張 彬，于全朋，姚鵬嬌，李少華，帥家盛

（1 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 北京 100094 2 北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院 北京 100081 3 北京嘉盛智檢科技有限公司 北京 100016）

引 言

加熱片起到控制設(shè)備工作環(huán)境溫度、確保設(shè)備正常運(yùn)行的重要作用，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備及其他電子設(shè)備在寒冷天氣下的低溫保護(hù)、新能源汽車(chē)電池組低溫保護(hù)等。特別地，航天器及零部件工作在太空環(huán)境中，而太空環(huán)境溫度很低，可達(dá)零下200℃以下。因此，對(duì)航天器及零部件工作環(huán)境溫度進(jìn)行精確控制就顯得尤為重要，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的有效方法就是在結(jié)構(gòu)及零部件上粘結(jié)加熱片。加熱片在粘接過(guò)程中由于工藝、人工操作不當(dāng)?shù)仍蛉菀讓?dǎo)致粘接界面出現(xiàn)脫粘，在粘結(jié)層內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、夾雜等缺陷[1]。航天器在太空工作，然而太空中沒(méi)有對(duì)流傳熱，如果加熱片在粘結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)缺陷，很可能引起加熱片產(chǎn)生的熱量無(wú)法傳播而發(fā)生熱集聚，最終會(huì)燒傷加熱絲造成加熱片失效。因此，粘結(jié)有加熱片的航天器在投入工作之前，對(duì)每一個(gè)加熱片的粘結(jié)質(zhì)量進(jìn)行全方位的檢測(cè)，是確保航天器能正常工作的必要前提。

目前，關(guān)于粘結(jié)結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)方法有很多，例如，針對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)方法有超聲波檢測(cè)方法[2-4]、射線(xiàn)檢測(cè)方法[5,6]、紅外熱成像檢測(cè)方法[7-9]以及太赫茲?rùn)z測(cè)方法[10,11]等。研究表明，超聲波檢測(cè)方法對(duì)粘接界面缺陷[12]、粘接層缺陷[13]以及單個(gè)小氣孔、密集小氣孔和大面積脫粘等典型缺陷有很好的檢測(cè)效果。其中，李建文[14]等人采用超聲透射成像、掃描聲學(xué)顯微鏡成像和陣列超聲成像三種方法對(duì)鋼/鉛膠結(jié)件脫粘缺陷進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，超聲透射成像、掃描聲學(xué)顯微鏡成像方法檢測(cè)效果較好。JIAO Jingpin[15]等人采用Lamb 波方法對(duì)食物容器（簡(jiǎn)化為平板）上的污垢進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，取得了很好的檢測(cè)效果。FAN Zichuan[16]等人針對(duì)板中存在的氣泡缺陷，采用空氣耦合超聲導(dǎo)波（Lamb 波）方法進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，仿真和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，對(duì)氣泡的檢測(cè)效果較好。射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果具有直觀、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí),也存在一些不足之處。Amenabar[17]等學(xué)者使用X射線(xiàn)層析成像方法檢測(cè)多層結(jié)構(gòu)粘結(jié)缺陷，發(fā)現(xiàn)X 射線(xiàn)檢測(cè)具有高分辨率，并且能對(duì)試件進(jìn)行3D 重構(gòu)，定位和檢測(cè)到試件中的微型缺陷。但X 射線(xiàn)受材料厚度和缺陷深度的影響較嚴(yán)重，對(duì)于厚度較深的檢測(cè)具有局限性。同樣，紅外檢測(cè)技術(shù)適用于近表面缺陷的探測(cè)，對(duì)于一定埋深的缺陷檢測(cè)效果并不顯著。有學(xué)者[18]采用主動(dòng)式紅外檢測(cè)技術(shù)，研究試件材料的均勻性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，該方法介紹了紅外熱波檢測(cè)原理，并利用玻璃鋼平底洞試件驗(yàn)證熱波理論。林鑫[19]等采用紅外熱成像技術(shù)針對(duì)粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以有效地對(duì)玻璃鋼泡沫夾層、軟木粘結(jié)、碳纖維蒙皮蜂窩夾層等較薄粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。ZHENG Kaiyi[20]等提出一種三維圖像分割熱成像自動(dòng)缺陷檢測(cè)方法，針對(duì)碳纖維粘結(jié)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到很好的結(jié)果。太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，超快激光技術(shù)的發(fā)展使太赫茲波的產(chǎn)生成為了可能，從而使太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到突破[21]。太赫茲波具有頻率高（1011Hz～1013Hz）、波長(zhǎng)短（30μm～3mm）的特點(diǎn)，能檢測(cè)到很小或者埋深很淺的缺陷，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料等粘結(jié)結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)[22,23]。

有學(xué)者研究表明，空耦超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于蜂窩夾芯復(fù)合材料內(nèi)部脫粘、分層缺陷粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)[24]，但目前對(duì)于加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)還缺少研究，考慮到加熱片和粘結(jié)層非常?。ㄆ浜穸葹?.1mm 左右），缺陷信號(hào)和界面信號(hào)重合度很高，很難判別是否出現(xiàn)缺陷信號(hào)。本文針對(duì)蜂窩夾芯復(fù)合材料外加熱片粘結(jié)質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比分析了空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法、空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法和太赫茲?rùn)z測(cè)法對(duì)加熱片的檢測(cè)效果，研究發(fā)現(xiàn)，太赫茲無(wú)損檢測(cè)法對(duì)加熱片粘結(jié)層內(nèi)部缺陷具有很好的檢出率，該研究試驗(yàn)為加熱片粘結(jié)層內(nèi)部缺陷的檢測(cè)提供了有效方法。

1 空耦超聲檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)原理

空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)原理如圖1 所示，超聲波入射到兩種材料的界面時(shí)，聲能會(huì)分成兩部分，一部分聲能被界面反射，另一部分則會(huì)透過(guò)界面。空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法根據(jù)透射聲能的變化判斷工件內(nèi)部缺陷狀況，缺陷會(huì)反射聲能，使透射聲能的能量降低，由此可判斷缺陷是否存在。采用空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)需要一發(fā)一收兩個(gè)超聲探頭，探傷儀產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，激勵(lì)發(fā)射探頭振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波透射通過(guò)樣品后使接收探頭振動(dòng)產(chǎn)生脈沖電流，不同狀況的樣品會(huì)產(chǎn)生不同的脈沖電流，進(jìn)而可以判斷缺陷是否存在。

圖1 空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)原理Fig.1 Detection principle of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)原理如圖2 所示，超聲波入射到樣品中，遇到缺陷會(huì)反射聲能，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法根據(jù)反射聲能的變化判斷工件內(nèi)部缺陷狀況。探傷儀產(chǎn)生激勵(lì)脈沖，激勵(lì)發(fā)射探頭振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波遇到樣品內(nèi)部缺陷反射后使接收探頭振動(dòng)產(chǎn)生脈沖電流，不同狀況的樣品會(huì)產(chǎn)生不同的脈沖電流，進(jìn)而可以判斷缺陷是否存在。

圖2 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)原理Fig.2 Detection principle of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.2 試驗(yàn)樣件

待檢測(cè)試驗(yàn)樣品如圖3 所示，圖3（a）為加熱片，加熱片由PVC 材料與加熱銅絲復(fù)合而成，加熱片厚0.1mm～0.2mm。圖3（b）為蜂窩板上加熱片位置示意圖，其中，蜂窩板由鋁皮和蜂窩芯復(fù)合而成，鋁皮厚0.3mm～0.5mm，蜂窩板厚度約10mm，長(zhǎng)約530mm，寬約500mm。大小各異的加熱片粘結(jié)在鋁皮制的蜂窩板上，固體粘結(jié)劑厚0.1mm～0.2mm。在加熱片和鋁皮之間預(yù)制有大小不等的氣泡、脫粘等缺陷，缺陷類(lèi)型、大小已標(biāo)注在加熱片或鋁板上，加熱片分別被標(biāo)記為1-8 號(hào)。

圖3 試驗(yàn)樣品Fig.3 Test sample

1.3 探頭參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方法

分別采用75kHz 壓電陶瓷探頭、12mm 和25mm 直徑的230kHz 壓電陶瓷探頭、400kHz 壓電陶瓷探頭進(jìn)行空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)試驗(yàn)，探頭最大掃查速度為100mm/s?？振畛晫?duì)側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)裝置如圖4 所示，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)裝置如圖5 所示。

圖4 空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental device of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

圖5 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental device of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.4 空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)結(jié)果

探頭頻率為75kHz 時(shí)的空耦超聲檢測(cè)圖如圖6 所示。探頭頻率為230kHz、直徑分別為12mm 和25mm 時(shí)的空耦超聲檢測(cè)圖如圖7 和圖8 所示。圖中藍(lán)色深的區(qū)域表示信號(hào)損失較多，說(shuō)明此區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)空間。從圖6～圖8 可以看出，采用頻率為75kHz 和頻率為230kHz、直徑為12mm 的探頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，能檢測(cè)出尺寸為5mm～6mm 的缺陷，不能檢測(cè)出尺寸小于5mm 的缺陷。采用頻率為230kHz、直徑為25mm 的探頭進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，對(duì)缺陷的檢測(cè)效果不明顯。

圖6 75kHz 探頭的空耦超聲檢測(cè)圖Fig.6 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 75kHz probe

圖7 探頭頻率為230kHz、直徑為12mm的空耦超聲檢測(cè)圖Fig.7 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 12mm

圖8 探頭頻率為230kHz、直徑為25mm 的空耦超聲檢測(cè)圖Fig.8 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 25mm

400kHz 探頭的空耦超聲檢測(cè)圖如圖9 所示，可以看出，400kHz 探頭的分辨率太高，由于蜂窩的影響，很難區(qū)分與蜂窩尺寸相當(dāng)?shù)娜毕荨?/p>

1.5 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)結(jié)果

采用12mm 直徑、230kHz 探頭進(jìn)行空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗(yàn)，整個(gè)蜂窩板空耦超聲成像結(jié)果如圖10 所示，圖中藍(lán)色深的區(qū)域表示信號(hào)損失較多，說(shuō)明此區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)空間。從圖中可以看出，采用空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法進(jìn)行試驗(yàn)很難檢測(cè)出缺陷的存在。

圖9 400kHz 探頭的空耦超聲檢測(cè)圖Fig.9 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 400kHz probe

圖10 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)圖Fig.10 Detection diagram of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.6 小結(jié)

通過(guò)空耦超聲檢測(cè)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，采用空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法能有效檢測(cè)出尺寸在5mm 以上的缺陷及其位置分布，對(duì)于尺寸在5mm 以下的缺陷不具有檢測(cè)效果，采用空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法對(duì)加熱片缺陷沒(méi)有檢測(cè)效果?？振畛晫?duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)部件級(jí)檢測(cè)，但需要在被測(cè)件兩側(cè)配置探頭，為保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)在設(shè)備總裝完成后進(jìn)行，此時(shí)只能在產(chǎn)品外部單側(cè)配置探頭，無(wú)法采用對(duì)側(cè)一發(fā)一收法。鑒于此，本文探索采用反射式太赫茲法進(jìn)行檢測(cè)，以驗(yàn)證此方法對(duì)加熱片缺陷檢測(cè)的可行性。

2 太赫茲?rùn)z測(cè)試驗(yàn)

2.1 太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

太赫茲無(wú)損檢測(cè)是指根據(jù)太赫茲波對(duì)材料中缺陷的不同響應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)、分析及評(píng)估的技術(shù)。太赫茲波是頻率為0.1THz～10THz、波長(zhǎng)為30μm～30mm 的電磁波，它具有頻帶寬、能量低（對(duì)人體無(wú)害）、穿透能力強(qiáng)等特性，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的新興檢測(cè)技術(shù)，上世紀(jì)八十年代中期超快激光技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波的穩(wěn)定產(chǎn)生提供了可能，使太赫茲的研究得到蓬勃發(fā)展。

圖11 為反射式THz 波檢測(cè)系統(tǒng)工作原理，飛秒激光由飛秒激光器產(chǎn)生，然后經(jīng)過(guò)分束片后分成泵浦光和探測(cè)光兩束光。泵浦光聚焦后入射到光電導(dǎo)天線(xiàn)上產(chǎn)生THz 波脈沖。THz 波脈沖由一對(duì)離軸拋物面鏡聚焦到樣品表面，THz 波脈沖經(jīng)樣品表面反射后經(jīng)過(guò)另一對(duì)離軸拋物面鏡聚焦到ZnTe晶體上。探測(cè)光與THz 波脈沖共線(xiàn)入射到ZnTe 晶體上，ZnTe 晶體受到THz 波脈沖的作用后折射率橢球發(fā)生變化，探測(cè)光受到調(diào)制后偏振狀態(tài)發(fā)生變化。調(diào)制后的探測(cè)光經(jīng)過(guò)波片（QWP）、渥拉斯頓棱鏡（WP）分成兩束偏振狀態(tài)垂直的光，照射到平衡探測(cè)器上。平衡探測(cè)器得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相放大器得到THz 脈沖某一時(shí)刻的信號(hào)，通過(guò)調(diào)整在探測(cè)光路上的延遲線(xiàn)可以得到整個(gè)THz 脈沖的時(shí)域波形。

圖11 反射式THz 波檢測(cè)系統(tǒng)Fig.11 Reflection THz wave detection system

2.2 太赫茲法試驗(yàn)結(jié)果

6 號(hào)加熱片和7 號(hào)加熱片采用太赫茲與空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法得到的檢測(cè)圖像對(duì)比如圖12 和圖13 所示。根據(jù)圖像中的黑白對(duì)比度以分析確定缺陷的特征與位置。從圖12 可以看出，對(duì)于5mm～6mm尺寸的缺陷，太赫茲法與空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法都具有良好的檢測(cè)效果。從太赫茲圖像12（c）中黃色橢圓表示區(qū)域可以看出，太赫茲?rùn)z測(cè)法能檢測(cè)到空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法檢測(cè)不到的小缺陷（4mm 左右）。7 號(hào)加熱片的預(yù)制缺陷如圖13（a）中的黑色圓圈所示，分別為2mm～3mm 尺寸的缺陷，對(duì)比圖13（b）和圖13（c）可以看出，對(duì)于2mm～3mm 尺寸的缺陷，太赫茲法能清晰檢測(cè)到空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法無(wú)法檢測(cè)到的缺陷形狀及位置，如圖13（c）中的黑色箭頭所示。同時(shí)，太赫茲法還發(fā)現(xiàn)了由于粘結(jié)工藝不完善引起的聚集性小氣泡，對(duì)比可知尺寸約為0.5mm 左右，如圖13（c）中紅色橢圓區(qū)域所示。

圖12 6 號(hào)加熱片太赫茲與空耦超聲法圖像對(duì)比Fig.12 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

5 號(hào)加熱片實(shí)物與太赫茲?rùn)z測(cè)圖如圖14 所示。從圖14（b）可以看出，太赫茲圖像有明顯的白色紋路條紋，與加熱片內(nèi)部的銅片分布一致，這是由于銅片太寬，太赫茲波不能穿透金屬，無(wú)法檢測(cè)到銅片之下的缺陷，但能檢測(cè)到銅片間隙有黑色缺陷區(qū)域，如圖14（b）中的紅色橢圓區(qū)域，這可能是脫粘缺陷。

圖13 7 號(hào)加熱片太赫茲與空耦超聲圖像對(duì)比Fig.13 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

圖14 5 號(hào)加熱片實(shí)物與太赫茲圖像Fig.14 Physical object and terahertz image of No.5 heat patch

2.3 小結(jié)

通過(guò)太赫茲波檢測(cè)試驗(yàn)，并對(duì)比空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收檢測(cè)法試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采用空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收檢測(cè)法和太赫茲法能有效檢測(cè)出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布；對(duì)于尺寸在1mm～3mm 的缺陷，空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收檢測(cè)法沒(méi)有檢測(cè)效果，而太赫茲?rùn)z測(cè)法能有效檢測(cè)出缺陷的形狀及位置；同時(shí)，2 號(hào)、3 號(hào)、7 號(hào)和8 號(hào)加熱片太赫茲圖像中還出現(xiàn)一些密密麻麻的黑色小圓點(diǎn)（0.2mm 左右），這可能是由于粘結(jié)工藝的原因，在粘結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)的非預(yù)制小氣泡缺陷造成的?？梢?jiàn)，采用太赫茲?rùn)z測(cè)法不僅能達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)效果，還能檢測(cè)到非預(yù)制的缺陷，但是太赫茲法也有一定的局限性，不能檢測(cè)到寬加熱片以下的缺陷。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)蜂窩夾芯復(fù)合材料外加熱片粘結(jié)質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比分析空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收檢測(cè)法、空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收檢測(cè)法和太赫茲?rùn)z測(cè)法對(duì)加熱片缺陷的檢測(cè)效果，得出以下結(jié)論：

①采用空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法可檢測(cè)出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布，但不能可靠檢測(cè)出尺寸小于5mm 的缺陷檢測(cè)，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法無(wú)法檢測(cè)加熱片脫粘缺陷；

②太赫茲?rùn)z測(cè)方法可有效檢測(cè)出預(yù)制的2mm～3mm 脫粘缺陷形狀及位置，但無(wú)法檢測(cè)寬加熱絲加熱片，具有一定的局限性；太赫茲?rùn)z測(cè)過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)了由于粘結(jié)工藝不完善引起的非預(yù)制小缺陷，預(yù)測(cè)其可檢出0.5mm 以上的小氣泡脫粘缺陷；

③通過(guò)本研究確定加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)方法：設(shè)備總裝完成后，采用太赫茲?rùn)z測(cè)法進(jìn)行粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)于粘結(jié)有寬加熱絲加熱片的設(shè)備，應(yīng)在部件級(jí)采用空耦超聲對(duì)側(cè)一發(fā)一收法進(jìn)行粘結(jié)質(zhì)量檢測(cè)。