線激光掃描的碳纖維復(fù)合材料表面損傷研究

汪 權(quán),張志杰,陳昊澤,尹武良,2

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 038507；2.曼徹斯特大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,英國 曼徹斯特 M139PL)

1 引 言

近年來科技的巨大進(jìn)步,讓高性能的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)在多種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,例如航空航天、車輛船舶等領(lǐng)域。實(shí)際應(yīng)用中,碳纖維工作環(huán)境的原因,加大了存在損傷的可能性。若材料損傷未被及時(shí)發(fā)現(xiàn),它可能將導(dǎo)致零部件無法正常工作[1-4]。因此,需要在生產(chǎn)和維護(hù)階段,通過使用多種的檢查辦法,評(píng)估原材料和部件的安全性和可靠性。

無損檢測技術(shù)發(fā)展至今,已經(jīng)在材料評(píng)估方面得到了世界的認(rèn)可,傳統(tǒng)的無損檢測與評(píng)價(jià)手段大致分為:視力檢查、超聲、射線、渦流、磁粉、滲透和紅外評(píng)估等幾大類[5-7]。紅外評(píng)估分為主動(dòng)與被動(dòng)兩種。其中被動(dòng)利用自身熱屬性進(jìn)行檢測,而主動(dòng)熱成像需要外部熱源進(jìn)行加熱試件。主動(dòng)紅外熱成像技術(shù)有很大潛力在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車結(jié)構(gòu)的檢測和在有效評(píng)估方面滿足要求,尤其是在安全規(guī)則嚴(yán)格的領(lǐng)域等。紅外熱成像(IRT)技術(shù)利用外部可控?zé)嵩?如激光器)改變物體表面溫度分布,在固體內(nèi)部形成熱流傳導(dǎo),從而通過溫度場之間的差異分布辨別無損區(qū)域與損傷區(qū)域,損傷的光學(xué)輻射測量是依據(jù)損傷區(qū)域擾動(dòng)導(dǎo)致附近熱流不規(guī)則的原理[8-13]。

Yang Bo等人實(shí)驗(yàn)了超聲熱成像對(duì)航空航天CFRP的缺陷進(jìn)行了檢測與評(píng)價(jià),可以對(duì)淺層和微小的閉合缺陷進(jìn)行檢測,對(duì)不閉合缺陷進(jìn)行補(bǔ)償[14]。Liu Junyan等進(jìn)行有限元法對(duì)瞬態(tài)脈沖熱成像和鎖定熱成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究,分析了關(guān)于缺陷位置的信息,可以檢測到直徑3.0 mm尺寸2 mm埋深的損傷[15]。Sarah Ekanayake使用鎖定熱成像對(duì)碳纖維缺陷深度進(jìn)行了測定,使用的方法能夠在寬范圍的厚度和盲孔孔直徑上進(jìn)行精確的深度測定,偏差小于0.5 mm[16]。Wu Shichun利用鹵素光學(xué)引用脈沖壓縮熱成像對(duì)纖維試件進(jìn)行檢測,可以有效地抑制噪聲,提高熱對(duì)比度,為CFRP材料中的更深缺陷檢測提供益處[17]。J.Tashan用紅外線熱成像檢測FRP系統(tǒng)強(qiáng)化混凝土裂縫,能夠非常充分地檢測裂縫的位置和寬度,外部加熱和間隔脈沖的位置對(duì)裂紋檢測具有相當(dāng)大的影響[18]。

這些研究者大多是從熱圖像角度進(jìn)行圖像處理,通過各種算法從而達(dá)到損傷檢測的目的。本文從熱圖像和溫度兩個(gè)方面相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合材料損傷探究,提出了可調(diào)控激光器對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行連續(xù)脈沖激光線掃描的熱傳導(dǎo)分析,并聯(lián)合使用C平臺(tái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算編程的思想,以確定被測樣品中含有的未知損傷的可檢測性及其他物理信息。

2 基本原理

為對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行熱觀察,了解在外部熱源主動(dòng)加熱情況下,由損傷帶來的熱響應(yīng)。設(shè)計(jì)了CFRP的脈沖損傷檢測實(shí)驗(yàn)流程框圖,如圖1所示。

圖1 CFRP的脈沖紅外損傷探測實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程框圖

脈沖激光熱實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示,對(duì)特定的復(fù)合材料施加一束高強(qiáng)度、能量集中的連續(xù)激光線脈沖熱激勵(lì)q(t),使得被測物因表面熱量改變從而在內(nèi)部形成三維熱流傳導(dǎo)過程,同時(shí)利用控制移動(dòng)平臺(tái)按照指定的移動(dòng)速度或路線進(jìn)行二維空間平面改變。因被測物中損傷部分和無損區(qū)域的物理性質(zhì)(如熱導(dǎo)率)的不同,而造成表面溫度場的異常分布,對(duì)應(yīng)的紅外輻射強(qiáng)度也就不同[12,19]。溫度場隨時(shí)間的變化通過紅外熱像儀記錄保存,獲得被測物表面溫度場的熱序列圖像數(shù)據(jù),并通過選擇合適的計(jì)算算法對(duì)圖像序列和溫度曲線進(jìn)行理論分析,因此就可以得到材料損傷的相關(guān)信息。

圖2 脈沖紅外熱實(shí)驗(yàn)原理圖

假定材料是無限大的薄板情況(材料尺寸相對(duì)損傷的大小而言),材料表面的溫度分布就是三維熱傳導(dǎo)方程的求解,根據(jù)熱方程可得[11]:

(1)

(2)

(3)

式中,a是碳纖維板的熱擴(kuò)散系數(shù)；v是相對(duì)速率(材料試件相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度)；x是材料板某時(shí)刻空間幾何中的某點(diǎn)的x軸坐標(biāo),與v相關(guān)；k為玻爾茲曼恒量；t是激光運(yùn)動(dòng)時(shí)間；T0為材料表面的初始溫度值(T0=25)；r1是空間位置的距離,坐標(biāo)的平方和根；qin為熱注入量常數(shù),是單位面積上施加的熱量,根據(jù)激光能量公式(2)可知,選取激光功率p=13 W;em為材料的熱輻射率,碳纖維導(dǎo)熱性較差輻射率較高設(shè)置為0.95；R為激光光斑的直徑(R=13 mm),經(jīng)過r2的轉(zhuǎn)換改變成線激光屬性長度接近45 mm;其中b、c與選取的透鏡參數(shù)有關(guān)。

由傳熱學(xué)理論可知,當(dāng)需要考慮材料的各向異性時(shí),固體材料的溫度分布T(x,y,z,τ)應(yīng)該滿足以下熱傳導(dǎo)偏微分方程[15]:

(4)

其中,ρ(x,y,z)是材料的密度;cp(x,y,z)是比熱容;kd(x,y,z)是熱導(dǎo)率(d=xx,yy,zz)。

若要對(duì)材料的損傷進(jìn)行識(shí)別可視化研究,需要對(duì)其本身特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。特性基本包括溫度的差值、缺陷的位置、大小和埋藏的深度等,以及這些特征之間關(guān)系。這些因素都包含在熱傳導(dǎo)的圖像中,需要將這些混合信息進(jìn)行分析整理,因此溫度觀察和圖像處理都是非常有必要的。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試件制備

碳晶體由工藝形成帶狀結(jié)構(gòu),這種帶狀結(jié)構(gòu)大量堆砌形成碳纖維束,根據(jù)領(lǐng)域的需要編織成不同的結(jié)構(gòu)。這些碳纖維具有各向異性的材料屬性,就熱傳導(dǎo)而言,與垂直纖維軸方向的熱導(dǎo)率相比沿著軸向的熱導(dǎo)率要高得多。本研究中采用的碳纖維外觀參數(shù)模型如圖3,單向?qū)雍习邃亴臃绞?外觀尺寸為238 mm×167 mm×2.4 mm。它主要應(yīng)用場景是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的承力結(jié)構(gòu)部件,損傷采用人工削底的方式模擬實(shí)際制造過程中可能出現(xiàn)的各種常規(guī)瑕疵,如在表面加工不同尺寸、不同深度的圓盤狀損傷(Φ3和Φ5 mm)和拉伸斷裂方向不同的損傷(1×10 mm)。人工模擬的損傷厚度以0.5 mm的深度為變化基礎(chǔ),從0.5 mm等間距逐漸加深到2 mm。纖維的熱各向異性由材料在X、Y、Z軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)決定。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為更好了解激光線掃描碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面的溫度變化,進(jìn)行了CFRP試件的脈沖激光紅外熱實(shí)驗(yàn)。激光紅外連續(xù)脈沖實(shí)驗(yàn)按照原理圖2所示。激勵(lì)采用可調(diào)控的激光發(fā)生器(Raycus RFL-A500D),將均勻分布的同心圓斑點(diǎn)激光(直徑6 mm)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)幾何變換,轉(zhuǎn)換成尺寸有限的線激光面熱源(如圖4所示),長度為45 mm的線激光。利用移動(dòng)控制臺(tái)改變待測樣品的空間位置,對(duì)試件表面進(jìn)行連續(xù)脈沖掃描加熱,同時(shí)紅外熱像儀對(duì)試件表面溫度進(jìn)行同步采集,獲得系列時(shí)間熱序列圖,最后由計(jì)算機(jī)分析熱圖像和溫度曲線數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程框圖如圖1所示。

根據(jù)公式(1)～(3)和材料不損傷溫度界限的計(jì)算,實(shí)驗(yàn)中采用13～15 W的激光功率,加熱溫度控制在80 ℃左右,實(shí)驗(yàn)中試件表面沒有明顯的燒灼痕跡,表明激光作為熱源沒有對(duì)其熱特性進(jìn)行明顯的改變。在保證紅外熱像儀儀器精度的情況下,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差來自于實(shí)驗(yàn)室周邊環(huán)境的干擾,比如運(yùn)行中的儀器和環(huán)境溫度的不穩(wěn)定性等,因此應(yīng)盡量避免這些問題。紅外熱像儀鏡頭應(yīng)該與被檢測試件的表面垂直或減少兩者之間的夾角,確保獲得更加精確的熱圖像以便于后續(xù)的損傷探究。激光器可外接信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生任意波形的高斯脈沖激光。

圖4 試樣表面的線激光溫度圖

4 分析與討論

本節(jié)將從圖像處理和溫度分析兩個(gè)方面入手,考察其可檢測性和溫度與損傷形狀的關(guān)系。試件在一定功率且能量集中的熱激勵(lì)下,按照運(yùn)行軌跡進(jìn)行連續(xù)掃描,獲得表面各個(gè)時(shí)刻熱圖像,其中包含了不同尺寸損傷的位置及其他信息。

為充分考慮能夠檢測到損傷的信息,根據(jù)目標(biāo)要求進(jìn)行圖像分析處理。分析發(fā)現(xiàn),選取試件降溫階段易于觀察,利用溫差來體現(xiàn)損傷帶來的熱擾動(dòng)。處理過程中發(fā)現(xiàn)關(guān)心的目標(biāo)與整個(gè)圖像相比,相對(duì)較小。因此事先采用基于邊緣和亮度的辦法進(jìn)行了感興趣區(qū)域的初步提取,縮小了處理范圍和增加了處理的精度。經(jīng)過自身屬性的頻域變換分析,可以發(fā)現(xiàn)存在類似于水平條紋狀的周期性的系統(tǒng)噪聲如圖5(a)所示,使用濾波陷波的方法,頻率濾除系統(tǒng)性噪聲，如圖5(b)所示。此方法可以有效地降低系統(tǒng)噪聲等帶來的影響,從而改善了圖像的質(zhì)量。

盡管通過一定手段復(fù)原了儀器本身帶來的誤差影響,但是檢測目標(biāo)的可分辨率依然很低,這給檢測的準(zhǔn)確性帶來了很大挑戰(zhàn)。為提高損傷的可識(shí)別率,執(zhí)行了微弱信號(hào)的增強(qiáng)處理,即像素操作的增強(qiáng)技術(shù)。圖像增強(qiáng)的方法是通過一定技術(shù)手段對(duì)原熱序列圖像附加一些信息或變換數(shù)據(jù),有選擇性地突出圖像中感興趣的特征或者抑制(掩蓋)圖像中某些不需要的特征。這可能會(huì)是一個(gè)失真的操作過程,擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別。經(jīng)過像素點(diǎn)的伽馬變換等系列圖像操作,讓損傷的微弱信號(hào)得到了有效的增強(qiáng),同時(shí)提高了對(duì)比度。如圖6微弱信號(hào)的增強(qiáng)結(jié)果圖顯示那樣,增強(qiáng)了損傷的可視性,讓檢測的可能性極大地得到了提升。選取合適的閾值分割方法,得到目標(biāo)分割圖像,再采用邊緣檢測等常規(guī)圖像處理辦法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的外形進(jìn)行量化表達(dá)。圖7所示為損傷檢測,顯示的是模擬外力拉伸造成的斜向斷裂,可以明顯地看出外形表示具有一定的準(zhǔn)確度,也能表明位置信息。對(duì)于非人工干預(yù)存在的損傷,只要周邊像素差異足夠,此方法對(duì)其檢測也具有一定的準(zhǔn)確性。

脈沖激光熱成像實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,連續(xù)脈沖線激光熱激勵(lì)能檢測出埋深0.5 mm寬度1 mm的裂紋損傷信息。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況圖8不同埋深的同類損傷灰度圖可以看出,損傷表面溫度輪廓較為微弱且模糊,隨著半徑尺寸的加大或者埋深的加深,情況會(huì)得到逐漸的改善,損傷物理特征逐漸明顯。還發(fā)現(xiàn)掃描方向與損傷的夾角不同,物理特征的清晰度也有所不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度和熱圖像可以實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷區(qū)域的可檢測性研究,完成后續(xù)的碳纖維材料試樣的損傷定位與定量化探究。

復(fù)合材料損傷熱檢測的另一評(píng)估依據(jù),也是更具有物理意義的檢測參量是時(shí)間-溫度曲線圖。數(shù)字圖像處理和溫度變化圖是損傷檢測中的重要手段,各自在不同方向共同闡述了材料損傷的特征信息。它們包含了眾多物理信息,如損傷大小、熱損失數(shù)值及損傷深度等。

為進(jìn)一步研究碳纖維的表面溫度隨時(shí)間的變化趨勢,以直徑為Φ3 mm的圓盤狀缺陷為研究對(duì)象。選取激光線與損傷相對(duì)位置一致的熱圖像,得到同尺寸下不同深度的損傷診斷。圖9展示了不同深度的圓盤狀缺陷在同一次線激光掃描中的紅外圖像,人為選取圖像中一條貫穿溫度異常區(qū)域的直線作為參考。獲得溫度變化曲線圖9,根據(jù)損傷擾動(dòng)帶來不規(guī)則溫度場的原則,選取曲線上異常趨勢的均值作為平均溫度。由溫度曲線數(shù)據(jù)可以看出線激光掃描時(shí),材料完好處溫度曲線平滑下降,若和表面損傷相遇,材料表面溫度會(huì)出現(xiàn)異常,那是因?yàn)榭諝獾膫鳠嵯禂?shù)相對(duì)較低,導(dǎo)致此區(qū)域溫度會(huì)比周遭溫度相對(duì)較低一些(空氣的保溫能力較強(qiáng)),在熱圖譜中表現(xiàn)為等溫區(qū)域中出現(xiàn)不同的顏色。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在損傷加熱時(shí)間一定時(shí)(運(yùn)動(dòng)速度決定),相同尺寸的圓盤埋深越深,損傷的中心溫度就會(huì)越低,因?yàn)楣潭üβ实臒嵩醇訜嵩嚰?在相同時(shí)間內(nèi)損傷區(qū)域含有的氣體體積越大,溫升會(huì)越小。

進(jìn)一步考察不同直徑帶來的影響,選取同次實(shí)驗(yàn)中的2種不同直徑圓盤損傷進(jìn)行對(duì)比。圖10中繪制了不同直徑圓盤損傷的域溫度曲線,不難看出開孔深度與損傷中心溫度成反向關(guān)系。同時(shí)直徑越大,中心溫度越高。表明在相同的掃描速度下,損傷區(qū)域的溫升與尺寸和埋深都有關(guān)系。不同方向的損傷因?yàn)榕c激光運(yùn)行軌跡呈現(xiàn)一定角度,所以本文未分析。在熱像中線激光掃描方向也會(huì)影響損傷的檢測率。若精度足夠,理論上來說可以捕捉到完整的瞬變過程。未分析的損傷中,發(fā)現(xiàn)與掃描方向垂直的損傷在熱圖像照片呈現(xiàn)小段不同顏色溫度,在分析中易于忽略。非垂直方向的損傷,在熱像中經(jīng)過系列操作可以發(fā)現(xiàn)。

圖10 不同尺寸損傷的平均溫度對(duì)比

本文在碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷檢測中,使用的激光線在單位時(shí)間內(nèi)掃描的面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激光斑點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的面積,效率比近似為4倍,這大大提高了檢測效率。對(duì)于非人工干預(yù)的損傷而言依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,只要寬度達(dá)到1 mm就能檢測到,也能實(shí)現(xiàn)位置定位。線激光的速度可控,在固定時(shí)間中類似于定點(diǎn)加熱,使得損傷發(fā)生異常變動(dòng)更加明顯。同時(shí)激光能量集中可以相對(duì)遠(yuǎn)距離測量,克服了加熱距離對(duì)傳統(tǒng)IRT法的影響,同時(shí)采用相對(duì)較低的功率不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)特性造成影響。紅外實(shí)踐結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的掃描方式,可以對(duì)不同尺寸、不同埋深及拉伸斷裂方向不同的規(guī)則損傷都能進(jìn)行有效檢測。微弱信號(hào)的圖像增強(qiáng)處理,與材料表面的溫度曲線變化損傷分析判斷,二者相結(jié)合提供了補(bǔ)充結(jié)果,極大地提高了材料損傷的可檢測性。

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于可控的線激光熱激勵(lì)源的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表面損傷檢測方法,基本做到了損傷區(qū)域的可檢測性。對(duì)承力結(jié)構(gòu)的單向?qū)覥FRP表面損傷進(jìn)行激光線掃描實(shí)驗(yàn),在二維平面中實(shí)現(xiàn)試樣指定方式移動(dòng),本方法可檢測不同尺寸、深度及不同方向的拉伸造成的表面沖擊損傷,圖像的處理與溫度曲線的結(jié)合能夠較好地表現(xiàn)出損傷的可檢測性。通過熱實(shí)驗(yàn)的圖像結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)連續(xù)激光對(duì)尺寸較大或深度較深的損傷敏感度更高,對(duì)較小尺寸和埋深的損傷反應(yīng)信號(hào)微弱,導(dǎo)致與圖像背景的對(duì)比度低,損傷可檢測性降低。而分析材料表面溫度曲線變化結(jié)果,發(fā)現(xiàn)尺寸、深度和開口方向都對(duì)溫度曲線其有較大影響。圖像處理難以識(shí)別的損傷,通過溫度曲線變化能夠辨別出,溫度曲線分析提供了補(bǔ)充結(jié)果。未來的工作將結(jié)合這些方法,進(jìn)行不同厚度的碳纖維材料缺陷深度分析,實(shí)行大面積的定位分析,對(duì)復(fù)合材料的精測精度做進(jìn)一步研究。嘗試不同脈寬掃描檢測對(duì)表面和亞表面損傷檢測的影響。