分享：真空加載下泡沫夾層結(jié)構(gòu)的激光錯位散斑檢測靈敏度分析

航空航天是當(dāng)今世界最具挑戰(zhàn)性和廣泛帶動性的高技術(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，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，黏接缺陷會導(dǎo)致泡沫夾層結(jié)構(gòu)承載能力下降，帶來安全隱患，因此對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的黏接缺陷進(jìn)行無損檢測和評價是十分重要的[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。針對該結(jié)構(gòu)黏接質(zhì)量的無損檢測主要存在以下3個難點：①存在蒙皮-泡沫和泡沫-基體兩個黏接界面，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、電信號均難以傳播；③部分構(gòu)件由于結(jié)構(gòu)特點，只能從蒙皮一側(cè)對其實施檢測。因此，其與一般復(fù)合材料的無損檢測具有明顯區(qū)別，五大常規(guī)無損檢測方法以及紅外檢測等均難以有效地同時檢測兩個黏接面的黏接質(zhì)量。 

激光錯位散斑是一種用于表面變形測量的光學(xué)檢測技術(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，其可以有效檢測出脫黏缺陷[4-6]。并且激光錯位散斑可以只從蒙皮一側(cè)對構(gòu)件進(jìn)行檢測，不受泡沫夾層結(jié)構(gòu)基體材料、形狀的影響，檢測效果好、效率高[7]。 

1.   檢測原理

泡沫夾層結(jié)構(gòu)的激光錯位散斑檢測原理示意如圖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，錯位散斑檢測攝像頭采集蒙皮表面的散斑圖像。在抽取真空的過程中，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，使得脫黏缺陷對應(yīng)的外表面處產(chǎn)生微小變形，導(dǎo)致脫黏缺陷處對應(yīng)的離面位移不同于正常區(qū)域的離面位移，其在散斑圖像上會表現(xiàn)為鼓包或蝴蝶狀的干涉條紋圖案。 

圖  1  泡沫夾層結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測原理示意

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)的條紋級次越高，只有當(dāng)條紋級次大于或等于1時，缺陷在理論上才可被檢測到[8-9]。當(dāng)真空壓力差較小時，無法使蒙皮表面產(chǎn)生足夠的離面位移，也就無法觀測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)真空壓力差超過一定值時，散斑圖像中噪聲干擾增大，難以識別缺陷。因此，分析真空壓力差對黏接缺陷激光錯位散斑檢測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泡沫夾層結(jié)構(gòu)黏接缺陷激光錯位散斑檢測的影響，文章制備了兩種不同缺陷類型的試塊，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.   散斑檢測試驗設(shè)備及條件

試驗采用美國LTI 公司生產(chǎn)的LTI5100型便攜式激光錯位散斑檢測設(shè)備，激光器為NdYag 綠光，波長為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，錯位角度為0°~5°。試驗時采用真空加載，將含有不同種類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圖像。 

4.   檢測結(jié)果

4.1   蒙皮與泡沫脫黏缺陷檢測

采用不同真空壓力差對A型試塊進(jìn)行激光錯位散斑檢測，結(jié)果如圖3所示。 

圖  3  不同真空壓力差下，A型試塊的激光錯位散斑檢測結(jié)果

由圖3可知，當(dāng)真空壓力差為2 kPa時，脫黏缺陷基本不可見；隨著真空壓力差的增大，脫黏缺陷越來越明顯；當(dāng)真空壓力差達(dá)到6 kPa時，脫黏缺陷最為明顯，可以清晰觀測到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差達(dá)到8 kPa 時，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。因此對泡沫夾層構(gòu)件采用基于真空加載的激光錯位散斑檢測時，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

采用不同真空壓力差對泡沫厚度H分別為5 mm和20 mm的兩個B型試塊進(jìn)行激光錯位散斑檢測，檢測結(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）的激光錯位散斑檢測結(jié)果

圖  5  不同真空壓力差下，B型試塊（H=20 mm）的激光錯位散斑檢測結(jié)果

由圖4可知，當(dāng)真空壓力差為1 kPa時可觀測到尺寸為20 mm×20 mm的脫黏缺陷，無法觀測到10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)真空壓力差增加到2，3 kPa 時，10 mm×10 mm的脫黏缺陷越來越明顯；而當(dāng)真空壓力差增加到4，5 kPa時，可以清晰識別出10 mm×10 mm的脫黏缺陷，且缺陷對應(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，圖像中出現(xiàn)了較大的噪聲。從散斑檢測結(jié)果可知，對于泡沫厚度為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，可以看到尺寸為40 mm×40 mm，50 mm×50 mm的兩個缺陷的蝴蝶斑，但是散斑對應(yīng)的面積較?。浑S著真空壓力差的增大，缺陷尺寸越來越大，散斑條紋也越來越清晰；當(dāng)真空壓力差達(dá)到7 kPa 時，30 mm×30 mm的缺陷開始顯現(xiàn)；真空壓力差進(jìn)一步增大到10 kPa 時，散斑圖像中的噪聲陡增，嚴(yán)重干擾缺陷的識別，期間10 mm×10 mm和20 mm×20 mm的缺陷始終無法清晰識別。 

綜合泡沫厚度為5 mm和20 mm的兩個B型試塊的激光錯位散斑檢測結(jié)果可知，泡沫的厚度對于泡沫與基體之間黏接缺陷的檢測靈敏度影響較大。對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，檢測泡沫與基體黏接處的脫黏缺陷時，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)真空壓力差超過一定值時，會引起泡沫夾層構(gòu)件的整體變形，散斑圖像中噪聲干擾過大，影響缺陷的識別。 

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，常規(guī)的檢測技術(shù)難以有效地同時檢測兩個黏接面的黏接質(zhì)量，而激光錯位散斑檢測技術(shù)可以有效檢測出蒙皮與泡沫、泡沫與基體的黏接質(zhì)量。 

（2）在對泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料采用真空加載的方式進(jìn)行激光錯位散斑檢測時，真空壓力差對檢測圖像的影響較大，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)行激光錯位散斑檢測，真空壓力差為6 kPa時脫黏缺陷顯示最為明顯，可以清晰觀測到尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷。 

（4）對PMI泡沫與基體的黏接質(zhì)量進(jìn)行激光錯位散斑檢測，當(dāng)泡沫厚度為5 mm時，最小可以檢測出尺寸為10 mm×10 mm的脫黏缺陷；當(dāng)泡沫厚度為20 mm時，脫黏缺陷檢測所需要的真空壓力差也大幅增大，且檢測靈敏度有所下降，最小只能檢測出尺寸為30 mm×30 mm的脫黏缺陷。

文章來源——材料與測試網(wǎng)