圖 1泡沫夾層結(jié)構(gòu)激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)原理示意
航空航天是當(dāng)今世界最具挑戰(zhàn)性和廣泛帶動(dòng)性的高技術(shù)領(lǐng)域，空天飛行器等高端裝備的快速發(fā)展也對(duì)材料的力學(xué)性能和功能特性提出了更高的技術(shù)要求[1]。泡沫夾層是一種由兩片輕質(zhì)高強(qiáng)的面板和夾在中間的硬質(zhì)泡沫芯組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有密度低、比強(qiáng)度高、疲勞性能好、隔熱性能突出等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[2]。然而，受生產(chǎn)工藝、環(huán)境控制等因素影響，泡沫夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)部容易產(chǎn)生缺陷，其中復(fù)合材料面板和泡沫芯的脫黏是最普遍且最為嚴(yán)重的缺陷之一，黏接缺陷會(huì)導(dǎo)致泡沫夾層結(jié)構(gòu)承載能力下降，帶來(lái)安全隱患，因此對(duì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)的黏接缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和評(píng)價(jià)是十分重要的[3]。
航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用的部分泡沫夾層材料由蒙皮、泡沫和基體黏接組成。針對(duì)該結(jié)構(gòu)黏接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)主要存在以下3個(gè)難點(diǎn)：①存在蒙皮-泡沫和泡沫-基體兩個(gè)黏接界面，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；②聲衰減較大、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性差，聲、熱、電信號(hào)均難以傳播；③部分構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，只能從蒙皮一側(cè)對(duì)其實(shí)施檢測(cè)。因此，其與一般復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)具有明顯區(qū)別，五大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法以及紅外檢測(cè)等均難以有效地同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)黏接面的黏接質(zhì)量。
激光錯(cuò)位散斑是一種用于表面變形測(cè)量的光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，當(dāng)用外界載荷使得泡沫夾層結(jié)構(gòu)脫黏缺陷的外表面發(fā)生離面位移時(shí)，其可以有效檢測(cè)出脫黏缺陷[4-6]。并且激光錯(cuò)位散斑可以只從蒙皮一側(cè)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，不受泡沫夾層結(jié)構(gòu)基體材料、形狀的影響，檢測(cè)效果好、效率高[7]。
1. 檢測(cè)原理
泡沫夾層結(jié)構(gòu)的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)原理示意如圖1所示。將泡沫夾層構(gòu)件放置在真空箱中，激光束照射在蒙皮表面，錯(cuò)位散斑檢測(cè)攝像頭采集蒙皮表面的散斑圖像。在抽取真空的過(guò)程中，真空箱內(nèi)部的壓力低于大氣壓，若蒙皮與泡沫或泡沫與基體之間存在脫黏缺陷，脫黏缺陷處的氣體和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的外表面間形成真空壓力差，使得脫黏缺陷對(duì)應(yīng)的外表面處產(chǎn)生微小變形，導(dǎo)致脫黏缺陷處對(duì)應(yīng)的離面位移不同于正常區(qū)域的離面位移，其在散斑圖像上會(huì)表現(xiàn)為鼓包或蝴蝶狀的干涉條紋圖案。
通常情況下，缺陷處表面的離面位移越大，在最大靈敏度情況下能出現(xiàn)的條紋級(jí)次越高，只有當(dāng)條紋級(jí)次大于或等于1時(shí)，缺陷在理論上才可被檢測(cè)到[8-9]。當(dāng)真空壓力差較小時(shí)，無(wú)法使蒙皮表面產(chǎn)生足夠的離面位移，也就無(wú)法觀測(cè)到脫黏缺陷引起的干涉條紋或相位圖；隨著真空壓力差的增加，脫黏缺陷依次顯現(xiàn)；但是當(dāng)真空壓力差超過(guò)一定值時(shí)，散斑圖像中噪聲干擾增大，難以識(shí)別缺陷。因此，分析真空壓力差對(duì)黏接缺陷激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)的影響是十分重要的。
2. 缺陷試塊制備
為探究真空壓力差對(duì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)黏接缺陷激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)的影響，文章制備了兩種不同缺陷類(lèi)型的試塊，此處將兩種試塊分別命名為A型試塊、B型試塊。脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)及缺陷尺寸和分布示意如圖2所示。
圖 2脫黏缺陷試塊結(jié)構(gòu)及缺陷尺寸和分布示意
A型試塊由石英纖維蒙皮與PMI泡沫組成，蒙皮厚度約為1 mm，泡沫厚度H為20 mm。在泡沫上加工5個(gè)方形槽，用于模擬蒙皮與泡沫間的脫黏缺陷，方槽尺寸分別為10 mm×10 mm，20 mm×20 mm，30 mm×30 mm，40 mm×40 mm，50 mm×50 mm，槽深度均約為1 mm。
B型試塊由石英纖維蒙皮、PMI泡沫、基體組成，共制備兩塊泡沫厚度不同的試塊，分別為5 mm和20 mm，蒙皮厚度均約為1 mm，基體均采用4 mm厚度的鋁合金，在鋁合金板上加工5個(gè)方形槽，用于模擬泡沫與基體間的脫黏缺陷，方槽尺寸和分布與A型試塊的相同。
3. 散斑檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備及條件
試驗(yàn)采用美國(guó)LTI 公司生產(chǎn)的LTI5100型便攜式激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)設(shè)備，激光器為NdYag 綠光，波長(zhǎng)為532 nm，功率為150 mW；散斑探頭像素為1 350像素×1 024像素，幀頻為30幀/s，錯(cuò)位角度為0°~5°。試驗(yàn)時(shí)采用真空加載，將含有不同種類(lèi)脫黏缺陷的試塊放置在真空箱中，采集不同真空壓力差下的散斑檢測(cè)圖像。
4. 檢測(cè)結(jié)果
4.1 蒙皮與泡沫脫黏缺陷檢測(cè)
采用不同真空壓力差對(duì)A型試塊進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)，結(jié)果如圖3所示。
圖 3不同真空壓力差下，A型試塊的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果
由圖3可知，當(dāng)真空壓力差為2 kPa時(shí)，脫黏缺陷基本不可見(jiàn)；隨著真空壓力差的增大，脫黏缺陷越來(lái)越明顯；當(dāng)真空壓力差達(dá)到6 kPa時(shí)，脫黏缺陷最為明顯，可以清晰觀測(cè)到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差達(dá)到8 kPa 時(shí)，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。因此對(duì)泡沫夾層構(gòu)件采用基于真空加載的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)時(shí)，需要合理控制真空壓力差，該試塊最合適的真空壓力差為6 kPa。
4.2 泡沫與基體脫黏缺陷檢測(cè)
采用不同真空壓力差對(duì)泡沫厚度H分別為5 mm和20 mm的兩個(gè)B型試塊進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果分別如圖4，5所示。
圖 4不同真空壓力差下，B型試塊（H=5 mm）的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果
圖 5不同真空壓力差下，B型試塊（H=20 mm）的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果
由圖4可知，當(dāng)真空壓力差為1 kPa時(shí)可觀測(cè)到尺寸為20 mm×20 mm的脫黏缺陷，無(wú)法觀測(cè)到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差增加到2，3 kPa 時(shí)，10 mm×10 mm的脫黏缺陷越來(lái)越明顯；而當(dāng)真空壓力差增加到4，5 kPa時(shí)，可以清晰識(shí)別出10 mm×10 mm的脫黏缺陷，且缺陷對(duì)應(yīng)的散斑圖像面積未發(fā)生明顯變化；當(dāng)真空壓力差達(dá)到6 kPa 時(shí)，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。從散斑檢測(cè)結(jié)果可知，對(duì)于泡沫厚度為5 mm的B型試塊，最合適的真空壓力差為5 kPa。
由圖5可知，當(dāng)真空壓力差為3 kPa時(shí)，可以看到尺寸為40 mm×40 mm，50 mm×50 mm的兩個(gè)缺陷的蝴蝶斑，但是散斑對(duì)應(yīng)的面積較小；隨著真空壓力差的增大，缺陷尺寸越來(lái)越大，散斑條紋也越來(lái)越清晰；當(dāng)真空壓力差達(dá)到7 kPa 時(shí)，30 mm×30 mm的缺陷開(kāi)始顯現(xiàn)；真空壓力差進(jìn)一步增大到10 kPa 時(shí)，散斑圖像中的噪聲陡增，嚴(yán)重干擾缺陷的識(shí)別，期間10 mm×10 mm和20 mm×20 mm的缺陷始終無(wú)法清晰識(shí)別。
綜合泡沫厚度為5 mm和20 mm的兩個(gè)B型試塊的激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果可知，泡沫的厚度對(duì)于泡沫與基體之間黏接缺陷的檢測(cè)靈敏度影響較大。對(duì)于泡沫厚度不同的試塊，其最適合的真空壓力差也不一樣。由于蒙皮為石英纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料，其壓縮模量是PMI泡沫的數(shù)十倍，在真空壓力下，泡沫的變形量要遠(yuǎn)大于蒙皮的變形量。因此，檢測(cè)泡沫與基體黏接處的脫黏缺陷時(shí)，在相同的真空壓力差下，泡沫厚度越大，其脫黏處的蒙皮變形量越小，就需要更大的真空壓力差才能使得蒙皮表面產(chǎn)生足夠的離面位移。但是當(dāng)真空壓力差超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)引起泡沫夾層構(gòu)件的整體變形，散斑圖像中噪聲干擾過(guò)大，影響缺陷的識(shí)別。
5. 結(jié)論
（1）由于泡沫夾層結(jié)構(gòu)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)難以有效地同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)黏接面的黏接質(zhì)量，而激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)出蒙皮與泡沫、泡沫與基體的黏接質(zhì)量。
（2）在對(duì)泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料采用真空加載的方式進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)時(shí)，真空壓力差對(duì)檢測(cè)圖像的影響較大，需要根據(jù)構(gòu)件的泡沫厚度、缺陷尺寸、缺陷位置等選擇合適的真空壓力差。
（3）對(duì)PMI泡沫與厚度約為1 mm的石英纖維蒙皮的黏接質(zhì)量進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)，真空壓力差為6 kPa時(shí)脫黏缺陷顯示最為明顯，可以清晰觀測(cè)到尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷。
（4）對(duì)PMI泡沫與基體的黏接質(zhì)量進(jìn)行激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)，當(dāng)泡沫厚度為5 mm時(shí)，最小可以檢測(cè)出尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)泡沫厚度為20 mm時(shí)，脫黏缺陷檢測(cè)所需要的真空壓力差也大幅增大，且檢測(cè)靈敏度有所下降，最小只能檢測(cè)出尺寸為30 mm×30 mm的脫黏缺陷。
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