陳永強(qiáng)

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖241006）

0 前 言

系留氣球是一種浮空器，目前廣泛應(yīng)用于民用產(chǎn)品和軍事中，而系留氣球囊體作為一種制造工藝難度大、成型過程長的復(fù)合材料產(chǎn)品，目前國內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量檢測主要引用美國材料與試驗(yàn)協(xié)會的ASTM系留標(biāo)準(zhǔn)[1]。由于生產(chǎn)條件和檢測環(huán)境等諸多因素的不同，該標(biāo)準(zhǔn)不能有效滿足國內(nèi)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制要求，亟需對適合我國浮空器囊體生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境提出有效的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量檢測方法。本文以某企業(yè)承擔(dān)的陣地式系留氣球?yàn)檠芯繉ο?，結(jié)合氣球囊體成型過程，研究囊體材料在高頻熱合過程中的質(zhì)量檢測方法。

1 質(zhì)量檢測環(huán)境要素分析

高頻熱合工序是囊體材料相互連接的主要方式，是囊體加工成型最重要的一道工序。由于囊體材料熱合檢驗(yàn)不能在事后經(jīng)濟(jì)、有效地進(jìn)行，目前對于熱合質(zhì)量檢驗(yàn)僅限于目測等感官手段或進(jìn)行樣件破壞性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為了對囊體材料中大量熱合部位的質(zhì)量一致性、可靠性進(jìn)行控制，亟需一種非破壞性、實(shí)時(shí)檢測的無損檢測手段進(jìn)行過程質(zhì)量控制。

無損檢測正是在此種檢測條件下的一種理想檢測手段，無損檢測NDT（Non-destructive testing）就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質(zhì)和數(shù)量等信息，進(jìn)而判定被檢對象所處技術(shù)狀態(tài)（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術(shù)手段的總稱[2]。無損檢測是以不損壞被檢測對象的使用性能為前提，應(yīng)用物理和化學(xué)現(xiàn)象，對囊體原材料，零部件和成品進(jìn)行有效的檢測，借以評價(jià)他們的完整性、連續(xù)性和其他物理性能。與破壞性檢測相比，無損檢測具有非破壞性、全面性、全程性特點(diǎn)，可以對制造用原材料、各中間工藝環(huán)節(jié)、直至最終的產(chǎn)品進(jìn)行全程檢測，也可對服役中的設(shè)備進(jìn)行檢測，是目前產(chǎn)品設(shè)備可靠性檢查的重要手段，已經(jīng)成為產(chǎn)品制造和使用中不可缺少的組成部分。

系留氣球囊體屬于復(fù)合軟性膜材料，通常厚度在3mm左右，針對囊體材料的材料特性，選用燈箱檢測、超聲波檢測、X射線檢測、紅外線檢測和太赫茲檢測5種無損檢測方法進(jìn)行對比研究[3]。

本次研究共制3種試件，通過調(diào)整熱合工藝參數(shù)來控制其熱合強(qiáng)度，按照熱合剝離強(qiáng)度大致將試件分為強(qiáng)度高、中、低3個類別。

圖1 熱合強(qiáng)度高、中、低3種熱合檢測樣件

2 各類檢測方法的應(yīng)用

2.1 燈箱檢測

燈箱檢測是一種非常簡便、常用的囊體材料檢測手段，通過在箱體中排布若干燈管，提供足夠的照度，把囊體材料鋪設(shè)在燈箱上，可對材料在普通亮度下無法發(fā)現(xiàn)的缺陷和損傷進(jìn)行檢查，簡單易用?，F(xiàn)階段燈箱普遍用于囊體材料的入所檢驗(yàn)和裁片工序前的檢驗(yàn)，進(jìn)行單層囊體材料的缺陷識別。

但是當(dāng)把囊體材料熱合成雙層材料及多層材料時(shí)，由于材料厚度的增加，燈光的穿透性大大削弱，對熱合縫的相關(guān)缺陷不能有效、快速的發(fā)現(xiàn)及排除。

2.2 超聲波檢測

超聲波法是工業(yè)上一種常見的探傷方法，它是最早用于復(fù)合材料無損檢測的方法之一。為了有效的向試件中發(fā)射和接收超聲波，超聲檢測時(shí)一般要使用水、油等液體作為耦合劑。檢測時(shí)必須保持探頭和試件之間良好的耦合，即在兩者之間填充介質(zhì)以排除空氣，避免因空氣層的存在導(dǎo)致聲能幾乎全部被反射的現(xiàn)象發(fā)生。超聲波無損檢測不適用于檢測大面積被測物，因?yàn)轳詈辖橘|(zhì)水、油等不但會污染試件，探頭與試件直接接觸，也可能造成試件的破壞并影響檢測結(jié)果。通過委托合肥某檢測科技有限公司對提供的試件進(jìn)行超聲波檢測發(fā)現(xiàn)，在調(diào)整多種檢測波長后，超聲和毫米波波長太長，達(dá)不到要求的分辨率；無法識別缺陷部位。

2.3 X射線檢測

X射線法是基于物體正常部位與缺陷部位反射或吸收X射線的能力不同實(shí)現(xiàn)對物體缺陷的檢測，其在金屬缺陷和蜂窩材料等檢測方面應(yīng)用廣泛，對氣孔、夾雜、疏松等體積型缺陷的檢測靈敏度較高，但對平面缺陷的檢測靈敏度較低，當(dāng)射線方向與平面缺陷垂直時(shí)，如裂紋、分層等就很難檢測出來。另外，射線對人體有害，檢測時(shí)必須增加保護(hù)措施。通過委托合肥某檢測科技有限公司對提供試件的X射線檢測，X光對膜材料的穿透能力過強(qiáng)，成像對比度較差，不能有效對缺陷部位進(jìn)行辨識。

2.4 紅外熱波成像檢測

紅外熱波成像檢測技術(shù)是建立在電磁輻射和熱傳導(dǎo)理論基礎(chǔ)上的一門無損檢測技術(shù)，多個國家已把紅外熱波檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量檢驗(yàn)、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測等。如果試件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，熱流就被缺陷阻擋或加速擴(kuò)散，經(jīng)過一段時(shí)間就會在缺陷附近產(chǎn)生熱量堆積或損失，引起試件表面溫度梯度的變化，表現(xiàn)為溫度異常。紅外熱波無損檢測技術(shù)可以大面積、快速的對被測物進(jìn)行檢測，并可保證不對被測物造成污損[4]。

圖2 紅外熱成像檢測方法示意圖

將此3種試件委托中國科技大學(xué)進(jìn)行紅外熱波檢測，紅外熱像儀采集了熱合程度不同的3組樣品的紅外圖像，其熱加載前后的紅外圖像分別如圖3-6所示。圖中四角紅色亮區(qū)域?yàn)闊岷蠀^(qū)域，中間十字形暗區(qū)域?yàn)槲礋岷蠀^(qū)域。四周邊緣部分由于熱加載不均勻，呈現(xiàn)暗色。

圖3 熱合程度較高的一組樣品的紅外圖像

圖3對應(yīng)熱合程度較高的一組樣品的紅外圖像。圖像（a）是熱加載前的紅外圖像，已經(jīng)隱約可以看出熱合區(qū)域與未熱合區(qū)域的輪廓。在熱加載后的圖像（b）中，二者的對比明顯，界限分明。

圖4 熱合程度中等的一組樣品的紅外圖像

圖4對應(yīng)熱合程度中等的一組樣品的紅外圖像。熱加載前的圖像（a）溫度分布均勻，看不出熱合區(qū)域與未熱合區(qū)域的界限。在熱加載后的圖像（b）中，二者的輪廓清晰，層次分明。

圖5 熱合程度較低的一組樣品的紅外圖像

圖5對應(yīng)熱合程度較低的一組樣品的紅外圖像。如圖像（a）所示，熱加載前的紅外圖像分辨不出熱合區(qū)域和未熱合區(qū)域的差別。在熱加載后的圖像（b）中可以看出二者的輪廓，但其界限比較模糊。

熱合程度較高的一組樣品（圖3），其在熱加載前的紅外圖像已經(jīng)能隱約看到熱合部分與未熱合部分的界限，熱加載后兩個區(qū)域的對比更加明顯。這是由于熱合程度較高時(shí)，熱合區(qū)域兩層材料結(jié)合的更加緊密，熱導(dǎo)率相對較高，使得此區(qū)域的溫度與未熱合區(qū)域相比反差較大。熱合程度中等和較低的兩組樣品（圖4和圖5），其在熱加載前無法分辨出熱合部分與未熱合部分的界限，但在熱加載后可以看到二者的輪廓，熱合程度較低的一組邊界較為模糊。這是由于熱合程度降低時(shí)，熱合區(qū)域和未熱合區(qū)域熱導(dǎo)率差別減小，只有在樣品兩側(cè)溫度反差較大時(shí)才能顯現(xiàn)出這種差異，而熱合程度較低時(shí)這種差異減弱了。

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出，紅外方法能很好的區(qū)分出囊體材料熱合區(qū)域與未熱合區(qū)域的界限，并且熱合程度的不同也由溫度對比反差的不同反映出來。

2.5 太赫茲檢測

太赫茲泛指頻率在0.1-10THz波段內(nèi)的電磁波,位于紅外和微波之間, 處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段，是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來的一種高新技術(shù)，太赫茲無損探傷技術(shù)在檢測非金屬非極化材料內(nèi)部缺陷方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，近年來頗受關(guān)注，它在基礎(chǔ)研究、工業(yè)應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用前景。太赫茲無損探傷技術(shù)融合了太赫茲成像技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，采用掃描的方法對物體進(jìn)行脈沖成像，獲得物品上每個區(qū)域的時(shí)域光譜信息，再通過分析得出此區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和組成成份信息，將所有區(qū)域的信息拼接組合到一起便獲得整個物品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和成份信息[5]。傳統(tǒng)的太赫茲成像方法獲得的是太赫茲穿透物體時(shí)傳播路徑上的綜合影響，最終得到的是物品的二維信息疊加圖，無法獲得物品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)等三維信息，而使用太赫茲無損探傷方法可以獲得物品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，從而幫助我們判斷物品內(nèi)部的分層、缺陷的位置、形狀等三維信息。

通過微波光子學(xué)研究中心進(jìn)行熱合樣件太赫茲檢測，檢測圖片如圖6所示。

圖6 太赫茲檢測截圖

從圖6的檢測截圖效果看，在太赫茲特有頻段內(nèi)熱合部位強(qiáng)弱對比不明顯。通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)論是太赫茲分辨率高，成像清晰；但是掃描速度較慢，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測較為困難，不適應(yīng)于囊體生產(chǎn)的流水線作業(yè)模式。

3 各類檢測方法對比研究分析

通過運(yùn)用5種常見無損質(zhì)量檢測方法對指定試件進(jìn)行對比測試，記錄了囊體高頻熱合無損質(zhì)量檢測測試數(shù)據(jù)，我們從適用范圍、檢測便捷性、檢測安全性、檢測速度及檢測精度5個方面對5種檢測方法進(jìn)行評價(jià)，見表1，根據(jù)測試效果初步認(rèn)為紅外熱波檢測是系留氣球囊體高頻熱合無損質(zhì)量檢測的有效方法，可以作為囊體高頻熱合無損質(zhì)量檢測設(shè)備工程化應(yīng)用的發(fā)展方向。

表1 5種檢測方法對比評價(jià)表

紅外熱波無損檢測的主要優(yōu)勢在于其試用范圍廣、檢測面積大、檢測速度快、檢測結(jié)果易讀性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于在系留氣球囊體高頻熱合工序中的質(zhì)量檢測[6]。結(jié)合本次研究結(jié)果，針對在質(zhì)量檢測過程中的實(shí)際情況，我們認(rèn)為將來應(yīng)不斷積累系留氣球囊體在高頻熱合工序中產(chǎn)生缺陷時(shí)的紅外熱像特征圖譜，研究缺陷發(fā)生時(shí)的溫度變化規(guī)律。加強(qiáng)基礎(chǔ)課題的研究，努力提高紅外檢測技術(shù)的檢測精度、檢測標(biāo)準(zhǔn)和檢測效率，實(shí)現(xiàn)智能化、自動化的檢測。

4 結(jié) 論

系留氣球在空間和時(shí)間上彌補(bǔ)了飛機(jī)和衛(wèi)星的空白，應(yīng)用前景十分廣闊，由于其屬于航空產(chǎn)品類別，因此客戶十分重視在使用過程的安全性、可靠性和保障性。鑒于國內(nèi)外基本沒有公開的系留氣球囊體質(zhì)量檢測研究方法和應(yīng)用實(shí)例，本文以相關(guān)國外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)及資料為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對常用無損檢測方法在系留氣球囊體質(zhì)量檢測過程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究，明確了將來在質(zhì)檢工作中的主要技術(shù)方法和研究方向。

[1]潘峰，王林強(qiáng)，袁飛.美國系留氣球載預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].船舶電子對抗，2010(05):32-35.

[2]耿榮生.迅速發(fā)展的中國無損檢測事業(yè)[J].無損檢測，2008(02):69-72.

[3]林鐵.超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2012(07):42-43.

[4]李曉麗，金萬平，張存林，等.紅外熱波無損檢測技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展[J].無損檢測，2015(06):19-22.

[5]楊振剛，趙畢強(qiáng)，劉勁松，等.太赫茲無損檢測的研究[J].物理，2013(10):708-711.

[6]石勝明.無損檢測質(zhì)量管理[J].黑龍江科技信息，2008(23):33.