大型金屬蜂窩構(gòu)件的現(xiàn)場激光錯(cuò)位散斑檢測

張于北，沈宏華，楊黨綱，唐 佳

（1.中航工業(yè)北京航空材料研究院 航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095 2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

近年來，在航空航天工業(yè)的檢測和維修領(lǐng)域，激光錯(cuò)位散斑干涉測量技術(shù)的應(yīng)用明顯增多［1－3］。激光錯(cuò)位散斑檢測作為重要的檢測手段正逐漸被了解、引進(jìn)和使用。對于航空航天工業(yè)中的一些大型金屬蜂窩夾芯部件，由于其材料結(jié)構(gòu)、制造工藝、尺寸形狀等方面的特殊性，傳統(tǒng)的檢測方法已不再是最為經(jīng)濟(jì)、有效的檢測手段，但卻恰恰符合激光錯(cuò)位散斑方法可大面積檢測表面、近表面微變形的特點(diǎn)，使得激光錯(cuò)位散斑的優(yōu)勢得以發(fā)揮。筆者運(yùn)用激光錯(cuò)位散斑技術(shù)對金屬蜂窩構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場檢測，分析了影響檢測的干擾因素并提出了解決措施。

1 檢測原理

許多教科書中都有激光錯(cuò)位散斑干涉檢測技術(shù)的基本原理［4］，此處不再贅述。開展檢測前，首先要考慮的問題是根據(jù)檢測的具體要求，合理地應(yīng)用激光錯(cuò)位散斑原理，選擇正確的檢測加載方案。此處檢測對象為大型金屬蜂窩蒙皮制件，放置時(shí)靠自身重量固定，表面為曲面，有一定的反光度，內(nèi)外表面均需檢測。對這樣的情況，熱加載應(yīng)該是比較有效的檢測加載手段。

熱加載是對檢測物體表面加熱造成檢測物表面微位移的檢測方法。通過加熱和停止加熱，熱量透過制件的蒙皮傳至蒙皮與蜂窩的結(jié)合處，引起結(jié)合處受熱變形。正常情況下，蒙皮與蜂窩應(yīng)該是粘接成為一體的；如果存在粘焊等粘接缺陷，其對應(yīng)結(jié)合處受熱變形的大小將不同于粘接完好部位受熱變形的大小，這種受熱變形量的差異會通過金屬蒙皮的下表面?zhèn)髦辽媳砻?，在被檢表面形成不同量的微位移。盡管微位移的差別不會很大，但只要達(dá)到激光波長的量級，也就是說不到一個(gè)微米，就能在激光及攝像機(jī)下形成干涉條紋而顯現(xiàn)出來。激光干涉儀中的攝像機(jī)常常在加載前也就是沒發(fā)生微位移前拍攝一張照片作為參考照片，以后以每三十分之一秒一幀的頻率連續(xù)拍攝，新拍攝的照片與參考照片相減并顯示出來，從而形成實(shí)時(shí)的檢測過程監(jiān)測，展示微位移從零逐漸增大的變化過程。同樣，也可以在加載后、微位移最大時(shí)拍攝參考照片，物體由受熱到冷卻，微位移由最大到零，計(jì)算機(jī)展示的相對位移仍然是從零逐漸增大。如有粘接缺陷，將形成錯(cuò)位散斑特有的蝶形干涉條紋。

2 檢測實(shí)施

實(shí)施檢測時(shí)，首先要做的事是通過幾十米的線輪將電接入現(xiàn)場，要注意電傳輸?shù)陌踩凸β适欠襁_(dá)到要求。接下來同一般實(shí)驗(yàn)室檢測步驟基本一樣：對準(zhǔn)待測目標(biāo)，使檢測區(qū)域進(jìn)入視場，調(diào)節(jié)光學(xué)剪切照相機(jī)的焦距、錯(cuò)位量、亮度、激光器的光強(qiáng)并進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。錯(cuò)位量調(diào)節(jié)至假定的最小缺陷的半徑與直徑之間，因?yàn)楫?dāng)剪切量等于和大于缺陷尺寸的一半時(shí)，測量靈敏度達(dá)到最大且不再繼續(xù)提高。在確定檢測區(qū)域后，盡量提高激光器的光強(qiáng)。調(diào)節(jié)亮度，使剪切成像在實(shí)時(shí)采集后接近于（但不要達(dá)到）飽和。通過對現(xiàn)場大型構(gòu)件的試檢測，確定每次檢測區(qū)域的大小，對現(xiàn)場大型構(gòu)件進(jìn)行區(qū)域劃分，在區(qū)域的四角作“十”字或其它標(biāo)記；并且應(yīng)使劃分檢測區(qū)域的四個(gè)標(biāo)記全部落在計(jì)算機(jī)的檢測視場中，以保證相鄰被檢區(qū)域之間有適當(dāng)?shù)闹睾?，避免結(jié)合部位漏檢。

在現(xiàn)場的一個(gè)比較深刻的感受是：現(xiàn)場檢測不像在實(shí)驗(yàn)室那么容易。當(dāng)測試對象由人工缺陷樣件換成大型的飛行器部件，檢測地點(diǎn)換成儲存這些部件的工業(yè)大廠房時(shí)，原本一流的檢測儀器可能不再靈敏、好用，甚至難以調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)室中平常檢測所呈現(xiàn)的正常狀態(tài)?，F(xiàn)場檢測與實(shí)驗(yàn)室檢測的理論原理、基本步驟雖然一樣，但現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，外界影響因素得到強(qiáng)化，會出現(xiàn)許多實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不可能產(chǎn)生的干擾，致使儀器檢測能力的下降、每次檢測的覆蓋面積變小。故建議，進(jìn)行現(xiàn)場檢測時(shí)，帶著一塊實(shí)驗(yàn)室中常用的、熟悉的樣件，在干擾大、檢測狀態(tài)異常的情況下，可用它調(diào)整校驗(yàn)儀器。

實(shí)質(zhì)上現(xiàn)場的主要問題依然是最基本的物理因素如光、振動(dòng)、溫度的變化和干擾問題。習(xí)慣于實(shí)驗(yàn)室工作的人一般對室外或大廠房中的光照亮度沒有概念，室外自然不用說，即使是開有天窗的大廠房，也比實(shí)驗(yàn)室亮很多。較強(qiáng)的背景光會令干涉儀的激光光束變得微弱，而大大降低信噪比，使檢測工作在白天幾乎無法開展。現(xiàn)場的各種噪聲和振動(dòng)源比實(shí)驗(yàn)室多很多，人員的活動(dòng)、機(jī)器的開動(dòng)、車輛、天車的運(yùn)行、大廠房中穿堂的微風(fēng)都會對檢測形成振動(dòng)干擾。對于金屬蒙皮蜂窩大型構(gòu)件，一般采用熱加載激勵(lì)，冬季的大廠房中溫度較低，用儀器的熱光燈加熱本來就十分勉強(qiáng)，且大型構(gòu)件體積大，很小的風(fēng)便會把熱量帶走，使熱加載無效。在各種干擾的影響下，發(fā)現(xiàn)儀器激光器的功率不夠，熱光燈的熱力不足，每次有效檢測區(qū)域很小，檢測進(jìn)度停滯不前。

對于現(xiàn)場遇到的這些問題，筆者嘗試了各種解決措施，最終確認(rèn)其中兩種措施效果良好：夜間檢測和搭帆布棚檢測。檢測在夜間進(jìn)行，首先排除了白天陽光的影響，同時(shí)避免了白天一般工作人員活動(dòng)、機(jī)器、車輛開動(dòng)的影響，且夜間電壓相對穩(wěn)定，環(huán)境噪聲較低。搭帆布棚是利用可移動(dòng)的鋼架、帆布和被檢測的大型構(gòu)件，搭建一個(gè)將檢測人員及儀器包圍其中的封閉性空間；這樣，帆布有效地隔絕外界光照、振動(dòng)和空氣對流的影響，形成了局部的實(shí)驗(yàn)室檢測環(huán)境。事實(shí)證明，采取這兩種措施后，外界環(huán)境對檢測的干擾基本消失，檢測圖像質(zhì)量大大提高，檢測工作得以順利進(jìn)行。

現(xiàn)場檢測應(yīng)盡量避免在露天進(jìn)行，宜在機(jī)庫、大廠房等室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行。若檢測只能在露天進(jìn)行，應(yīng)避免雨雪天和刮風(fēng)天工作，并對陽光、聲波、氣流等進(jìn)行有效地遮擋。即使是在大廠房中的現(xiàn)場檢測，周圍光線也會比實(shí)驗(yàn)室里的光線強(qiáng)許多，且大廠房中總會有穿堂氣流、空調(diào)機(jī)吹進(jìn)的冷風(fēng)流，高架行車運(yùn)動(dòng)帶來的振動(dòng)、各種機(jī)器、人工敲敲打打的噪聲等，對這些環(huán)境因素，都要求進(jìn)行有效地遮擋。

3 檢測結(jié)果和討論

圖1～3是大型金屬蒙皮蜂窩構(gòu)件現(xiàn)場檢測的一些結(jié)果，均以相位圖形式展現(xiàn)出來。就蒙皮蜂窩結(jié)構(gòu)件而言，判斷檢測系統(tǒng)工作狀態(tài)是否良好，檢測結(jié)果是否可信的一個(gè)依據(jù)是，檢測圖像中的蜂窩格是否清晰可辨認(rèn)。但是，在檢測結(jié)果的圖像中不一定每次都要看到蜂窩格，因?yàn)橛袝r(shí)為了讓缺陷更明顯而不需要變形很大。而儀器在調(diào)試時(shí)，一定要能夠比較清晰地看到蜂窩格，在檢測開始后的動(dòng)態(tài)顯示過程中也一定要能看清楚蜂窩格，看不到蜂窩格意味著儀器未達(dá)到最佳工作狀態(tài)，有可能造成漏檢。一般來說，檢測相位圖中若有任何凸起或鼓包都屬于異常情況，應(yīng)對照檢測部位做判定。如從圖1中，能夠看到比較清晰的蜂窩格，凸起部位也十分明顯。對于圖1（a）～（c），凸起部位上已經(jīng)看不見蜂窩格，說明凸起是脫粘造成的；圖1（d）在檢測區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一片密集的凸起小鼓包，但凸起部位上蜂窩格仍然清晰可見，說明這些凸起是注膠太多的結(jié)果，不是脫粘缺陷。根據(jù)圖像蜂窩格的清晰性可以判斷缺陷的真假。

圖1 蜂窩格背景下的缺陷檢測相位和膠太多形成的鼓包圖示例

被檢部件表面上的不規(guī)則因素，如劃痕、污跡、亮點(diǎn)、暗點(diǎn)、微小凸凹、鉚釘、孔洞、甚至蜂窩夾芯板背面的鉚釘和孔洞都可能在檢測相位圖上形成凸起，以假亂真。所以在每次檢測進(jìn)行之后，要及時(shí)根據(jù)檢測圖上出現(xiàn)的異常區(qū)域?qū)φ詹榭幢粰z部件上的相應(yīng)部位，排除表面不規(guī)則因素的干擾，避免誤判。同時(shí)在檢測過程中，應(yīng)密切注視檢測圖像動(dòng)態(tài)變化的情況。那些表面不規(guī)則因素雖然會在檢測圖像動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生疑似條紋和一定的亮暗變化，但比較脫粘缺陷，它們不會在檢測加載后產(chǎn)生變形，因而不會在檢測相位圖上呈現(xiàn)多條的條紋和連續(xù)的亮暗變化。故根據(jù)動(dòng)態(tài)圖像變化的連續(xù)性可以判斷缺陷的真假。

圖2，3分別是某兩次檢測獲得的相位圖和動(dòng)態(tài)過程截圖。僅從圖2（a）看，方框和圓框內(nèi)的區(qū)域都疑似是缺陷顯示；但在檢測的動(dòng)態(tài)過程中，見圖2（b），只有方框處有干涉條紋的增加，亮、暗的連續(xù)交替變化。其他部位只是亮、暗程度的增加，并無交替變化；這說明方框區(qū)域是脫粘缺陷。圖3（a）中出現(xiàn)了一個(gè)長條區(qū)域，盡管疑似缺陷，但難以肯定，因?yàn)橥ǔ＝茍A形、方形的缺陷較多；重新再檢測一遍，捕捉動(dòng)態(tài)過程，疑問就會消除：在長條區(qū)域條紋不斷地增加，亮、暗交替變化，如圖3（b）所示，很明顯是缺陷顯示。

圖2 某檢測的相位圖與動(dòng)態(tài)過程截圖的示例

圖3 某檢測的相位圖與動(dòng)態(tài)過程截圖的示例

4 結(jié)論

大型金屬蜂窩構(gòu)件的現(xiàn)場激光錯(cuò)位散斑檢測時(shí)，使用高大的金屬架和不透光的帆布搭成帆布篷是較好的遮擋方式，不但形成了夜間的無光照環(huán)境，還避免了聲波、氣流的影響，最為接近實(shí)驗(yàn)室條件。而如無遮擋，檢測適宜在晚間進(jìn)行?？傊湍壳凹す馍邇x器設(shè)備的檢測能力而言，真正意義上的、無遮擋的外場或現(xiàn)場檢測仍然是難以實(shí)現(xiàn)的，必須為檢測創(chuàng)造出接近實(shí)驗(yàn)室條件的檢測環(huán)境。

［1］汪風(fēng)宇，郭廣平.鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的激光錯(cuò)位散斑檢測工藝參數(shù)研究［C］∥第十二屆全國無損檢測新技術(shù)交流會論文集.哈爾濱：［出版者不詳］，2011：29－33.

［2］周莉，孫建罡.衛(wèi)星蜂窩夾層筒體的激光錯(cuò)位散斑檢測技術(shù)［J］.宇航材料工藝，2012，42（增刊）：273－277.

［3］程茶園，劉哲軍，伍頌，等.絕熱泡沫材料錯(cuò)位散斑無損檢 測［J］.宇航材料工藝，2012，42（增 刊）：287－289.

［4］李家偉.無損檢測手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.