度檢測出層壓結(jié)構(gòu)試塊中按復(fù)合材料試塊制作標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定大小和埋深的人工缺陷。

1 激光剪切散斑檢測技術(shù)原理

激光經(jīng)分束后照射在物體表面，反射光經(jīng)過方棱鏡產(chǎn)生反射和透射，反射光和透射光分別通過反射鏡M1和位錯鏡M2反射后到達(dá)攝像頭平面；由于M2有一定的偏折角，所以在攝像頭上會產(chǎn)生兩個剪切像，這兩個剪切像將在攝像頭平面相互干涉形成散斑干涉圖像，如圖1所示。

圖1 激光剪切散斑干涉成像技術(shù)原理

當(dāng)物體表面由于加載而產(chǎn)生變形時，變形前后的兩幅散斑干涉圖像被CCD接收，并經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行相減運算（即第二幅散斑圖的光強(qiáng)減去第一幅散斑圖對應(yīng)點的光強(qiáng)），得到一幅反映物體表面在觀察方向（離面方向）上的位移偏導(dǎo)數(shù)的干涉條紋圖。

根據(jù)特征條紋即可獲得被檢物體的缺陷大小等信息。

式中：U（x，y）為物體表面光波幅度分布函數(shù)；α（x，y）為物體表面光波入射角；θ（x，y）為光波相位角。

假設(shè)剪切方向為x方向，剪切量為δx，則剪切圖像的復(fù)振幅可表示為：

兩個像疊加的結(jié)果為：

其光強(qiáng)和相位分別為：

當(dāng)物體因加載而產(chǎn)生形變后，散斑場將形成一個相位變化φx，變形后的光強(qiáng)為：

用變形前后兩幅散斑圖像相減得到的合成光強(qiáng)為：

這種相減的方式把本底光強(qiáng)或背景光強(qiáng)剔除，突出了由于變形引起的相位變化φx所產(chǎn)生的結(jié)果，因而可直接獲取形變位移的偏導(dǎo)數(shù)信息，進(jìn)而獲取物體內(nèi)部缺陷信息。

2 試驗對象及設(shè)備

2.1 試驗對象

按照復(fù)合材料試塊制作標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了三種典型的層壓結(jié)構(gòu)人工模擬缺陷階梯試塊，如圖2所示。

圖2 人工缺陷試塊俯視圖

（1）1號試塊為100mm×300mm碳纖維單向帶階梯層壓結(jié)構(gòu)，從左至右試塊厚度依次分別為0.75，2.25，3.25，4.25，5.25mm，從左至右缺陷埋深依次分別為0.5，0.38，2.0，1.15，3.0，1.62，4.0，2.12，5.0，2.62，0.25mm，預(yù)置人工缺陷為正方形，大小分別為6mm×6mm、10mm×10mm、15mm×15mm，如圖2（a）所示。

近礦圍巖蝕變在水平方向具有一定的分帶性，自圍巖至礦體，依次為：絹云母化帶→絹云母化、硅化帶→強(qiáng)絹云母化、硅化、黃鐵礦化、碎裂巖化帶→亮晶煤帶→細(xì)砂糖狀煤帶。

（2）2號試塊為100mm×420mm碳纖維單向帶階梯層壓結(jié)構(gòu)，從左至右試塊厚度依次分別為0.72，2.16，4.8，6.72，8.88，10.56，12.48mm，從左至右缺陷埋深依次分別為上表面，中間，下表面，上表面為距檢測面0.25mm，下表面為距底面0.25mm，預(yù)置人工缺陷為大小φ3mm、φ5mm，如圖2（b）所示。

（3）3號試塊為100mm×30mm的碳纖維織物階梯層壓結(jié)構(gòu)，從左至右試塊厚度分別為1.62，2.43，2.7，2.97mm，從左至右缺陷埋深分別為上表面，中間，下表面，上表面為距檢測面0.25mm，下表面為距底面0.25mm，預(yù)置人工缺陷大小為φ3mm、φ5mm，如圖2（c）所示。

試驗采用聚四氟乙烯貼膜模擬試塊中的人工缺陷，膜片厚度為0.12mm，膜片放置于碳纖維鋪層之間，與試塊一起固化成型，缺陷設(shè)計尺寸均對應(yīng)實際檢測中相應(yīng)的評級標(biāo)準(zhǔn)。

相同條件下，聚四氟乙烯膜的單位溫差熱形變量小于空氣的，采用熱加載變形的情況下，同尺寸、同埋深的模擬缺陷的形變量應(yīng)小于實際分層缺陷，因此，參照試驗結(jié)論時，實際工件中同尺寸自然缺陷的檢測靈敏度要略高于本試驗的理論值。

2.2 儀器設(shè)備

試驗采用LTI－TES－200型激光錯位散斑檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括了CCD相機(jī)，熱加載裝置，激光器，控制臺四部分。其中CCD相機(jī)為LT－500HD數(shù)字激光剪切散斑相機(jī)，激光光源為He－Ne激光，波長λ為532nm，激光器功率為150mW。

3 試驗結(jié)果與分析

將試塊固定在試驗夾上，設(shè)置加載時間和剪切量等檢測參數(shù)，對試塊進(jìn)行加載、檢測，仔細(xì)觀察冷卻過程中的動態(tài)影像，選取適當(dāng)?shù)募虞d時間和剪切量，使檢測效果達(dá)到最佳（圖像中碳纖維方向清晰可見），計算機(jī)處理后得到如圖3所示試塊散斑圖。

3.1 熱加載激光剪切散斑檢測能力分析

由圖3可知，選取適當(dāng)?shù)募虞d時間和剪切量：1號試塊中大小6mm×6mm、10mm×10mm、15mm×15mm，埋深從0.25～5.0mm的人工缺陷均被發(fā)現(xiàn)；2號和3號試塊中只能發(fā)現(xiàn)上表面層中φ3mm、φ5mm的缺陷。其中，2號試塊第一臺階處只發(fā)現(xiàn)中間層φ5mm的缺陷，卻未發(fā)現(xiàn)同樣大小、埋深更淺的上表面層φ5mm缺陷；經(jīng)超聲檢測分析認(rèn)為可能是試塊制作過程中操作失誤導(dǎo)致該處缺陷漏失。

從檢測結(jié)果知，熱加載激光剪切散斑技術(shù)對復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的近表面缺陷（埋深為0.25mm、0.38mm）具有很高的檢測靈敏度和精度。隨著缺陷埋深的增大和缺陷尺寸的減小，檢測靈敏度逐漸降低，當(dāng)埋深超過一定值或缺陷減小到一定程度時，檢測靈敏度急劇下降，甚至無法檢測。如圖3（a）中埋深大于5mm、尺寸小于6mm×6mm時，缺陷影像模糊不清；如圖3（a）或（c）中缺陷小于φ3mm或φ5mm時，最大檢測深度只有2～3層碳纖維（或織物）。另外發(fā)現(xiàn)，同為φ5mm缺陷，3號試塊的最大檢測深度為0.8mm，而2號試塊則只有0.36mm，說明LSS技術(shù)對碳纖維織物層壓結(jié)構(gòu)比碳纖維單向帶層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的檢測靈敏度要高。

圖3 1～3號試塊激光剪切散斑圖像

3.2 加載時間對檢測靈敏度的影響

為研究加載時間對缺陷檢測靈敏度的影響，試驗中以2號試塊第三臺階為研究對象，將熱加載時間分別延長到15s和20s，對2號試塊第三臺階再進(jìn)行檢測，測得如圖4所示散斑圖像。

圖4 2號試塊第三臺階處理后散斑圖像加熱

由圖4可知，逐漸延長熱加載時間后，試塊表面2～3層的缺陷靈敏度逐漸變高，而中間層和下表面缺陷仍未被檢測到；與此同時，背景散斑場中的噪聲信號逐漸增強(qiáng)，這將不利于缺陷信號的判斷。因此，實際檢測中，選取合適的熱加載量等參數(shù)對于獲取可靠的缺陷散斑圖像具有重要意義。

結(jié)果表明，當(dāng)缺陷尺寸小于φ3mm或φ5mm時，熱加載下的激光錯位散斑檢測靈敏度與加載量關(guān)系不大，主要受缺陷埋深的限制。隨著熱加載量的增加，表面2～3層的缺陷的變形量逐漸加大，因此缺陷影像更加清晰。然而當(dāng)缺陷很?。ㄐ∮讦?mm或φ3mm）且埋深較深時，缺陷受熱形變本身很小，加之復(fù)合材料內(nèi)部的不均性引起的形變協(xié)調(diào)與消耗（如圖4所示，隨著加載時間的延長，復(fù)合材料試塊中碳纖維織構(gòu)的散斑條紋已非常清晰），導(dǎo)致形變很難傳遞至檢測面，因此，不能形成有效的離面位移，從而難以被激光檢測成像。

4 結(jié)論

（1）熱加載下的激光剪切散斑技術(shù)對復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)近表面缺陷（埋深小于1mm）具有很高的檢測靈敏度和精度，達(dá)φ3mm。檢測靈敏度隨缺陷埋深的增大或缺陷尺寸的減小而降低，當(dāng)缺陷埋深超過一定值或缺陷減小到一定程度時，檢測靈敏度急劇下降，甚至無法檢測。這一現(xiàn)象與加載量、剪切量等參數(shù)關(guān)系不大，主要取決于不同的加載形式和復(fù)合材料本身的物理特性。

（2）對于6mm×6mm的缺陷，可檢測的最大埋深為5mm；缺陷大小為φ3mm時，最大檢測深度只有2～3層碳纖維織物（約0.5mm）。實際檢測中，要求檢測的復(fù)合材料層壓板厚度一般不超過5mm，要求的驗收級別一般不高于B級（約為φ5mm）。

（3）激光剪切散斑檢測能力和檢測靈敏度主要取決于物體檢測面的離面位移大小，即形變量越大，檢測越容易，靈敏度越高，反之亦然。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝離散型較高，導(dǎo)致成型工件內(nèi)部均勻性較差，彈性理論等物理特性非常復(fù)雜。材料內(nèi)部形變的生成、傳遞及損耗機(jī)制復(fù)雜，這就導(dǎo)致了檢測過程中加載量和剪切量不易定量，且不同工件檢測難有具體的規(guī)律可循，因此，該技術(shù)的應(yīng)用尚需進(jìn)行大量的試驗，確定不同工件的檢測工藝。

（4）考慮到試驗中人工模擬缺陷的檢測靈敏度低于同尺寸、同埋深的自然分層缺陷，同時考慮到激光剪切散斑檢測技術(shù)的非接觸、快速、全場、實時成像檢測等優(yōu)勢，激光剪切散斑檢測技術(shù)在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的無損檢測上具有很好的應(yīng)用潛力。

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