蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊接頭的聲阻法檢測(cè)成像

孟 偉，張 海

（總參陸航部駐株洲地區(qū)軍事代表室，長(zhǎng)沙 410200）

蜂窩結(jié)構(gòu)是由薄而強(qiáng)的兩層面板，中間夾有蜂窩材料互相膠接（或釬焊）而成整體的一種復(fù)合材料。近年來(lái)，蜂窩結(jié)構(gòu)在航空航天、建筑、交通等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。與其他復(fù)合材料類(lèi)似，蜂窩結(jié)構(gòu)在制造和使用過(guò)程中容易產(chǎn)生各種缺陷，帶來(lái)較大的安全隱患，因此通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)控制、監(jiān)測(cè)其質(zhì)量是非常重要的。常用的蜂窩結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法有超聲法、射線法、紅外成像法和聲阻法等[1]。超聲法精度較高，但檢測(cè)效率較低，且需要耦合，不適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；射線法對(duì)脫粘（未焊合）缺陷靈敏度低；紅外法檢測(cè)效率高，但設(shè)備昂貴，且易受外界干擾；而聲阻法能很好地彌補(bǔ)這些不足。

國(guó)外 Cawley P等[2]，國(guó)內(nèi)李明軒[3]等人做了大量基礎(chǔ)工作，對(duì)聲阻法檢測(cè)原理、方法、檢測(cè)精度進(jìn)行了深入研究。Hyeung－Yun Kim 等[4－5]則研究了蜂窩結(jié)構(gòu)中分層缺陷尺寸對(duì)自然頻率及蜂窩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。在國(guó)內(nèi)，朱淑華、萬(wàn)德勝[6]采用聲阻法得出鋁蜂窩結(jié)構(gòu)在不同蒙皮厚度、不同蜂窩芯高度下的檢測(cè)頻率，能較好檢測(cè)脫粘、蜂窩壓皺等缺陷。

然而，傳統(tǒng)聲阻檢測(cè)結(jié)果不能保存或以圖像形式輸出，直觀性較差。筆者針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)蜂窩釬焊結(jié)構(gòu)的聲阻法檢測(cè)及圖像獲取進(jìn)行了試驗(yàn)分析。

1 聲阻檢測(cè)原理

聲阻法又稱(chēng)之為機(jī)械阻抗分析法（MechanicalI mpedance Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng) MIA），發(fā)源于前蘇聯(lián)。在聲阻檢測(cè)時(shí)，為了提高振動(dòng)檢測(cè)的準(zhǔn)確度，就必須分析振動(dòng)狀態(tài)與粘接狀態(tài)的關(guān)系。一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)在單一頻率下的機(jī)械振動(dòng)公式為：

式中：F為機(jī)械振動(dòng)的策動(dòng)力；v為質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度；ZM為等效力阻抗；M為等效質(zhì)量；CM為等效柔順性；RM為等效損耗阻抗。

同一結(jié)構(gòu)樣品，若連接狀態(tài)不同，則ZM不同，通過(guò)對(duì)ZM的測(cè)量，或在F一定的時(shí)候通過(guò)對(duì)v的測(cè)量，就可以對(duì)連接狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

若有平而薄的蒙皮連接在相當(dāng)粗大的平面硬材料上，又有局部不連續(xù)，這時(shí)為便于分析，可將不連續(xù)部位近似認(rèn)為一個(gè)固定邊緣的薄板，如圖1所示。

圖1 蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷模型

假設(shè)此區(qū)域?yàn)閳A形，半徑為R，蒙皮厚度為h，密度為ρ，楊氏模量為E，則此圓板模型固有諧振頻率基頻可近似為：

式中：C為常數(shù)，由材料泊松比和圓板周?chē)潭l件決定。

單一自由度系統(tǒng)的典型頻率響應(yīng)如圖2所示。其中ω0為待測(cè)結(jié)構(gòu)的固有圓頻率，當(dāng)外界激勵(lì)頻率與其相等時(shí)其響應(yīng)達(dá)到最大值。聲阻法檢測(cè)采用一單點(diǎn)尖端接觸的雙晶體探頭，被測(cè)工件作為探頭的振動(dòng)負(fù)載，它的諧振頻率隨著缺陷區(qū)面積增大由高到低變化。接收信號(hào)幅度是增加還是減少則根據(jù)使用頻率是接近還是遠(yuǎn)離層板的諧振頻率而定，如圖2所示，相位的變化則與缺陷的深度有關(guān)。

2 試驗(yàn)材料及方法

參考金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)聲振檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊制作方法[7]，結(jié)合試驗(yàn)情況，制作一塊用于聲阻法檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)缺陷試件如圖3。其面板厚0.2 mm，蜂窩芯格壁厚0.1 mm，高4.5 mm。試件中所有缺陷都在同一側(cè)，另一側(cè)正常焊接。

圖2 單一自由度系統(tǒng)的典型頻率響應(yīng)

圖3 蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷試塊

缺陷試樣材料為鎳基高溫合金，面板與蜂窩芯之間采用真空釬焊連接，釬焊溫度為1 020～1 100℃。釬料為Ni82Cr Si B。焊接參數(shù)與實(shí)際件相同，焊接時(shí)在面板上適當(dāng)加壓，以達(dá)到更好的釬焊質(zhì)量。

試驗(yàn)所用儀器為Sonic Bond MasterTM檢測(cè)儀，選擇聲阻模式進(jìn)行檢測(cè)。聲阻法不需要耦合劑，只需很小的接觸面積，所以它能用于不規(guī)則表面或曲面。它對(duì)復(fù)合材料薄壁構(gòu)件的脫粘、氣孔、分層及芯格壓皺尤為靈敏。

先利用聲阻檢測(cè)儀得到手動(dòng)檢測(cè)工藝。檢測(cè)時(shí)，操作者在2.5～10 k Hz頻率范圍內(nèi)選擇完好區(qū)域與未焊合區(qū)間幅度與相位差別最大的頻率（如圖4（a）所示）作為檢測(cè)時(shí)的探頭工作頻率。儀器采用坐標(biāo)方式同時(shí)顯示幅度與相位，從而能在測(cè)定不連續(xù)大小的同時(shí)區(qū)分其深度。在圖4（a）中，完好區(qū)信號(hào)幅度大于缺陷區(qū)，即選擇的工作頻率接近完好區(qū)的諧振頻率。當(dāng)探頭在完好區(qū)域移動(dòng)時(shí)，信號(hào)幅值較高，如圖4（b）所示；當(dāng)遇到缺陷時(shí)，信號(hào)幅值降低，如圖4（c）所示。

試驗(yàn)所用的聲阻檢測(cè)儀為手動(dòng)裝置，只能記錄有限點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)，且不能記錄其位置信息。為記錄聲阻法檢測(cè)所得的位置信息和此位置的檢測(cè)信號(hào)，需要再制作一個(gè)類(lèi)似于超聲C掃描的裝置，由于儀器上有檢測(cè)信號(hào)輸出接口，所以只需考慮位置信息的讀取。參照觸摸屏和手寫(xiě)板的原理[8]，將探頭和手寫(xiě)筆連接起來(lái)，探頭在工件上移動(dòng)時(shí)，位置信息直接由手寫(xiě)筆通過(guò)觸摸屏輸入到計(jì)算機(jī)中，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 聲阻法檢測(cè)信號(hào)

圖5 利用手寫(xiě)板輸入位置的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將探頭與手寫(xiě)筆固定，探頭在工件上移動(dòng)時(shí)，手寫(xiě)筆也相應(yīng)地在手寫(xiě)板上移動(dòng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)手寫(xiě)筆的位置即可得到此時(shí)探頭在工件上的位置，并將其移動(dòng)軌跡記錄下來(lái)，同時(shí)將儀器中的檢測(cè)信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，當(dāng)儀器報(bào)警時(shí)顯示軌跡為藍(lán)色，否則為綠色。程序用VC＋＋.NET編寫(xiě)，流程圖如圖6，為了簡(jiǎn)化程序，試驗(yàn)中報(bào)警閘門(mén)的大小和位置在聲阻檢測(cè)儀上設(shè)置，當(dāng)探頭位于缺陷區(qū)域時(shí)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入閘門(mén)，探頭上的報(bào)警紅燈變亮，儀器則通過(guò)I/O接口將報(bào)警信號(hào)輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到計(jì)算機(jī)，與手寫(xiě)板輸入的位置信號(hào)生成聲阻掃描圖。

3 聲阻檢測(cè)結(jié)果

3.1 手動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

利用所制作的圖3試塊，采用聲阻檢測(cè)儀對(duì)面板材料為鎳基高溫合金，厚度為0.2 mm，蜂窩高為4.5 mm的蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，確定了檢測(cè)工藝參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)，儀器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，探頭上的紅燈也會(huì)變亮，如圖7所示。使用此儀器已能檢測(cè)到約φ10 mm的未焊合區(qū)。

3.2 聲阻檢測(cè)圖像

利用檢測(cè)程序?qū)D3所示試件進(jìn)行掃描所得結(jié)果如圖8所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)程序流程

圖7 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

圖8 兩種方法掃描圖像對(duì)比

試驗(yàn)所用手寫(xiě)板尺寸為12.8 mm×9.6 mm，計(jì)算機(jī)屏幕分辨力為1 024×768 pi（像素），程序中設(shè)置的畫(huà)筆線寬為10 pi。由圖8聲阻掃描和超聲C掃描圖像比較可知，聲阻法只能檢測(cè)出缺陷區(qū)的位置和大致尺寸，對(duì)于完好區(qū)的蜂窩芯格并不能像超聲C掃描一樣清晰地顯示出來(lái)，因此其檢測(cè)靈敏度比超聲C掃描要小。

為驗(yàn)證聲阻掃描的檢測(cè)精度，先將圖8（a）和（b）進(jìn)行灰度變換，如圖9所示。然后作出相應(yīng)部位（如白線所示）線灰度分布圖，如圖10所示。圖10（a）中缺陷區(qū)域?qū)挾燃s為180 pi，按8 pi/mm可以粗略估算出聲阻掃描檢測(cè)得到缺陷區(qū)直徑約22 mm。圖10（b）中缺陷區(qū)域約為80 pi，由于掃描區(qū)域?yàn)?00 mm×100 mm，而所得圖像尺寸為379×381 pi，其分辨率約為4 pi/mm，從而得出超聲C掃描得到的缺陷區(qū)直徑約為20 mm，由此可知此裝置基本功能已經(jīng)達(dá)到要求。

圖9 灰度變換

圖10 線灰度分布

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)試驗(yàn)所用面板材料為鎳基高溫合金，厚度為0.2 mm，蜂窩高為4.5 mm蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊接頭，利用聲阻法可檢測(cè)到直徑約10 mm的未焊合缺陷。

利用VC＋＋.NET編制相應(yīng)檢測(cè)程序，通過(guò)檢測(cè)儀上的I/O接口將聲阻法檢測(cè)信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)，與提取的位置信號(hào)相結(jié)合，得到了聲阻法掃描圖像。

聲阻掃描圖像與超聲C掃描圖像比較結(jié)果表明，聲阻掃描可顯示缺陷位置及尺寸，其檢測(cè)精度可達(dá)到應(yīng)用要求。

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