大型金属蜂窝构件的现场激光错位散斑检测

张于北，沈宏华，杨党纲，唐 佳

（1.中航工业北京航空材料研究院 航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京100095 2.上海航天精密机械研究所，上海 201600）

近年来，在航空航天工业的检测和维修领域，激光错位散斑干涉测量技术的应用明显增多［1－3］。激光错位散斑检测作为重要的检测手段正逐渐被了解、引进和使用。对于航空航天工业中的一些大型金属蜂窝夹芯部件，由于其材料结构、制造工艺、尺寸形状等方面的特殊性，传统的检测方法已不再是最为经济、有效的检测手段，但却恰恰符合激光错位散斑方法可大面积检测表面、近表面微变形的特点，使得激光错位散斑的优势得以发挥。笔者运用激光错位散斑技术对金属蜂窝构件进行现场检测，分析了影响检测的干扰因素并提出了解决措施。

1 检测原理

许多教科书中都有激光错位散斑干涉检测技术的基本原理［4］，此处不再赘述。开展检测前，首先要考虑的问题是根据检测的具体要求，合理地应用激光错位散斑原理，选择正确的检测加载方案。此处检测对象为大型金属蜂窝蒙皮制件，放置时靠自身重量固定，表面为曲面，有一定的反光度，内外表面均需检测。对这样的情况，热加载应该是比较有效的检测加载手段。

热加载是对检测物体表面加热造成检测物表面微位移的检测方法。通过加热和停止加热，热量透过制件的蒙皮传至蒙皮与蜂窝的结合处，引起结合处受热变形。正常情况下，蒙皮与蜂窝应该是粘接成为一体的；如果存在粘焊等粘接缺陷，其对应结合处受热变形的大小将不同于粘接完好部位受热变形的大小，这种受热变形量的差异会通过金属蒙皮的下表面传至上表面，在被检表面形成不同量的微位移。尽管微位移的差别不会很大，但只要达到激光波长的量级，也就是说不到一个微米，就能在激光及摄像机下形成干涉条纹而显现出来。激光干涉仪中的摄像机常常在加载前也就是没发生微位移前拍摄一张照片作为参考照片，以后以每三十分之一秒一帧的频率连续拍摄，新拍摄的照片与参考照片相减并显示出来，从而形成实时的检测过程监测，展示微位移从零逐渐增大的变化过程。同样，也可以在加载后、微位移最大时拍摄参考照片，物体由受热到冷却，微位移由最大到零，计算机展示的相对位移仍然是从零逐渐增大。如有粘接缺陷，将形成错位散斑特有的蝶形干涉条纹。

2 检测实施

实施检测时，首先要做的事是通过几十米的线轮将电接入现场，要注意电传输的安全和功率是否达到要求。接下来同一般实验室检测步骤基本一样：对准待测目标，使检测区域进入视场，调节光学剪切照相机的焦距、错位量、亮度、激光器的光强并进行仪器校准。错位量调节至假定的最小缺陷的半径与直径之间，因为当剪切量等于和大于缺陷尺寸的一半时，测量灵敏度达到最大且不再继续提高。在确定检测区域后，尽量提高激光器的光强。调节亮度，使剪切成像在实时采集后接近于（但不要达到）饱和。通过对现场大型构件的试检测，确定每次检测区域的大小，对现场大型构件进行区域划分，在区域的四角作“十”字或其它标记；并且应使划分检测区域的四个标记全部落在计算机的检测视场中，以保证相邻被检区域之间有适当的重合，避免结合部位漏检。

在现场的一个比较深刻的感受是：现场检测不像在实验室那么容易。当测试对象由人工缺陷样件换成大型的飞行器部件，检测地点换成储存这些部件的工业大厂房时，原本一流的检测仪器可能不再灵敏、好用，甚至难以调节到实验室中平常检测所呈现的正常状态。现场检测与实验室检测的理论原理、基本步骤虽然一样，但现场环境复杂，外界影响因素得到强化，会出现许多实验室环境下不可能产生的干扰，致使仪器检测能力的下降、每次检测的覆盖面积变小。故建议，进行现场检测时，带着一块实验室中常用的、熟悉的样件，在干扰大、检测状态异常的情况下，可用它调整校验仪器。

实质上现场的主要问题依然是最基本的物理因素如光、振动、温度的变化和干扰问题。习惯于实验室工作的人一般对室外或大厂房中的光照亮度没有概念，室外自然不用说，即使是开有天窗的大厂房，也比实验室亮很多。较强的背景光会令干涉仪的激光光束变得微弱，而大大降低信噪比，使检测工作在白天几乎无法开展。现场的各种噪声和振动源比实验室多很多，人员的活动、机器的开动、车辆、天车的运行、大厂房中穿堂的微风都会对检测形成振动干扰。对于金属蒙皮蜂窝大型构件，一般采用热加载激励，冬季的大厂房中温度较低，用仪器的热光灯加热本来就十分勉强，且大型构件体积大，很小的风便会把热量带走，使热加载无效。在各种干扰的影响下，发现仪器激光器的功率不够，热光灯的热力不足，每次有效检测区域很小，检测进度停滞不前。

对于现场遇到的这些问题，笔者尝试了各种解决措施，最终确认其中两种措施效果良好：夜间检测和搭帆布棚检测。检测在夜间进行，首先排除了白天阳光的影响，同时避免了白天一般工作人员活动、机器、车辆开动的影响，且夜间电压相对稳定，环境噪声较低。搭帆布棚是利用可移动的钢架、帆布和被检测的大型构件，搭建一个将检测人员及仪器包围其中的封闭性空间；这样，帆布有效地隔绝外界光照、振动和空气对流的影响，形成了局部的实验室检测环境。事实证明，采取这两种措施后，外界环境对检测的干扰基本消失，检测图像质量大大提高，检测工作得以顺利进行。

现场检测应尽量避免在露天进行，宜在机库、大厂房等室内环境下进行。若检测只能在露天进行，应避免雨雪天和刮风天工作，并对阳光、声波、气流等进行有效地遮挡。即使是在大厂房中的现场检测，周围光线也会比实验室里的光线强许多，且大厂房中总会有穿堂气流、空调机吹进的冷风流，高架行车运动带来的振动、各种机器、人工敲敲打打的噪声等，对这些环境因素，都要求进行有效地遮挡。

3 检测结果和讨论

图1～3是大型金属蒙皮蜂窝构件现场检测的一些结果，均以相位图形式展现出来。就蒙皮蜂窝结构件而言，判断检测系统工作状态是否良好，检测结果是否可信的一个依据是，检测图像中的蜂窝格是否清晰可辨认。但是，在检测结果的图像中不一定每次都要看到蜂窝格，因为有时为了让缺陷更明显而不需要变形很大。而仪器在调试时，一定要能够比较清晰地看到蜂窝格，在检测开始后的动态显示过程中也一定要能看清楚蜂窝格，看不到蜂窝格意味着仪器未达到最佳工作状态，有可能造成漏检。一般来说，检测相位图中若有任何凸起或鼓包都属于异常情况，应对照检测部位做判定。如从图1中，能够看到比较清晰的蜂窝格，凸起部位也十分明显。对于图1（a）～（c），凸起部位上已经看不见蜂窝格，说明凸起是脱粘造成的；图1（d）在检测区域内发现了一片密集的凸起小鼓包，但凸起部位上蜂窝格仍然清晰可见，说明这些凸起是注胶太多的结果，不是脱粘缺陷。根据图像蜂窝格的清晰性可以判断缺陷的真假。

图1 蜂窝格背景下的缺陷检测相位和胶太多形成的鼓包图示例

被检部件表面上的不规则因素，如划痕、污迹、亮点、暗点、微小凸凹、铆钉、孔洞、甚至蜂窝夹芯板背面的铆钉和孔洞都可能在检测相位图上形成凸起，以假乱真。所以在每次检测进行之后，要及时根据检测图上出现的异常区域对照查看被检部件上的相应部位，排除表面不规则因素的干扰，避免误判。同时在检测过程中，应密切注视检测图像动态变化的情况。那些表面不规则因素虽然会在检测图像动态过程中产生疑似条纹和一定的亮暗变化，但比较脱粘缺陷，它们不会在检测加载后产生变形，因而不会在检测相位图上呈现多条的条纹和连续的亮暗变化。故根据动态图像变化的连续性可以判断缺陷的真假。

图2，3分别是某两次检测获得的相位图和动态过程截图。仅从图2（a）看，方框和圆框内的区域都疑似是缺陷显示；但在检测的动态过程中，见图2（b），只有方框处有干涉条纹的增加，亮、暗的连续交替变化。其他部位只是亮、暗程度的增加，并无交替变化；这说明方框区域是脱粘缺陷。图3（a）中出现了一个长条区域，尽管疑似缺陷，但难以肯定，因为通常近似圆形、方形的缺陷较多；重新再检测一遍，捕捉动态过程，疑问就会消除：在长条区域条纹不断地增加，亮、暗交替变化，如图3（b）所示，很明显是缺陷显示。

图2 某检测的相位图与动态过程截图的示例

图3 某检测的相位图与动态过程截图的示例

4 结论

大型金属蜂窝构件的现场激光错位散斑检测时，使用高大的金属架和不透光的帆布搭成帆布篷是较好的遮挡方式，不但形成了夜间的无光照环境，还避免了声波、气流的影响，最为接近实验室条件。而如无遮挡，检测适宜在晚间进行。总之，就目前激光散斑仪器设备的检测能力而言，真正意义上的、无遮挡的外场或现场检测仍然是难以实现的，必须为检测创造出接近实验室条件的检测环境。

［1］汪风宇，郭广平.铝蒙皮蜂窝夹层结构的激光错位散斑检测工艺参数研究［C］∥第十二届全国无损检测新技术交流会论文集.哈尔滨：［出版者不详］，2011：29－33.

［2］周莉，孙建罡.卫星蜂窝夹层筒体的激光错位散斑检测技术［J］.宇航材料工艺，2012，42（增刊）：273－277.

［3］程茶园，刘哲军，伍颂，等.绝热泡沫材料错位散斑无损检 测［J］.宇航材料工艺，2012，42（增 刊）：287－289.

［4］李家伟.无损检测手册［M］.北京：机械工业出版社，2012.