林 鑫,劉哲軍,葛 麗,程茶園,伍 頌

(航天材料及工藝研究所,北京100076)

復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)紅外鎖相熱像法檢測(cè)

林 鑫,劉哲軍,葛 麗,程茶園,伍 頌

(航天材料及工藝研究所,北京100076)

復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)在制造和服役過程中會(huì)產(chǎn)生多種類型的缺陷,而現(xiàn)有無損檢測(cè)方法難以快速檢測(cè)此類結(jié)構(gòu)。介紹了紅外鎖相熱像法的檢測(cè)理論,并結(jié)合復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)特性,對(duì)紅外鎖相熱像法檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。使用紅外鎖相熱像法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn),結(jié)果表明,該方法適用于復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、修補(bǔ)、在役過程中的質(zhì)量控制。

紅外鎖相熱像法;復(fù)合材料粘接質(zhì)量;產(chǎn)品檢測(cè)

近年來,隨著航空航天制造工藝技術(shù)的發(fā)展,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以其功能性強(qiáng)、強(qiáng)度高及耐腐蝕等特點(diǎn),越來越多地被應(yīng)用于新型飛行器結(jié)構(gòu)中。現(xiàn)行復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)多采用結(jié)構(gòu)飛行器外形整體成型后,再與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的制造工藝。受現(xiàn)有工藝水平限制,在制造及服役過程中,粘接結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生多種類型的脫粘缺陷,需要采用可靠的無損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。

超聲檢測(cè)技術(shù)可對(duì)復(fù)合材料粘接質(zhì)量進(jìn)行有效檢測(cè),然而受異形曲面形狀的限制,無法對(duì)其進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化掃查,難以滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的檢測(cè)要求。激光散斑檢測(cè)技術(shù)也是一種有效的檢測(cè)方法,該方法容易受外界因素影響,對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)、亮度的要求較高。紅外鎖相熱像法檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、快速成像、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)[1－3],其通過熱波在缺陷或損傷處的相位及幅度變化來進(jìn)行快速大面積檢測(cè)[4－6],該方法對(duì)外界環(huán)境要求低,對(duì)背景熱噪聲響應(yīng)較為不敏感,可對(duì)復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效檢測(cè)。

筆者介紹了紅外鎖相熱像法檢測(cè)理論,并結(jié)合復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)特性,對(duì)紅外鎖相熱像檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定。通過對(duì)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn),對(duì)紅外鎖相熱像法檢測(cè)能力進(jìn)行了驗(yàn)證,為紅外鎖相熱像法檢測(cè)技術(shù)的研究提供參考。

1 紅外鎖相熱像法檢測(cè)理論

熱流在構(gòu)件中的熱傳導(dǎo)方程描述如下:

式中:T(x,t)為溫度;k為材料的熱導(dǎo)率;α為熱擴(kuò)散系數(shù);I(x,t)為熱加載源。

進(jìn)行紅外鎖相熱像法檢測(cè)時(shí),對(duì)被檢測(cè)物體表面施加正弦熱流激勵(lì):

式中:I(t)為激勵(lì)熱流強(qiáng)度;q為熱激勵(lì)加載的單位能量;fe為調(diào)制激勵(lì)加載頻率。

對(duì)采集序列圖像做以下處理:

式中:Cs為比例因子;Ps為采集周期數(shù);N為單個(gè)周期采集的圖像序列。

從而得到表面熱波信號(hào)諧波分量相位值和幅值:

利用相位值和幅值中反饋的異常信息,可對(duì)被檢對(duì)象進(jìn)行粘接質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

被檢測(cè)材料常溫下熱導(dǎo)率為0.72 W·(m K)－1,密度為1×103kg·m－3,熱擴(kuò)散系數(shù)α為0.5× 10－6m2·s－1,比熱容為1.6×103J·(kg K)－1。紅外鎖相熱像法檢測(cè)過程中,熱波穿透深度L只與頻率值選取有關(guān),即:

一般而言,熱擴(kuò)散長(zhǎng)度L為粘接厚度x的1.5倍,根據(jù)式(5),頻率設(shè)為:

在檢測(cè)試驗(yàn)中采用該頻率選取原則,當(dāng)蒙皮厚度越大時(shí),選取頻率越低,兩者成平方反比關(guān)系。由于鎖相熱像法原位檢測(cè)過程中,相位對(duì)環(huán)境及背景噪聲有更強(qiáng)的抗干擾能力,因此以下檢測(cè)結(jié)果均采用相位結(jié)果。

圖1(a)為某復(fù)合材料蒙皮與主結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的紅外相熱像法檢測(cè)結(jié)果,蒙皮厚度為2 mm,可以看出在主結(jié)構(gòu)中存在多處貫穿性斷膠缺陷,斷膠尺寸分別為20 mm×20 mm(長(zhǎng)×寬)和20 mm×30 mm(長(zhǎng)×寬)。圖1(b)為某復(fù)合材料蒙皮與蜂窩粘接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的紅外鎖相熱像法檢測(cè)結(jié)果,蒙皮厚度為1 mm,可以清楚地看出蜂窩格的六角邊框,蜂窩邊長(zhǎng)約為5 mm,這是熱波傳導(dǎo)至蜂窩界面后反饋界面信息形成的圖像。同時(shí),部分區(qū)域的蜂窩沒有清晰顯示,這一情況反映了該處熱波未傳導(dǎo)至蜂窩芯子,說明該處蜂窩存在很大的熱阻,即存在脫粘缺陷。通過試件檢測(cè)試驗(yàn),表明紅外鎖相熱像法檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)復(fù)合材料蒙皮的多種粘接缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)。

圖1 不同類型的復(fù)合材料脫粘缺陷紅外鎖相熱像法檢測(cè)結(jié)果

3 工程應(yīng)用

利用上述檢測(cè)參數(shù),對(duì)某飛行器產(chǎn)品開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn),在產(chǎn)品不同部位不同厚度處檢出了脫粘缺陷,如圖2所示。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),這些脫粘缺陷多發(fā)生在結(jié)構(gòu)件曲率較大的部位,是由復(fù)合材料粘接成型工藝不穩(wěn)定導(dǎo)致的。這一檢測(cè)結(jié)果說明,紅外鎖相熱像法可以對(duì)異形飛行器產(chǎn)品制造過程的粘接質(zhì)量進(jìn)行有效檢測(cè)。

對(duì)于產(chǎn)品中存在的脫粘缺陷,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)鉆孔修補(bǔ)工作。圖3(a)、(b)為某構(gòu)件中的粘接缺陷在修補(bǔ)前后的檢測(cè)結(jié)果,可以看出該處存在尺寸為20 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬)的缺膠,經(jīng)過修補(bǔ)后,部分區(qū)域已不存在脫粘缺陷。圖3(c)、(d)為另一構(gòu)件中的粘接缺陷在修補(bǔ)前后的檢測(cè)結(jié)果,可以看出該構(gòu)件中存在兩處脫粘缺陷,尺寸分別為30 mm× 100 mm(長(zhǎng)×度)和20 mm×300 mm(長(zhǎng)×寬),經(jīng)過修補(bǔ)后,其中右上方區(qū)域得到很好的修復(fù),但正下方脫粘區(qū)域并沒有成功修復(fù)。這一檢測(cè)結(jié)果說明,紅外鎖相熱像法可以對(duì)異形飛行器修復(fù)過程中的粘接質(zhì)量進(jìn)行有效控制。

圖2 某飛行器產(chǎn)品在制造過程中的紅外鎖相熱像法檢測(cè)結(jié)果

圖3 某異形飛行器產(chǎn)品修補(bǔ)前后紅外鎖相熱像法檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

紅外鎖相熱像法檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、大面積、檢測(cè)結(jié)果直觀等特點(diǎn),可對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件脫粘缺陷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè),原位檢測(cè)能力可以達(dá)到:缺陷深度2 mm時(shí),缺陷分辯能力不小于20 mm× 20 mm(長(zhǎng)×寬);缺陷深度1 mm時(shí),缺陷分辯能力不小于10 mm×10 mm(長(zhǎng)×寬)。該檢測(cè)方法可用于復(fù)合材料異形粘接結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)、修補(bǔ)過程中的質(zhì)量檢測(cè),也可以應(yīng)用在該類產(chǎn)品在役過程的質(zhì)量控制中。紅外鎖相熱像法對(duì)檢測(cè)背景、環(huán)境熱噪聲的抗干擾能力較強(qiáng),適合開展現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用。同時(shí),也有必要進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理算法,提高圖像的信噪比,更好地適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工程化應(yīng)用。

[1] 朱建堂.激光、紅外和微波無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].無損檢測(cè),1997,19(11):315-316.

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[4] 劉俊巖,劉勛,王揚(yáng).線性調(diào)頻激勵(lì)的紅外熱波成像檢測(cè)技術(shù)[J].紅外與激光工程,2012,41(7):1910-1915.

[5] MALDAGUE X P V.Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing[M].Berlin: Springer,2001.

[6] 林鑫,葛麗,程茶園,等.紅外無損檢測(cè)技術(shù)粘接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品應(yīng)用[J].宇航材料工藝,2015,45(3):72-75.

Lock-in Infrared Thermography in Composite Bonding Structure

LIN Xin,LIU Zhe-jun,GE Li,CHENG Cha-yuan,WU Song
(Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology,Beijing 100076,China)

Different kinds of defects are found in curved composite bonding structures both in manufacturing and in serving stages.Nondestructive testing methods available now are not capable of the in-situ testing of curved composite bonding structure with high speed.Lock-in infrared thermography is characterized by non-contact,largesized testing area,audio-visual results,et al.It is fit for the in-situ testing of curved composite bonding structure.The best testing conditions of Lock-in infrared thermography are obtained by testing of defects in composite bonding structure samples.The in-situ testing is experimented industrially.It is shown that the lock-in infrared thermography could be applied to curved composite bonding structures in manufacturing,repairing and serving stages.

Lock-in thermography;Composite bonding quality;Product testing

TN215;TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0049-03

10.11973/wsjc201701012

2016-07-04

林 鑫(1986－),男,博士,工程師,主要從事無損檢測(cè)新技術(shù)研究工作。

林 鑫,E-mail:linxin007＠126.com。