程茶園,林 鑫,葛 麗,劉哲軍,伍 頌

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

鑒于泡沫缺陷類型和材料的特點(diǎn)，無法使用常用的檢測(cè)技術(shù)如超聲、X射線、紅外等進(jìn)行檢測(cè)，在國(guó)外文獻(xiàn)中有提出錯(cuò)位散斑技術(shù)可以用于泡沫絕熱材料黏接質(zhì)量的檢測(cè)[1]。

針對(duì)泡沫絕熱材料，采用音頻掃描加載方式，進(jìn)行錯(cuò)位散斑檢測(cè)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該技術(shù)能夠有效地表征和評(píng)價(jià)絕熱泡沫材料黏接質(zhì)量。

1 激光錯(cuò)位散斑技術(shù)的檢測(cè)原理

用經(jīng)過擴(kuò)束的激光照射待檢測(cè)物體時(shí)，待檢測(cè)物體表面上反射的子波相互干涉，形成了明暗相間隨機(jī)分布的激光散斑場(chǎng)。通過光學(xué)錯(cuò)位裝置(如圖1所示)在相機(jī)靶面上形成在特定方向有一錯(cuò)位量的兩個(gè)散斑場(chǎng)。對(duì)待測(cè)物體施加一定的激勵(lì)(熱、壓力、振動(dòng)等)，缺陷區(qū)域會(huì)產(chǎn)生微小的離面位移，將變形前后的兩個(gè)數(shù)字散斑場(chǎng)進(jìn)行相減運(yùn)算，缺陷區(qū)域因離面位移場(chǎng)的影響，光學(xué)相位會(huì)產(chǎn)生“蝴蝶”狀特征條紋(見圖2)，可以此判定其是否有脫黏缺陷。

圖1 邁克爾遜錯(cuò)位系統(tǒng)示意

圖2 錯(cuò)位散斑缺陷特征條紋

2 泡沫材料的音頻掃描振動(dòng)加載錯(cuò)位散斑檢測(cè)

對(duì)于脫黏類缺陷，激光錯(cuò)位散斑技術(shù)常用的加載(激勵(lì))方法是熱加載和壓力差加載。泡沫材料由于其絕熱的特點(diǎn)，熱加載并不適用，壓力差加載可采用真空罩局部加載或采用真空箱整體加載。真空罩局部加載時(shí)，由于泡沫材料表面粗糙，所以局部密封在工藝上不易實(shí)現(xiàn)。真空箱整體加載需要建造能夠容納燃料箱的大型真空箱，技術(shù)上可行但成本較高。因此對(duì)于泡沫材料的錯(cuò)位散斑檢測(cè)，嘗試采用音頻掃描振動(dòng)加載的方法[2]。

音頻掃描振動(dòng)加載是用大功率喇叭將一個(gè)周期性的正弦聲音信號(hào)經(jīng)空氣耦合作用在被檢泡沫材料上，使泡沫材料產(chǎn)生受迫振動(dòng)。對(duì)于大小、形狀不同的缺陷，其共振頻率不同。采用音頻掃描加載的方式，當(dāng)音頻信號(hào)從低頻向高頻連續(xù)變化并作用于泡沫材料表面時(shí)，若某一頻率與缺陷處共振頻率相等或接近，缺陷處就會(huì)發(fā)生共振，其振幅最大。對(duì)于噴涂的泡沫材料，黏接界面的缺陷主要表現(xiàn)為分層、脫黏等?？蓪⑷毕莺?jiǎn)化成周邊約束的圓形缺陷，受到音頻激振時(shí)，其共振基頻頻率(f1)為[3]：

(1)

式中：h為泡沫厚度；a為缺陷半徑；ρ為泡沫材料密度;E為材料的彈性模量;u為泊松比。

與熱加載以及壓力差加載散斑檢測(cè)方法不同，振動(dòng)加載檢測(cè)是采用時(shí)間平均法[4-5]來實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)表面的測(cè)量和振動(dòng)模式分析的。對(duì)泡沫材料進(jìn)行的振動(dòng)加載音頻激振頻率為千數(shù)量級(jí)，泡沫的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般工業(yè)相機(jī)25 Hz左右的幀頻，相機(jī)記錄的每幀圖像是一段時(shí)間內(nèi)的平均圖像，圖像光強(qiáng)(I平均)可表示為[6]

I平均=

2I0{1+γcos[φ(x,y)J0(Ω)]

(2)

式中:T為相機(jī)采集一幀圖像的時(shí)間;I0為光強(qiáng);為條紋調(diào)制度;φ為隨機(jī)位相;Δ(x,y,t)為兩錯(cuò)位點(diǎn)之間由振動(dòng)引起的光波位相差;J0為零階一類貝賽爾函數(shù)Ω為相對(duì)相位差。

將采集的兩幅散斑圖像進(jìn)行相減運(yùn)算，即用物體靜止時(shí)所采集到的第一幅散斑圖像減去振動(dòng)后采集的散斑圖像，得到振動(dòng)散斑圖像光強(qiáng)分布為

Isub=2I0γcosφ(x,y)[1-J0(Ω)]

(3)

由式(2)可知，所得的散斑干涉圖含有一背景項(xiàng)，影響條紋質(zhì)量。為了提高條紋質(zhì)量，振動(dòng)后通過壓電陶瓷(見圖1)驅(qū)動(dòng)平面鏡2移動(dòng)1/4波長(zhǎng)，引入一180°的位相，相鄰兩幀圖像具有180°位相差，將相鄰兩幀具有180°的位相差的散斑圖進(jìn)行相減運(yùn)算，可以消除背景項(xiàng)，如式(4)所示。

Isub=|4I0γcos[φ(x,y)J0(Ω)]|

(4)

式中：Isub為振動(dòng)散斑圖像光強(qiáng)分布。

最終所得相反時(shí)間平均錯(cuò)位散斑條紋如圖3所示，條紋質(zhì)量明顯提高。

圖3 相反時(shí)間平均錯(cuò)位散斑條紋

3 應(yīng)用試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用的錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，錯(cuò)位大小和錯(cuò)位方向可調(diào)，儀器具備相移功能。加載系統(tǒng)采用音頻掃描加載，由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、高能喇叭等組成，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)經(jīng)功率放大器驅(qū)動(dòng)高能喇叭，高能喇叭額定功率為300 W。由于泡沫材料的厚度約為20 mm，錯(cuò)位量設(shè)置為20 mm，此時(shí)檢測(cè)靈敏度最大[7]。泡沫平板試樣1尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為400 mmX300 mm×30 mm，其中預(yù)置了4個(gè)缺陷，如圖5(a)所示，編號(hào)為1,2,3,4，尺寸(長(zhǎng)×寬)為30 mmX30 mm,60 mmX60 mm,80 mmX80 mm,100 mmX100 mm，錯(cuò)位方向?yàn)?5°，音頻掃描加載頻率范圍為1 0004 000 Hz，如圖5(b)所示，該試驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)4個(gè)缺陷。

圖4 錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)示意

圖5 泡沫試樣人工缺陷布置及其錯(cuò)位散斑條紋

圖6(a)為泡沫試樣2缺陷布置示意，泡沫平板試樣尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為800 mmX600 mm×30 mm，采用貼膜噴涂方式，試樣上人工缺陷大小分別為φ60,φ70,φ100 mm，加載方式為聲振加載，錯(cuò)位量設(shè)置為20 mm，錯(cuò)位方向?yàn)閥軸方向，掃描頻率范圍為(1 0004 000 Hz)，如圖6(b)所示，預(yù)制的φ60,φ70,φ100 mm缺陷能夠被分辨出來。

圖6 泡沫試樣2人工缺陷試樣布置示意及錯(cuò)位散斑條件

圖7為實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及錯(cuò)位散斑圖像，左圖為噴涂后的低溫燃料箱箱體，對(duì)噴涂的聚氨酯泡沫塑料進(jìn)行了音頻掃描加載錯(cuò)位散斑檢測(cè)，右圖為錯(cuò)位散斑圖像，方框內(nèi)為脫黏缺陷，若要修補(bǔ)這些缺陷，還需根據(jù)檢測(cè)結(jié)果在產(chǎn)品上標(biāo)出缺陷的準(zhǔn)確位置，對(duì)缺陷部位進(jìn)行重新噴涂修補(bǔ)后重新檢測(cè)。

圖7 泡沫黏接質(zhì)量實(shí)際檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及錯(cuò)位散斑檢測(cè)圖像

4 結(jié)語

對(duì)于航天聚氨酯泡沫材料，由于其具有孔隙率高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)不適用于其黏接質(zhì)量檢測(cè)，故采用聲激勵(lì)加載錯(cuò)位散斑無損檢測(cè)，可以有效檢測(cè)出脫黏缺陷。對(duì)于航天聚氨酯泡沫材料的黏接質(zhì)量檢測(cè)，還需要繼續(xù)開展研究，探求更環(huán)保高效的檢測(cè)技術(shù)。