金屬蜂窩結(jié)構(gòu)粘接缺陷的機(jī)械阻抗法檢測(cè)

劉春秘，張素香，鄭維龍

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)（有限）公司 理化測(cè)試中心，沈陽(yáng) 110850）

上下表面是金屬薄板（稱做蒙皮），中間是蜂窩夾芯，用膠將三者粘合成一體的結(jié)構(gòu)稱為金屬蜂窩粘接結(jié)構(gòu)。金屬蜂窩粘接結(jié)構(gòu)具有重量輕、比剛度和比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，因而在航空工業(yè)中大量采用。但金屬蜂窩粘接結(jié)構(gòu)在粘接過(guò)程中影響粘接質(zhì)量的因素較多，如膠粘劑質(zhì)量、固化工藝（如固化溫度、固化壓力和時(shí)間等）、粘接表面預(yù)處理的質(zhì)量等，致使產(chǎn)品質(zhì)量離散性大，并且容易產(chǎn)生缺陷。金屬蜂窩粘接產(chǎn)品中的缺陷主要有兩類，一類是蜂窩夾芯本身在預(yù)處理、粘接、加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，主要有蜂窩變形、蜂窩壓皺、節(jié)點(diǎn)分離等；另一類是金屬蒙皮與蜂窩夾芯在粘接過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷，如脫粘等。由于蜂窩結(jié)構(gòu)的重要性，多年來(lái)對(duì)這種材料的檢測(cè)技術(shù)倍受關(guān)注，開(kāi)發(fā)了多種檢測(cè)方法，機(jī)械阻抗法是其中之一［1－3］。

以下介紹用機(jī)械阻抗法對(duì)蒙皮與夾芯之間的脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)的試驗(yàn)研究，以及機(jī)械阻抗法在生產(chǎn)中的初步應(yīng)用概況。

1 機(jī)械阻抗檢測(cè)法原理

物體或其某一部分的振動(dòng)可描述為［4］：

式中x是振動(dòng)位移，m；M是物體的質(zhì)量，kg；Rm是阻尼系數(shù)，N·s／m；K 是彈性系數(shù)，N／m；F（t）＝F0ejωt，是物體所受的交變力，N；ω 是圓頻率，rad／s。將式（1）改寫為：

式（2）和如下電振動(dòng)方程相同：

式中L是電感；R是電阻；C是電容；I是電流；V0ejωt是交變電壓。式（2）和（3）的解形式相同，為：

式（5）右邊分式的分母是電路的阻抗，所以把式（4）右邊分式的分母命名為振動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械阻抗，也有人稱其為力阻抗、聲阻抗。在我國(guó)以往的文獻(xiàn)中，機(jī)械阻抗法被稱為聲阻法，但如果稱為聲阻法就很容易與材料中聲波傳播的阻抗Z＝ρc（ρ是材料的密度，c是材料中聲波傳播速度）相混淆，因此筆者使用“機(jī)械阻抗”作為術(shù)語(yǔ)來(lái)加以區(qū)分。機(jī)械阻抗這一術(shù)語(yǔ)與現(xiàn)代英文文獻(xiàn)使用的術(shù)語(yǔ)“mechanical impedance”［2］是一致的，用符號(hào)Zm來(lái)表示：

用機(jī)械阻抗方法檢測(cè)粘接缺陷的儀器，是由探頭和電子儀器兩部分組成，探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。探頭上部有一個(gè)振動(dòng)激勵(lì)晶片（發(fā)射晶片），下部有一個(gè)振動(dòng)測(cè)量晶片（接收晶片），兩者都是PZT壓電陶瓷片。探頭的下端頭叫做觸頭，通常是用鋼或瑪瑙石等材料制作的，用于和工件的被檢測(cè)部分接觸。激勵(lì)晶片與正弦信號(hào)發(fā)生器相連接，測(cè)量晶片與接收放大器連接。還有一種雙觸頭探頭，一個(gè)觸頭用于激勵(lì)，另一個(gè)用于測(cè)量，也就是說(shuō)發(fā)射晶片與接收晶片不在同一條直線上，兩者通過(guò)各自的觸點(diǎn)與工件耦合。工件的被檢測(cè)部分，也就是與探頭觸頭接觸的部分的粘接質(zhì)量不同，機(jī)械阻抗不同，受到激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)狀態(tài)不同，于是測(cè)量晶片接收到的振動(dòng)信號(hào)的幅度和相位不同。這樣就可以根據(jù)收到的振動(dòng)信號(hào)的差異，發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)部位的粘接缺陷。因?yàn)椴粌H要觀測(cè)信號(hào)的幅度，還需要觀測(cè)信號(hào)的相位，所以機(jī)械阻抗測(cè)試儀的信號(hào)顯示方法也是“矢量顯示”，機(jī)械阻抗測(cè)試儀也必須有激勵(lì)和接收，這些都與渦流探傷儀相同。

圖1 探頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)用的檢測(cè)儀器與對(duì)比試塊

機(jī)械阻抗檢測(cè)儀是俄羅斯制造的DAMI－C粘接檢測(cè)儀。激勵(lì)頻率1～40kHz，儀器能自動(dòng)選擇最佳激勵(lì)頻率。配有單觸頭探頭兩支，型號(hào)為ДИФ－3C和 РАДИ－7C；雙觸頭探頭一支，型號(hào)為PC－1。配有標(biāo)準(zhǔn)試塊一塊，型號(hào)TS－1，用于校驗(yàn)儀器和探頭的綜合性能。適用的蒙皮厚度范圍是：金屬蒙皮／金屬蜂窩0.3～2.0mm；玻璃鋼蒙皮／玻璃布蜂窩0.5～1.0mm；碳纖維環(huán)氧蒙皮／碳纖維環(huán)氧蜂窩≤0.8mm。檢測(cè)靈敏度φ10～20mm的脫粘缺陷。

雖然儀器配有標(biāo)準(zhǔn)試塊，但標(biāo)準(zhǔn)試塊只用于校驗(yàn)儀器和探頭的綜合性能，為了確保檢測(cè)效果良好，對(duì)比試塊不可缺少。制作對(duì)比試塊使用的材料和工藝應(yīng)當(dāng)和被檢工件完全相同。根據(jù)工件所屬產(chǎn)品的工藝規(guī)范要求，制作了三種金屬蜂窩結(jié)構(gòu)（蒙皮和蜂窩夾芯都用金屬制作）的參考試塊：1號(hào)試塊為0.6mm蒙皮／18mm蜂窩／0.6mm蒙皮，平板形；2號(hào)試塊為0.8mm蒙皮／7～40mm蜂窩／0.8mm蒙皮，楔形；3號(hào)試塊為0.8mm 蒙皮／0.8mm 墊板／20mm蜂窩／0.8mm墊板／0.8mm蒙皮，平板形。試塊的尺寸260mm×260mm，每塊試板含φ10mm和φ16mm兩種規(guī)格的人工缺陷各2個(gè)（圖2）。

3 缺陷檢測(cè)試驗(yàn)和產(chǎn)品檢測(cè)

用三種試塊進(jìn)行了人工脫粘缺陷檢測(cè)試驗(yàn)。ДИФ－3C和РАДИ－7C兩種單觸頭探頭都能將1號(hào)和2號(hào)試塊中所有缺陷全都清晰地檢測(cè)出來(lái)。對(duì)于3號(hào)試塊，即在蒙皮與蜂窩夾芯之間還加有一層墊板的試塊，只有使用PC－1型雙觸頭探頭才能將脫粘缺陷檢測(cè)出來(lái)，檢測(cè)效果也比較好。這說(shuō)明雙觸頭探頭適合檢測(cè)埋藏較深的缺陷，單觸頭探頭適合檢測(cè)埋藏較淺的缺陷。

以上介紹的檢測(cè)金屬蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘缺陷的機(jī)械阻抗法已經(jīng)應(yīng)用于某產(chǎn)品的生產(chǎn)檢測(cè)過(guò)程，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。其中當(dāng)“＋”光標(biāo)位于黑色區(qū)域之內(nèi)時(shí)表示觸頭下面的小區(qū)域粘接良好；“＋”光標(biāo)位于黑色區(qū)域之外時(shí)表示觸頭下區(qū)域存在脫粘缺陷。在檢測(cè)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，有一種用蜂窩結(jié)構(gòu)制作的樑，其上某些部位在蒙皮與蜂窩夾芯之間填充了一層泡沫膠并粘合為一體，用機(jī)械阻抗法也能將這些特殊區(qū)域顯示出來(lái)，檢測(cè)長(zhǎng)度是100～200mm，寬度大約3～5mm。對(duì)上述區(qū)域進(jìn)行X射線透照，結(jié)果與機(jī)械阻抗法檢測(cè)結(jié)果完全吻合。

圖2 參考試塊和人工缺陷示意圖

圖3 顯示屏上的信號(hào)

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用機(jī)械阻抗法檢測(cè)金屬蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘缺陷是有效的，能檢測(cè)出φ10mm甚至更小的脫粘缺陷，其檢測(cè)靈敏度和可靠性完全滿足有關(guān)技術(shù)文件的要求。機(jī)械阻抗法的優(yōu)點(diǎn)是受工件形狀限制小；可以人工掃查，也可以機(jī)械掃查；儀器體積小、重量輕、攜帶方便；不需要耦合介質(zhì)。機(jī)械阻抗法的缺點(diǎn)是探頭必須與工件接觸；需要逐點(diǎn)掃查，不能一次檢測(cè)一個(gè)較大的面積。與單觸點(diǎn)探頭相比，雙觸點(diǎn)探頭更適合檢測(cè)埋藏較深的缺陷。

［1］李慧娟，吳東流，王俊濤，等.鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的各種無(wú)損檢測(cè)方法［J］.無(wú)損探傷，2009，33（2）：9－12.

［2］Halmshaw R.Non－destructive Testing［M］.London：Edward Arnold，1987：297－299.

［3］李家偉，陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：327－334.

［4］胡建凱，張謙林.超聲檢測(cè)原理和方法［M］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993：5－6.