影響蜂窩結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)

周 莉，孫建罡，邵紅亮，周 煒，華孝棟

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

隨著航天衛(wèi)星型號研制技術(shù)的發(fā)展，要求衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)（如中心承力筒、儀器安裝板等）的材料輕，同時對材料結(jié)構(gòu)的性能要求也愈來愈高，而先進(jìn)的蜂窩夾層復(fù)合材料因比強(qiáng)度高、比模量高、熱膨脹系數(shù)小、穩(wěn)定好、能經(jīng)受各種空間環(huán)境條件考驗等優(yōu)勢，能滿足各種特殊使用要求，而逐漸取代了金屬材料成為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主要材料。蜂窩結(jié)構(gòu)在使用過程中蒙皮與蜂窩芯子之間易產(chǎn)生脫粘缺陷［1］，此缺陷的存在將會改變衛(wèi)星整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，導(dǎo)致復(fù)合材料強(qiáng)度降低、使用壽命縮短，為了監(jiān)測蜂窩結(jié)構(gòu)在使用過程中造成的脫粘缺陷，及時做好返修工作，采用合理的檢測方法對其進(jìn)行檢測是非常必要的。

衛(wèi)星平臺的大型化發(fā)展和研制任務(wù)的急劇增加，星上用蜂窩結(jié)構(gòu)件越來越大型化、需求越來越多，且使用過程中要求確保各環(huán)節(jié)的可追溯性等，使得對蜂窩結(jié)構(gòu)檢測要求越來越高，主要包括：檢測效率要求高；檢測精度要求高；檢測時產(chǎn)品危險性要求小；檢測時要求非接觸；檢測缺陷要求能定量、定位、實(shí)時觀察；檢測范圍要求大等。先前常用的敲擊檢測方法［2］已不能滿足現(xiàn)在高檢測要求，而激光錯位散斑檢測技術(shù)（熱加載方式）因其具有非接觸、無污染、快速實(shí)時、全場性、高精度、檢測面積大、能對缺陷進(jìn)行定量定位等優(yōu)點(diǎn)［3－4］，在衛(wèi)星蜂窩結(jié)構(gòu)高檢測要求的形勢下占據(jù)了優(yōu)勢。簡述了采用激光錯位散斑檢測系統(tǒng)，結(jié)合試驗，分析了影響蜂窩結(jié)構(gòu)脫粘缺陷激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)。

1 激光錯位散斑檢測系統(tǒng)

1.1 檢測原理

激光錯位散斑檢測技術(shù)是利用激光散斑干涉原理，用經(jīng)過擴(kuò)束的激光照射受檢件，照射面上的反射波經(jīng)圖像錯位裝置實(shí)現(xiàn)分束功能，并經(jīng)過光學(xué)成像透鏡在CCD 的光敏面上形成物體的兩個相互錯位的像，兩個錯位像相互干涉產(chǎn)生一個由物體表面形貌確定的散斑圖，對受檢件進(jìn)行加載，缺陷區(qū)域會產(chǎn)生微小的離面位移，將變形前后的兩個數(shù)字散斑場做相減運(yùn)算，缺陷區(qū)域會產(chǎn)生“蝴蝶”狀條紋，并以此直觀判定受檢件存在脫粘缺陷。

圖1為激光錯位散斑檢測原理圖。

圖1 激光錯位散斑檢測原理圖

1.2 檢測系統(tǒng)

LTI－5100 激光錯位散斑檢測系統(tǒng)（熱加載方式），主要由熱加載單元、錯位散斑干涉單元、圖像處理單元組成。熱加載源為功率不小于2kW 的石英燈，激光器為Nd…YAG 固態(tài)綠色激光器、工作波長為532nm，CCD 攝像機(jī)分辨率不小于1 392×1 040像素。圖像處理單元具有圖像采集、圖像實(shí)時顯示、缺陷實(shí)時定位、相位解包處理、尺寸測量等功能。

2 蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷試樣

結(jié)合衛(wèi)星用蜂窩結(jié)構(gòu)材料與特點(diǎn)，蜂窩結(jié)構(gòu)預(yù)制缺陷試樣的蒙皮材料選用鋁合金（2A12T4），厚度為0.3mm，蜂窩芯子選用鋁合金（5A02）的正六邊形有孔耐久蜂窩，邊長為6mm，箔厚為0.03 mm。結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生脫粘缺陷的可能原因進(jìn)行模擬缺陷設(shè)計與制作，缺陷試樣如圖2所示。其中第一豎排缺陷：蒙皮與上膠層之間加2層0.03mm厚的薄膜；第二豎排缺陷：下膠層與蒙皮之間加2層0.03mm厚的薄膜；第三豎排缺陷：去膠層；第四豎排缺陷：去膠層，加2層0.03mm厚的薄膜；第五豎排缺陷：去膠層，加一層油膜。第六豎排缺陷：銑去3mm 蜂窩芯子。

圖2 蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷試樣

3 蜂窩結(jié)構(gòu)檢測試驗

3.1 錯位方向?qū)θ毕輽z測靈敏度的影響

在其他參數(shù)不變情況下，設(shè)置不同錯位方向，觀察缺陷試樣第六豎排φ20 mm 的缺陷的檢測結(jié)果，檢測圖像如圖3所示。

結(jié)果表明：錯位方向影響缺陷的檢測靈敏度，設(shè)置了錯位方向，缺陷易檢出；圓形面積型缺陷在橫向、縱向、橫縱向（對角線45°方向）三種錯位方向下均能被檢出。

圖3 不同錯位方向下的檢測圖像

3.2 錯位大小對缺陷檢測靈敏度的影響

在其他參數(shù)不變情況下，設(shè)置不同大小的錯位，分別為0，14，21，28 mm，觀察缺陷試樣第六豎排φ20mm缺陷的檢測結(jié)果，檢測圖像如圖4所示。

結(jié)果表明：錯位大小不同，缺陷檢測靈敏度也不同。當(dāng)錯位大小為0mm 時，缺陷檢測靈敏度非常低，幾乎無法判定，當(dāng)錯位大小大于缺陷直徑時，缺陷圖像被分離，對缺陷評判時易誤判為兩個缺陷，而造成不合格缺陷評判為合格的缺陷。故在實(shí)際檢測中，必須設(shè)置錯位大小，且應(yīng)小于需檢測缺陷直徑大小。

圖4 φ20mm 缺陷在不同錯位大小下的檢測圖像

3.3 加載時間對缺陷檢測靈敏度的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，設(shè)置不同的加載時間，分別為：2，3，5，12s，觀察缺陷試樣第六邊豎排φ20mm缺陷的檢測結(jié)果，檢測圖像如圖5，6所示。

結(jié)果表明：加載時間越長，缺陷干涉條紋級數(shù)越多，解包處理后得到的缺陷圖像越清晰可見，但當(dāng)加載時間過長時，如加載至12s，其干涉條紋級數(shù)增多，但經(jīng)解包處理后，檢測圖像呈碎片狀，無法分辨缺陷位置。

圖5 加載不同時間下的相位檢測圖

圖6 加載不同時間下的解包檢測圖

以此同時，通過大量試驗表明：蒙皮厚度為0.3mm的蜂窩結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測時加載時間宜選在2～6s范圍內(nèi)，便于得到清晰可見的缺陷檢測圖像。

3.4 一次檢測范圍對缺陷檢測靈敏度的影響

在其他參數(shù)不變情況下，設(shè)置不同的一次檢測范圍大?。–CD 的縮放），觀察缺陷試樣的檢測結(jié)果，檢測圖像如圖7所示。

圖7 一次檢測不同范圍下的檢測圖像

結(jié)果表明：一次檢測范圍越小，缺陷檢測圖像越清晰，隨著一次檢測范圍的增大，小尺寸缺陷不易被發(fā)現(xiàn)。但一次檢測范圍設(shè)置為800×800mm2左右時，缺陷能被檢測出，但是不夠清晰，判定困難。為獲得較好的檢測效果，實(shí)際檢測過程中一般選在300×300～500×500mm2之間。

3.5 缺陷試樣檢測結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果可知：影響蜂窩結(jié)構(gòu)膠接脫粘缺陷激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)主要包括錯位方向、錯位大小、加載時間和一次檢測范圍。

優(yōu)化、選取檢測參數(shù)，分別為橫縱向（對角線45°方向）錯位、錯位大小6mm、加載時間3s、一次檢測范圍為430×430mm2情況下，對缺陷試樣進(jìn)行全面檢測，檢測圖像如圖8所示。結(jié)果表明：對影響蜂窩結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，激光錯位散斑可檢測類似設(shè)計制作的試樣的脫粘缺陷，且缺陷檢測靈敏度可達(dá)φ10mm 面積大小。

圖8 預(yù)制缺陷試樣激光錯位散斑檢測圖

4 結(jié)論

（1）激光錯位散斑檢測技術(shù)（熱加載方式）因其因其具有非接觸、無污染、快速實(shí)時、全場性、高精度、檢測面積大、能對缺陷進(jìn)行定量定位等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星蜂窩結(jié)構(gòu)高檢測要求的形勢下占據(jù)了優(yōu)勢。

（2）影響蜂窩結(jié)構(gòu)膠接脫粘缺陷激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)主要有錯位方向、錯位大小、加載時間和一次檢測范圍。

（3）蒙皮厚度為0.3mm 的蜂窩結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測時，設(shè)置了錯位方向和錯位大小，脫粘缺陷易檢出，錯位大小應(yīng)小于需檢測最小缺陷直徑大?。患虞d時間宜選在2～6s之間；一次檢測范圍宜選在300×300～500×500mm2之間。

（4）對影響蜂窩結(jié)構(gòu)激光錯位散斑檢測靈敏度的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，激光錯位散斑檢測脫粘缺陷的檢測靈敏度可達(dá)φ10mm 面積大小。

［1］章令暉，韓宇，沃西源，等.蜂窩夾層結(jié)構(gòu)常見制造缺陷分析［J］.航天返回與遙感，2012，34（6）：29－32.

［2］王錚，李碩寧，郭廣平.敲擊檢測技術(shù)在某雷達(dá)天線罩在役檢測中的應(yīng)用［J］.無損檢測，2012，34（6）：29－32.

［3］HUNG Y Y.Shearography［J］.Optical Engineering，1992（5.6）：391－393.

［4］郭廣平，劉永斌，王玨，等.蜂窩結(jié)構(gòu)的錯位散斑無損檢測技術(shù)［J］.無損檢測，2004，26（12）：605－608.