加熱片粘結(jié)質(zhì)量無損檢測方法研究

張 彬，于全朋，姚鵬嬌，李少華，帥家盛

（1 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 北京 100094 2 北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院 北京 100081 3 北京嘉盛智檢科技有限公司 北京 100016）

引 言

加熱片起到控制設(shè)備工作環(huán)境溫度、確保設(shè)備正常運行的重要作用，廣泛應(yīng)用于機械設(shè)備及其他電子設(shè)備在寒冷天氣下的低溫保護、新能源汽車電池組低溫保護等。特別地，航天器及零部件工作在太空環(huán)境中，而太空環(huán)境溫度很低，可達零下200℃以下。因此，對航天器及零部件工作環(huán)境溫度進行精確控制就顯得尤為重要，實現(xiàn)這個目標(biāo)的有效方法就是在結(jié)構(gòu)及零部件上粘結(jié)加熱片。加熱片在粘接過程中由于工藝、人工操作不當(dāng)?shù)仍蛉菀讓?dǎo)致粘接界面出現(xiàn)脫粘，在粘結(jié)層內(nèi)部出現(xiàn)氣泡、夾雜等缺陷[1]。航天器在太空工作，然而太空中沒有對流傳熱，如果加熱片在粘結(jié)過程中出現(xiàn)缺陷，很可能引起加熱片產(chǎn)生的熱量無法傳播而發(fā)生熱集聚，最終會燒傷加熱絲造成加熱片失效。因此，粘結(jié)有加熱片的航天器在投入工作之前，對每一個加熱片的粘結(jié)質(zhì)量進行全方位的檢測，是確保航天器能正常工作的必要前提。

目前，關(guān)于粘結(jié)結(jié)構(gòu)件的粘結(jié)質(zhì)量檢測方法有很多，例如，針對復(fù)合材料的檢測方法有超聲波檢測方法[2-4]、射線檢測方法[5,6]、紅外熱成像檢測方法[7-9]以及太赫茲檢測方法[10,11]等。研究表明，超聲波檢測方法對粘接界面缺陷[12]、粘接層缺陷[13]以及單個小氣孔、密集小氣孔和大面積脫粘等典型缺陷有很好的檢測效果。其中，李建文[14]等人采用超聲透射成像、掃描聲學(xué)顯微鏡成像和陣列超聲成像三種方法對鋼/鉛膠結(jié)件脫粘缺陷進行了對比試驗，結(jié)果顯示，超聲透射成像、掃描聲學(xué)顯微鏡成像方法檢測效果較好。JIAO Jingpin[15]等人采用Lamb 波方法對食物容器（簡化為平板）上的污垢進行檢測試驗，取得了很好的檢測效果。FAN Zichuan[16]等人針對板中存在的氣泡缺陷，采用空氣耦合超聲導(dǎo)波（Lamb 波）方法進行了仿真和試驗研究，結(jié)果表明，仿真和試驗結(jié)果比較吻合，對氣泡的檢測效果較好。射線檢測結(jié)果具有直觀、精度高等優(yōu)點，同時,也存在一些不足之處。Amenabar[17]等學(xué)者使用X射線層析成像方法檢測多層結(jié)構(gòu)粘結(jié)缺陷，發(fā)現(xiàn)X 射線檢測具有高分辨率，并且能對試件進行3D 重構(gòu)，定位和檢測到試件中的微型缺陷。但X 射線受材料厚度和缺陷深度的影響較嚴(yán)重，對于厚度較深的檢測具有局限性。同樣，紅外檢測技術(shù)適用于近表面缺陷的探測，對于一定埋深的缺陷檢測效果并不顯著。有學(xué)者[18]采用主動式紅外檢測技術(shù)，研究試件材料的均勻性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，該方法介紹了紅外熱波檢測原理，并利用玻璃鋼平底洞試件驗證熱波理論。林鑫[19]等采用紅外熱成像技術(shù)針對粘結(jié)結(jié)構(gòu)進行實驗研究，結(jié)果表明，紅外無損檢測技術(shù)可以有效地對玻璃鋼泡沫夾層、軟木粘結(jié)、碳纖維蒙皮蜂窩夾層等較薄粘結(jié)結(jié)構(gòu)進行產(chǎn)品質(zhì)量檢測。ZHENG Kaiyi[20]等提出一種三維圖像分割熱成像自動缺陷檢測方法，針對碳纖維粘結(jié)構(gòu)件進行實驗研究，得到很好的結(jié)果。太赫茲無損檢測技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的新興技術(shù)，超快激光技術(shù)的發(fā)展使太赫茲波的產(chǎn)生成為了可能，從而使太赫茲無損檢測技術(shù)得到突破[21]。太赫茲波具有頻率高（1011Hz～1013Hz）、波長短（30μm～3mm）的特點，能檢測到很小或者埋深很淺的缺陷，廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料等粘結(jié)結(jié)構(gòu)缺陷的檢測[22,23]。

有學(xué)者研究表明，空耦超聲無損檢測技術(shù)可應(yīng)用于蜂窩夾芯復(fù)合材料內(nèi)部脫粘、分層缺陷粘結(jié)質(zhì)量檢測[24]，但目前對于加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測還缺少研究，考慮到加熱片和粘結(jié)層非常薄（其厚度為0.1mm 左右），缺陷信號和界面信號重合度很高，很難判別是否出現(xiàn)缺陷信號。本文針對蜂窩夾芯復(fù)合材料外加熱片粘結(jié)質(zhì)量進行無損檢測試驗，對比分析了空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法、空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法和太赫茲檢測法對加熱片的檢測效果，研究發(fā)現(xiàn)，太赫茲無損檢測法對加熱片粘結(jié)層內(nèi)部缺陷具有很好的檢出率，該研究試驗為加熱片粘結(jié)層內(nèi)部缺陷的檢測提供了有效方法。

1 空耦超聲檢測試驗

1.1 空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法檢測原理

空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法檢測原理如圖1 所示，超聲波入射到兩種材料的界面時，聲能會分成兩部分，一部分聲能被界面反射，另一部分則會透過界面?？振畛晫?cè)一發(fā)一收法根據(jù)透射聲能的變化判斷工件內(nèi)部缺陷狀況，缺陷會反射聲能，使透射聲能的能量降低，由此可判斷缺陷是否存在。采用空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法進行檢測時需要一發(fā)一收兩個超聲探頭，探傷儀產(chǎn)生激勵脈沖，激勵發(fā)射探頭振動產(chǎn)生超聲波，超聲波透射通過樣品后使接收探頭振動產(chǎn)生脈沖電流，不同狀況的樣品會產(chǎn)生不同的脈沖電流，進而可以判斷缺陷是否存在。

圖1 空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法檢測原理Fig.1 Detection principle of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測原理如圖2 所示，超聲波入射到樣品中，遇到缺陷會反射聲能，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法根據(jù)反射聲能的變化判斷工件內(nèi)部缺陷狀況。探傷儀產(chǎn)生激勵脈沖，激勵發(fā)射探頭振動產(chǎn)生超聲波，超聲波遇到樣品內(nèi)部缺陷反射后使接收探頭振動產(chǎn)生脈沖電流，不同狀況的樣品會產(chǎn)生不同的脈沖電流，進而可以判斷缺陷是否存在。

圖2 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測原理Fig.2 Detection principle of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.2 試驗樣件

待檢測試驗樣品如圖3 所示，圖3（a）為加熱片，加熱片由PVC 材料與加熱銅絲復(fù)合而成，加熱片厚0.1mm～0.2mm。圖3（b）為蜂窩板上加熱片位置示意圖，其中，蜂窩板由鋁皮和蜂窩芯復(fù)合而成，鋁皮厚0.3mm～0.5mm，蜂窩板厚度約10mm，長約530mm，寬約500mm。大小各異的加熱片粘結(jié)在鋁皮制的蜂窩板上，固體粘結(jié)劑厚0.1mm～0.2mm。在加熱片和鋁皮之間預(yù)制有大小不等的氣泡、脫粘等缺陷，缺陷類型、大小已標(biāo)注在加熱片或鋁板上，加熱片分別被標(biāo)記為1-8 號。

圖3 試驗樣品Fig.3 Test sample

1.3 探頭參數(shù)與實驗方法

分別采用75kHz 壓電陶瓷探頭、12mm 和25mm 直徑的230kHz 壓電陶瓷探頭、400kHz 壓電陶瓷探頭進行空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法檢測試驗，探頭最大掃查速度為100mm/s?？振畛晫?cè)一發(fā)一收法試驗裝置如圖4 所示，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗裝置如圖5 所示。

圖4 空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法試驗裝置Fig.4 Experimental device of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

圖5 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗裝置Fig.5 Experimental device of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.4 空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法試驗結(jié)果

探頭頻率為75kHz 時的空耦超聲檢測圖如圖6 所示。探頭頻率為230kHz、直徑分別為12mm 和25mm 時的空耦超聲檢測圖如圖7 和圖8 所示。圖中藍(lán)色深的區(qū)域表示信號損失較多，說明此區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)空間。從圖6～圖8 可以看出，采用頻率為75kHz 和頻率為230kHz、直徑為12mm 的探頭進行試驗時，能檢測出尺寸為5mm～6mm 的缺陷，不能檢測出尺寸小于5mm 的缺陷。采用頻率為230kHz、直徑為25mm 的探頭進行試驗時，對缺陷的檢測效果不明顯。

圖6 75kHz 探頭的空耦超聲檢測圖Fig.6 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 75kHz probe

圖7 探頭頻率為230kHz、直徑為12mm的空耦超聲檢測圖Fig.7 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 12mm

圖8 探頭頻率為230kHz、直徑為25mm 的空耦超聲檢測圖Fig.8 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 25mm

400kHz 探頭的空耦超聲檢測圖如圖9 所示，可以看出，400kHz 探頭的分辨率太高，由于蜂窩的影響，很難區(qū)分與蜂窩尺寸相當(dāng)?shù)娜毕荨?/p>

1.5 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗結(jié)果

采用12mm 直徑、230kHz 探頭進行空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法試驗，整個蜂窩板空耦超聲成像結(jié)果如圖10 所示，圖中藍(lán)色深的區(qū)域表示信號損失較多，說明此區(qū)域出現(xiàn)了不連續(xù)空間。從圖中可以看出，采用空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法進行試驗很難檢測出缺陷的存在。

圖9 400kHz 探頭的空耦超聲檢測圖Fig.9 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 400kHz probe

圖10 空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法檢測圖Fig.10 Detection diagram of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.6 小結(jié)

通過空耦超聲檢測試驗可以發(fā)現(xiàn)，采用空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法能有效檢測出尺寸在5mm 以上的缺陷及其位置分布，對于尺寸在5mm 以下的缺陷不具有檢測效果，采用空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法對加熱片缺陷沒有檢測效果?？振畛晫?cè)一發(fā)一收法檢測可實現(xiàn)部件級檢測，但需要在被測件兩側(cè)配置探頭，為保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測在設(shè)備總裝完成后進行，此時只能在產(chǎn)品外部單側(cè)配置探頭，無法采用對側(cè)一發(fā)一收法。鑒于此，本文探索采用反射式太赫茲法進行檢測，以驗證此方法對加熱片缺陷檢測的可行性。

2 太赫茲檢測試驗

2.1 太赫茲無損檢測技術(shù)簡介

太赫茲無損檢測是指根據(jù)太赫茲波對材料中缺陷的不同響應(yīng)進行檢測、分析及評估的技術(shù)。太赫茲波是頻率為0.1THz～10THz、波長為30μm～30mm 的電磁波，它具有頻帶寬、能量低（對人體無害）、穿透能力強等特性，在無損檢測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。太赫茲無損檢測技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的新興檢測技術(shù)，上世紀(jì)八十年代中期超快激光技術(shù)的發(fā)展為太赫茲波的穩(wěn)定產(chǎn)生提供了可能，使太赫茲的研究得到蓬勃發(fā)展。

圖11 為反射式THz 波檢測系統(tǒng)工作原理，飛秒激光由飛秒激光器產(chǎn)生，然后經(jīng)過分束片后分成泵浦光和探測光兩束光。泵浦光聚焦后入射到光電導(dǎo)天線上產(chǎn)生THz 波脈沖。THz 波脈沖由一對離軸拋物面鏡聚焦到樣品表面，THz 波脈沖經(jīng)樣品表面反射后經(jīng)過另一對離軸拋物面鏡聚焦到ZnTe晶體上。探測光與THz 波脈沖共線入射到ZnTe 晶體上，ZnTe 晶體受到THz 波脈沖的作用后折射率橢球發(fā)生變化，探測光受到調(diào)制后偏振狀態(tài)發(fā)生變化。調(diào)制后的探測光經(jīng)過波片（QWP）、渥拉斯頓棱鏡（WP）分成兩束偏振狀態(tài)垂直的光，照射到平衡探測器上。平衡探測器得到的信號經(jīng)過鎖相放大器得到THz 脈沖某一時刻的信號，通過調(diào)整在探測光路上的延遲線可以得到整個THz 脈沖的時域波形。

圖11 反射式THz 波檢測系統(tǒng)Fig.11 Reflection THz wave detection system

2.2 太赫茲法試驗結(jié)果

6 號加熱片和7 號加熱片采用太赫茲與空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法得到的檢測圖像對比如圖12 和圖13 所示。根據(jù)圖像中的黑白對比度以分析確定缺陷的特征與位置。從圖12 可以看出，對于5mm～6mm尺寸的缺陷，太赫茲法與空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法都具有良好的檢測效果。從太赫茲圖像12（c）中黃色橢圓表示區(qū)域可以看出，太赫茲檢測法能檢測到空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法檢測不到的小缺陷（4mm 左右）。7 號加熱片的預(yù)制缺陷如圖13（a）中的黑色圓圈所示，分別為2mm～3mm 尺寸的缺陷，對比圖13（b）和圖13（c）可以看出，對于2mm～3mm 尺寸的缺陷，太赫茲法能清晰檢測到空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法無法檢測到的缺陷形狀及位置，如圖13（c）中的黑色箭頭所示。同時，太赫茲法還發(fā)現(xiàn)了由于粘結(jié)工藝不完善引起的聚集性小氣泡，對比可知尺寸約為0.5mm 左右，如圖13（c）中紅色橢圓區(qū)域所示。

圖12 6 號加熱片太赫茲與空耦超聲法圖像對比Fig.12 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

5 號加熱片實物與太赫茲檢測圖如圖14 所示。從圖14（b）可以看出，太赫茲圖像有明顯的白色紋路條紋，與加熱片內(nèi)部的銅片分布一致，這是由于銅片太寬，太赫茲波不能穿透金屬，無法檢測到銅片之下的缺陷，但能檢測到銅片間隙有黑色缺陷區(qū)域，如圖14（b）中的紅色橢圓區(qū)域，這可能是脫粘缺陷。

圖13 7 號加熱片太赫茲與空耦超聲圖像對比Fig.13 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

圖14 5 號加熱片實物與太赫茲圖像Fig.14 Physical object and terahertz image of No.5 heat patch

2.3 小結(jié)

通過太赫茲波檢測試驗，并對比空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收檢測法試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采用空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收檢測法和太赫茲法能有效檢測出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布；對于尺寸在1mm～3mm 的缺陷，空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收檢測法沒有檢測效果，而太赫茲檢測法能有效檢測出缺陷的形狀及位置；同時，2 號、3 號、7 號和8 號加熱片太赫茲圖像中還出現(xiàn)一些密密麻麻的黑色小圓點（0.2mm 左右），這可能是由于粘結(jié)工藝的原因，在粘結(jié)過程中出現(xiàn)的非預(yù)制小氣泡缺陷造成的?？梢姡捎锰掌潤z測法不僅能達到預(yù)期的檢測效果，還能檢測到非預(yù)制的缺陷，但是太赫茲法也有一定的局限性，不能檢測到寬加熱片以下的缺陷。

3 結(jié)束語

本文針對蜂窩夾芯復(fù)合材料外加熱片粘結(jié)質(zhì)量進行無損檢測試驗，對比分析空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收檢測法、空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收檢測法和太赫茲檢測法對加熱片缺陷的檢測效果，得出以下結(jié)論：

①采用空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法可檢測出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布，但不能可靠檢測出尺寸小于5mm 的缺陷檢測，空耦超聲單側(cè)一發(fā)一收法無法檢測加熱片脫粘缺陷；

②太赫茲檢測方法可有效檢測出預(yù)制的2mm～3mm 脫粘缺陷形狀及位置，但無法檢測寬加熱絲加熱片，具有一定的局限性；太赫茲檢測過程中，還發(fā)現(xiàn)了由于粘結(jié)工藝不完善引起的非預(yù)制小缺陷，預(yù)測其可檢出0.5mm 以上的小氣泡脫粘缺陷；

③通過本研究確定加熱片粘結(jié)質(zhì)量檢測方法：設(shè)備總裝完成后，采用太赫茲檢測法進行粘結(jié)質(zhì)量檢測，對于粘結(jié)有寬加熱絲加熱片的設(shè)備，應(yīng)在部件級采用空耦超聲對側(cè)一發(fā)一收法進行粘結(jié)質(zhì)量檢測。