湯振鶴 ，孫良文 ，段劍 ，趙付寶 ，蔣志強(qiáng) ，孫巖 ，王從科 ，凡麗梅 ，董方旭 ，鄭素萍 ，劉志鵬

(1.山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250031；2.中國(guó)人民解放軍32379部隊(duì)，北京 100072)

隨著復(fù)合材料在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用[1]，航天航空、海軍艦艇、陸軍戰(zhàn)車等武器裝備的關(guān)鍵部件普遍使用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。乙烯-乙酸乙烯酯塑料(EVAC)膠膜／玻璃纖維／陶瓷／鋁合金復(fù)合材料防御性能好、質(zhì)量輕，能夠提高兩棲戰(zhàn)車的機(jī)動(dòng)性能和防御性能，廣泛用于兩棲裝甲戰(zhàn)車的防護(hù)體系。復(fù)合材料，常用于制造武器裝備的核心元件，由于其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在它們不同的工作階段會(huì)產(chǎn)生不同的損傷和損壞，這種損害會(huì)降低材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，對(duì)武器裝備的安全性造成威脅[2]。

復(fù)合材料在成型和使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在缺陷和遭受損傷。缺陷的存在，直接影響復(fù)合材料制件的結(jié)構(gòu)和性能，降低設(shè)計(jì)壽命[3]。復(fù)合材料制件的制造涉及許多復(fù)雜的工藝程序，在這些工藝過(guò)程中可能會(huì)在制件內(nèi)部產(chǎn)生各種類型的缺陷，這些缺陷會(huì)引起嚴(yán)重的安全問(wèn)題[4]。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)EVAC膠膜／玻璃纖維層與鋁合金之間會(huì)出現(xiàn)脫粘缺陷，缺陷存在會(huì)降低其抗彈性能，嚴(yán)重影響兩棲戰(zhàn)車的防御性和可靠性。為加強(qiáng)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制和滿足產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)要求，需要選擇快速、可靠的檢測(cè)方法對(duì)產(chǎn)品的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

近年來(lái)，敲擊檢測(cè)越來(lái)越多應(yīng)用于航天、航空復(fù)合材料的脫粘缺陷，敲擊檢測(cè)方法逐漸被認(rèn)可，與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法相比，敲擊檢測(cè)具有設(shè)備便攜、價(jià)格低廉、操作方便、使用簡(jiǎn)單、檢測(cè)靈敏度較高等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等，隨著材料制備工藝和檢測(cè)設(shè)備的更新?lián)Q代，敲擊檢測(cè)設(shè)備從最初的木棒、硬幣逐漸演變成自動(dòng)敲擊檢測(cè)系統(tǒng)。當(dāng)前，在工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中使用敲擊檢測(cè)設(shè)備較多的型號(hào)主要有3種：空中客車公司的PN98A57103013型敲擊設(shè)備、日本三井公司W(wǎng)P-632型敲擊設(shè)備、波音公司的P／NF4TAP002 RD3 Electronic Digital-Tap Hammer型敲擊設(shè)備[5-7]。

敲擊檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)和淺層損傷最快捷和有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一，敲擊檢測(cè)技術(shù)被廣泛用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)損傷的檢測(cè)與識(shí)別[8-9]。敲擊檢測(cè)方法可以檢出脫粘缺陷，然而在實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)中，存在檢測(cè)效率較低、檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度無(wú)法評(píng)估等難題，為了解決實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)存在的問(wèn)題，筆者對(duì)缺陷試樣制備方法進(jìn)行了研究，為敲擊檢測(cè)的檢出能力評(píng)估提供了依據(jù)，通過(guò)自動(dòng)敲擊檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)缺陷試樣進(jìn)行檢測(cè)，為產(chǎn)品自動(dòng)敲擊檢測(cè)工藝參數(shù)的選擇提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

EVAC膠膜：山東省壽光市鑫彤防水材料有限公司；

玻璃纖維織物：SWR-400型，南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院；

陶瓷塊：AZ-6-47.5*6b型，厚度6 mm，揚(yáng)州三山陶瓷有限公司；

鋁合金：603型，常州機(jī)械器材限公司；

膠粘劑：J-628型，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司；

表面處理劑：JH-7212型，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

數(shù)控超高壓水切割機(jī)：WJP-3000型，美國(guó)福祿公司；

平板硫化機(jī)：MZ-3012型，江蘇試驗(yàn)機(jī)械有限公司；

熱壓罐、自動(dòng)敲擊檢測(cè)系統(tǒng)：市售；

射線源：Y.TU 225-V01型，德國(guó)YXLON公司；

探測(cè)器：2520DX型，美國(guó)Varian公司。

1.3 試樣制備

(1)機(jī)械熱壓成型。

先將EVAC膠膜與玻璃纖維織物交織鋪層熱壓成型，形成厚度約為1.2 mm復(fù)合層，在復(fù)合層上開規(guī)則尺寸孔；再將鋁合金薄板、復(fù)合層、陶瓷塊表面涂有均勻膠粘劑，按預(yù)定工藝鋪層，放置于平板硫化機(jī)壓板上加壓成型，毛坯件尺寸350 mm×400 mm。采用表壓12 MPa，起始溫度15℃，升溫至50℃，保溫保壓10 min，風(fēng)扇冷卻至25℃，保壓 24 h，卸壓。

(2)熱壓罐真空輔助成型[10]。

將EVAC膠膜、玻璃纖維織物、鋁合金薄板、陶瓷塊按預(yù)定順序與數(shù)量鋪層，將模具裝在小車上，推入熱壓罐成型，毛坯件尺寸2 000 mm×1 000 mm。采用1 MPa壓力，起始溫度25℃，升溫至180℃，保溫保壓90 min，保壓自然冷卻至20℃，卸壓。

1.4 試樣缺陷設(shè)計(jì)

試驗(yàn)缺陷試樣采用上述兩種方法分批次制備，試樣厚度約9 mm，試樣尺寸300 mm×350 mm，試樣缺陷設(shè)計(jì)在鋁合金與復(fù)合層之間[11-13]，具體設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 敲擊檢測(cè)試驗(yàn)的試樣缺陷設(shè)計(jì)

1.5 敲擊檢測(cè)試驗(yàn)

采用多通道自動(dòng)敲擊檢測(cè)試驗(yàn)，掃查區(qū)域設(shè)置為試樣缺陷處及周邊關(guān)鍵區(qū)域，顯示方式為C掃描成像，通過(guò)改變掃查間距、通道數(shù)、敲擊頻率，分析這些參數(shù)對(duì)檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)結(jié)果影響。敲擊試驗(yàn)采用的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 自動(dòng)敲擊檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

1.6 數(shù)字射線成像試驗(yàn)

采用數(shù)字射線檢測(cè)系統(tǒng)(由射線源和探測(cè)器組成)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如下：管電壓120 kV，管電流2 mA，焦點(diǎn)尺寸0.5 mm，焦距600 mm，曝光時(shí)間30 s，探測(cè)器有效尺寸350 mm×400 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同方法制備的缺陷試樣檢測(cè)

采用機(jī)械熱壓成型制備試樣時(shí)，在制備過(guò)程中聽(tīng)見(jiàn)異響，觀察到試樣層與層之間有錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，推測(cè)異響可能是由于機(jī)械壓力不均、局部受力過(guò)大造成陶瓷破碎引起。采用熱壓罐真空輔助成型制備試樣，在制備過(guò)程中無(wú)法觀察，制備完成后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試樣的錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。X射線檢測(cè)技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測(cè)技術(shù)[14]，為了探查異響原因和陶瓷塊排列情況，對(duì)1#和2#試樣進(jìn)行數(shù)字射線測(cè)試和敲擊檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1a可以看出，陶瓷塊產(chǎn)生破碎、縫隙不均等現(xiàn)象；從圖2a可以看出，陶瓷排列緊密、縫隙均勻，陶瓷無(wú)破碎。根據(jù)數(shù)字射線測(cè)試結(jié)果可以得出，采用機(jī)械熱壓成型工藝制備試樣時(shí)，普遍存在陶瓷縫隙過(guò)大和陶瓷破碎的現(xiàn)象，而采用熱壓罐真空輔助成型時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)這些現(xiàn)象。從圖1b可以看出，在敲擊檢測(cè)時(shí)，陶瓷破碎、縫隙過(guò)大會(huì)產(chǎn)生清楚的顯示輪廓，說(shuō)明機(jī)械熱壓成型制備試樣中存在的陶瓷塊破碎、縫隙不均等現(xiàn)象會(huì)對(duì)敲擊檢測(cè)效果有一定影響。從圖2b中觀察不到由陶瓷縫隙所產(chǎn)生的顯示輪廓，說(shuō)明采用熱壓罐真空輔助成型制備試樣更為合理。

對(duì)比圖1b與圖2b敲擊檢測(cè)結(jié)果，可以看出，在同樣的檢測(cè)參數(shù)下敲擊測(cè)試，在圖1b中能明顯看出因陶瓷縫隙、破碎的影響所引起的顯示輪廓，背景分辨率低、清晰度差，若此處正好存在缺陷，則缺陷顯示難以識(shí)別。圖2b的檢測(cè)結(jié)果中，圖像背景質(zhì)地均勻，檢測(cè)效果好，不受陶瓷縫隙的影響。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，EVAC／玻璃纖維／陶瓷／鋁合金復(fù)合材料敲擊檢測(cè)缺陷試樣應(yīng)采用熱壓罐真空輔助成型工藝制備。

圖1 1#試樣數(shù)字射線測(cè)試及敲擊檢測(cè)圖像

圖2 2#試樣數(shù)字射線測(cè)試及敲擊檢測(cè)圖像

2.2 通道數(shù)對(duì)敲擊檢測(cè)結(jié)果的影響

數(shù)字化敲擊檢測(cè)是在傳統(tǒng)敲擊法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)[15]，試驗(yàn)通過(guò)改變通道數(shù)，固定掃查間距和敲擊頻率，記錄試驗(yàn)時(shí)間，以得到的檢測(cè)圖像質(zhì)量為參考，以能夠識(shí)別一定尺寸缺陷為準(zhǔn)，分析通道數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。分別采用 1，2，3，4 個(gè)通道對(duì) 3#試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)區(qū)域40 mm×150 mm，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

表3 通道數(shù)變化時(shí)3#試樣的敲擊檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

圖3 1個(gè)通道和4個(gè)通道下3#試樣的敲擊檢測(cè)圖像

從圖3可以看出，1個(gè)通道和4個(gè)通道下的圖像質(zhì)量基本一致，對(duì)同一尺寸的缺陷檢出能力基本相同，說(shuō)明通道數(shù)對(duì)敲擊檢測(cè)圖像質(zhì)量、缺陷識(shí)別能力沒(méi)有影響，即通道數(shù)對(duì)敲擊檢測(cè)靈敏度沒(méi)有影響。從表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，隨著通道數(shù)的增加，檢測(cè)所用時(shí)間減少，檢測(cè)效率提高。理論上通道數(shù)與檢測(cè)效率成正比例關(guān)系，測(cè)試結(jié)果表明，通道數(shù)與檢測(cè)時(shí)間成近似反比關(guān)系，因此與理論基本符合。

2.3 掃查間距對(duì)敲擊檢測(cè)結(jié)果的影響

掃查間距是指當(dāng)采用兩個(gè)以上通道數(shù)檢測(cè)時(shí)兩敲擊錘之間的距離或采用一個(gè)通道檢測(cè)時(shí)兩次掃查之間的距離。對(duì)4#試樣中的120 mm×200 mm區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，分析掃查間距對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表4，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

表4 掃查間距變化時(shí)4#試樣的敲擊檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

圖4 不同掃查間距下4#試樣的敲擊檢測(cè)圖像

從圖4a可以看出，缺陷顯示能夠全部識(shí)別，缺陷邊緣輪廓顯示清晰，缺陷測(cè)量精度較高。從圖4b、圖4c中可以看出，缺陷顯示能夠全部識(shí)別，但整體圖像清晰度有所下降，缺陷顯示邊緣逐漸變得模糊，小缺陷顯示的清晰度變化比較明顯。從圖4d看出，缺陷顯示基本可以全部識(shí)別，但缺陷顯示清晰度顯著下降，尤其是小缺陷邊緣的顯示不完全，缺陷顯示有丟失現(xiàn)象。

從表4的數(shù)據(jù)可以看出，在其它參數(shù)不變的條件下，掃查間距增大，檢測(cè)時(shí)間明顯縮短。圖4a與圖4d對(duì)比可以看出，圖4a清晰度、對(duì)比度較好，圖像質(zhì)量最佳，圖4d清晰度下降，圖像質(zhì)量變差。試驗(yàn)說(shuō)明，增大掃查間距可以顯著提高檢測(cè)效率，但會(huì)引起圖像質(zhì)量下降，可能會(huì)引起缺陷顯示信息丟失。掃查間距的大小會(huì)影響檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)速度，故掃查間距可根據(jù)預(yù)發(fā)現(xiàn)最大缺陷尺寸進(jìn)行確定(可設(shè)置為預(yù)發(fā)現(xiàn)缺陷最大尺寸的1／2或2／3)。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行敲擊檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)靈敏度，可適當(dāng)降低掃查間距，為了保證檢測(cè)效率，可適當(dāng)增加通道數(shù)和增大敲擊頻率，進(jìn)而適應(yīng)生產(chǎn)進(jìn)度。

2.4 敲擊頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

采用單個(gè)敲擊頭、1個(gè)通道，對(duì)0.3 mm厚鋁合金蒙皮5#產(chǎn)品試樣的完好區(qū)域進(jìn)行掃描，測(cè)試敲擊頻率為 2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 Hz 時(shí)的脈沖信號(hào)寬度，每個(gè)頻率測(cè)試三次取平均值，測(cè)試記錄結(jié)果見(jiàn)表5。通過(guò)表5可以看出，在不同敲擊頻率下的脈沖信號(hào)寬度范圍變化相同，且變化范圍很小，說(shuō)明敲擊檢測(cè)頻率對(duì)敲擊檢測(cè)效果沒(méi)有影響。

表5 不同敲擊頻率下5#試樣的脈沖信號(hào)寬度

選取高低兩種敲擊頻率對(duì)5#產(chǎn)品試樣進(jìn)行敲擊檢測(cè)，檢測(cè)區(qū)域設(shè)置為80 mm×80 mm，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表6，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。當(dāng)每個(gè)點(diǎn)采樣一次，敲擊頻率為2 Hz時(shí)，理論需要的檢測(cè)時(shí)間為3 200 s，當(dāng)敲擊頻率為20 Hz時(shí)，理論上需要檢測(cè)時(shí)間最少為320 s。通過(guò)表6可以看出，敲擊頻率的改變會(huì)影響檢測(cè)時(shí)間，直接影響檢測(cè)效率。從圖5可以看出，敲擊頻率的變化，對(duì)檢測(cè)圖像質(zhì)量基本沒(méi)有影響，即不會(huì)影響敲擊檢測(cè)的檢出能力。

表6 敲擊頻率變化時(shí)5#試樣的敲擊檢測(cè)試驗(yàn)參數(shù)

圖5 不同敲擊頻率下5#試樣的敲擊檢測(cè)圖像

2.5 檢測(cè)速度對(duì)敲擊檢測(cè)結(jié)果的影響

從2.2，2.3和2.4的試驗(yàn)可以得出，檢測(cè)速度主要受通道數(shù)、掃查間距、敲擊頻率的影響。檢測(cè)時(shí)，通過(guò)增加通道數(shù)，可以提高檢測(cè)速度，此時(shí)敲擊檢測(cè)效果基本不受影響。若通過(guò)增大掃查間距提高檢測(cè)速度，會(huì)影響檢測(cè)圖像質(zhì)量，影響敲擊檢測(cè)的檢出能力。產(chǎn)品實(shí)際檢測(cè)時(shí)，一般先調(diào)整其它檢測(cè)參數(shù)，在保證缺陷檢出的能力條件下，通過(guò)增加通道數(shù)、增大掃查間距以及高頻率敲擊來(lái)提高檢測(cè)速度，檢測(cè)速度最終以實(shí)測(cè)速度為準(zhǔn)。

3 結(jié)論

(1)采用熱壓罐真空輔助成型工藝制備的缺陷試樣能夠用于EVAC／玻璃纖維／陶瓷／鋁合金復(fù)合材料自動(dòng)敲擊檢測(cè)的綜合性能和靈敏度驗(yàn)證試驗(yàn)。

(2)在保持自動(dòng)敲擊檢測(cè)結(jié)果基本不變的條件下，可通過(guò)增加通道數(shù)、增大敲擊頻率等方法提高檢測(cè)速度。增大掃查間距可大幅提高檢測(cè)速度，但檢測(cè)靈敏度會(huì)隨之下降，一般在保證缺陷檢測(cè)能力的條件下，可適當(dāng)增大掃查間距，提高檢測(cè)效率。

(3)在實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)一般先粗掃查、后細(xì)掃查。粗掃查時(shí)，敲擊頻率、通道數(shù)默認(rèn)為最大，掃查間距設(shè)置為預(yù)發(fā)現(xiàn)缺陷最大尺寸的1／2或2／3。細(xì)掃查是在粗掃查的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)排查。