金属蜂窝结构粘接缺陷的机械阻抗法检测

刘春秘，张素香，郑维龙

（沈阳飞机工业集团（有限）公司 理化测试中心，沈阳 110850）

上下表面是金属薄板（称做蒙皮），中间是蜂窝夹芯，用胶将三者粘合成一体的结构称为金属蜂窝粘接结构。金属蜂窝粘接结构具有重量轻、比刚度和比强度高的特点，因而在航空工业中大量采用。但金属蜂窝粘接结构在粘接过程中影响粘接质量的因素较多，如胶粘剂质量、固化工艺（如固化温度、固化压力和时间等）、粘接表面预处理的质量等，致使产品质量离散性大，并且容易产生缺陷。金属蜂窝粘接产品中的缺陷主要有两类，一类是蜂窝夹芯本身在预处理、粘接、加工过程中产生的缺陷，主要有蜂窝变形、蜂窝压皱、节点分离等；另一类是金属蒙皮与蜂窝夹芯在粘接过程中产生的缺陷，如脱粘等。由于蜂窝结构的重要性，多年来对这种材料的检测技术倍受关注，开发了多种检测方法，机械阻抗法是其中之一［1－3］。

以下介绍用机械阻抗法对蒙皮与夹芯之间的脱粘缺陷进行检测的试验研究，以及机械阻抗法在生产中的初步应用概况。

1 机械阻抗检测法原理

物体或其某一部分的振动可描述为［4］：

式中x是振动位移，m；M是物体的质量，kg；Rm是阻尼系数，N·s／m；K 是弹性系数，N／m；F（t）＝F0ejωt，是物体所受的交变力，N；ω 是圆频率，rad／s。将式（1）改写为：

式（2）和如下电振动方程相同：

式中L是电感；R是电阻；C是电容；I是电流；V0ejωt是交变电压。式（2）和（3）的解形式相同，为：

式（5）右边分式的分母是电路的阻抗，所以把式（4）右边分式的分母命名为振动系统的机械阻抗，也有人称其为力阻抗、声阻抗。在我国以往的文献中，机械阻抗法被称为声阻法，但如果称为声阻法就很容易与材料中声波传播的阻抗Z＝ρc（ρ是材料的密度，c是材料中声波传播速度）相混淆，因此笔者使用“机械阻抗”作为术语来加以区分。机械阻抗这一术语与现代英文文献使用的术语“mechanical impedance”［2］是一致的，用符号Zm来表示：

用机械阻抗方法检测粘接缺陷的仪器，是由探头和电子仪器两部分组成，探头结构如图1所示［2］。探头上部有一个振动激励晶片（发射晶片），下部有一个振动测量晶片（接收晶片），两者都是PZT压电陶瓷片。探头的下端头叫做触头，通常是用钢或玛瑙石等材料制作的，用于和工件的被检测部分接触。激励晶片与正弦信号发生器相连接，测量晶片与接收放大器连接。还有一种双触头探头，一个触头用于激励，另一个用于测量，也就是说发射晶片与接收晶片不在同一条直线上，两者通过各自的触点与工件耦合。工件的被检测部分，也就是与探头触头接触的部分的粘接质量不同，机械阻抗不同，受到激励而产生的振动状态不同，于是测量晶片接收到的振动信号的幅度和相位不同。这样就可以根据收到的振动信号的差异，发现被检测部位的粘接缺陷。因为不仅要观测信号的幅度，还需要观测信号的相位，所以机械阻抗测试仪的信号显示方法也是“矢量显示”，机械阻抗测试仪也必须有激励和接收，这些都与涡流探伤仪相同。

图1 探头结构示意图

2 试验用的检测仪器与对比试块

机械阻抗检测仪是俄罗斯制造的DAMI－C粘接检测仪。激励频率1～40kHz，仪器能自动选择最佳激励频率。配有单触头探头两支，型号为ДИФ－3C和 РАДИ－7C；双触头探头一支，型号为PC－1。配有标准试块一块，型号TS－1，用于校验仪器和探头的综合性能。适用的蒙皮厚度范围是：金属蒙皮／金属蜂窝0.3～2.0mm；玻璃钢蒙皮／玻璃布蜂窝0.5～1.0mm；碳纤维环氧蒙皮／碳纤维环氧蜂窝≤0.8mm。检测灵敏度φ10～20mm的脱粘缺陷。

虽然仪器配有标准试块，但标准试块只用于校验仪器和探头的综合性能，为了确保检测效果良好，对比试块不可缺少。制作对比试块使用的材料和工艺应当和被检工件完全相同。根据工件所属产品的工艺规范要求，制作了三种金属蜂窝结构（蒙皮和蜂窝夹芯都用金属制作）的参考试块：1号试块为0.6mm蒙皮／18mm蜂窝／0.6mm蒙皮，平板形；2号试块为0.8mm蒙皮／7～40mm蜂窝／0.8mm蒙皮，楔形；3号试块为0.8mm 蒙皮／0.8mm 垫板／20mm蜂窝／0.8mm垫板／0.8mm蒙皮，平板形。试块的尺寸260mm×260mm，每块试板含φ10mm和φ16mm两种规格的人工缺陷各2个（图2）。

3 缺陷检测试验和产品检测

用三种试块进行了人工脱粘缺陷检测试验。ДИФ－3C和РАДИ－7C两种单触头探头都能将1号和2号试块中所有缺陷全都清晰地检测出来。对于3号试块，即在蒙皮与蜂窝夹芯之间还加有一层垫板的试块，只有使用PC－1型双触头探头才能将脱粘缺陷检测出来，检测效果也比较好。这说明双触头探头适合检测埋藏较深的缺陷，单触头探头适合检测埋藏较浅的缺陷。

以上介绍的检测金属蜂窝结构脱粘缺陷的机械阻抗法已经应用于某产品的生产检测过程，检测结果见图3。其中当“＋”光标位于黑色区域之内时表示触头下面的小区域粘接良好；“＋”光标位于黑色区域之外时表示触头下区域存在脱粘缺陷。在检测过程中还发现，有一种用蜂窝结构制作的樑，其上某些部位在蒙皮与蜂窝夹芯之间填充了一层泡沫胶并粘合为一体，用机械阻抗法也能将这些特殊区域显示出来，检测长度是100～200mm，宽度大约3～5mm。对上述区域进行X射线透照，结果与机械阻抗法检测结果完全吻合。

图2 参考试块和人工缺陷示意图

图3 显示屏上的信号

4 结语

试验结果表明，采用机械阻抗法检测金属蜂窝结构脱粘缺陷是有效的，能检测出φ10mm甚至更小的脱粘缺陷，其检测灵敏度和可靠性完全满足有关技术文件的要求。机械阻抗法的优点是受工件形状限制小；可以人工扫查，也可以机械扫查；仪器体积小、重量轻、携带方便；不需要耦合介质。机械阻抗法的缺点是探头必须与工件接触；需要逐点扫查，不能一次检测一个较大的面积。与单触点探头相比，双触点探头更适合检测埋藏较深的缺陷。

［1］李慧娟，吴东流，王俊涛，等.铝蒙皮蜂窝夹层结构的各种无损检测方法［J］.无损探伤，2009，33（2）：9－12.

［2］Halmshaw R.Non－destructive Testing［M］.London：Edward Arnold，1987：297－299.

［3］李家伟，陈积懋.无损检测手册［M］.北京：机械工业出版社，2002：327－334.

［4］胡建凯，张谦林.超声检测原理和方法［M］.合肥：中国科学技术大学出版社，1993：5－6.