复合材料粘接结构红外锁相热像法检测

林 鑫,刘哲军,葛 丽,程茶园,伍 颂

(航天材料及工艺研究所,北京100076)

复合材料粘接结构红外锁相热像法检测

林 鑫,刘哲军,葛 丽,程茶园,伍 颂

(航天材料及工艺研究所,北京100076)

复合材料粘接结构在制造和服役过程中会产生多种类型的缺陷,而现有无损检测方法难以快速检测此类结构。介绍了红外锁相热像法的检测理论,并结合复合材料粘接结构特性,对红外锁相热像法检测参数进行了设定。使用红外锁相热像法对产品进行现场检测试验,结果表明,该方法适用于复合材料粘接结构在生产、修补、在役过程中的质量控制。

红外锁相热像法;复合材料粘接质量;产品检测

近年来,随着航空航天制造工艺技术的发展,复合材料结构以其功能性强、强度高及耐腐蚀等特点,越来越多地被应用于新型飞行器结构中。现行复合材料粘接结构多采用结构飞行器外形整体成型后,再与主体结构进行连接的制造工艺。受现有工艺水平限制,在制造及服役过程中,粘接结构会产生多种类型的脱粘缺陷,需要采用可靠的无损检测方法对其进行质量控制。

超声检测技术可对复合材料粘接质量进行有效检测,然而受异形曲面形状的限制,无法对其进行机械自动化扫查,难以满足工业化批量生产的检测要求。激光散斑检测技术也是一种有效的检测方法,该方法容易受外界因素影响,对场地振动、亮度的要求较高。红外锁相热像法检测技术具有非接触、快速成像、检测结果直观等优点[1－3],其通过热波在缺陷或损伤处的相位及幅度变化来进行快速大面积检测[4－6],该方法对外界环境要求低,对背景热噪声响应较为不敏感,可对复合材料粘接结构进行有效检测。

笔者介绍了红外锁相热像法检测理论,并结合复合材料粘接结构特性,对红外锁相热像检测参数进行了设定。通过对产品的现场检测试验,对红外锁相热像法检测能力进行了验证,为红外锁相热像法检测技术的研究提供参考。

1 红外锁相热像法检测理论

热流在构件中的热传导方程描述如下:

式中:T(x,t)为温度;k为材料的热导率;α为热扩散系数;I(x,t)为热加载源。

进行红外锁相热像法检测时,对被检测物体表面施加正弦热流激励:

式中:I(t)为激励热流强度;q为热激励加载的单位能量;fe为调制激励加载频率。

对采集序列图像做以下处理:

式中:Cs为比例因子;Ps为采集周期数;N为单个周期采集的图像序列。

从而得到表面热波信号谐波分量相位值和幅值:

利用相位值和幅值中反馈的异常信息,可对被检对象进行粘接质量评价。

2 检测参数设置

被检测材料常温下热导率为0.72 W·(m K)－1,密度为1×103kg·m－3,热扩散系数α为0.5× 10－6m2·s－1,比热容为1.6×103J·(kg K)－1。红外锁相热像法检测过程中,热波穿透深度L只与频率值选取有关,即:

一般而言,热扩散长度L为粘接厚度x的1.5倍,根据式(5),频率设为:

在检测试验中采用该频率选取原则,当蒙皮厚度越大时,选取频率越低,两者成平方反比关系。由于锁相热像法原位检测过程中,相位对环境及背景噪声有更强的抗干扰能力,因此以下检测结果均采用相位结果。

图1(a)为某复合材料蒙皮与主结构脱粘缺陷的红外相热像法检测结果,蒙皮厚度为2 mm,可以看出在主结构中存在多处贯穿性断胶缺陷,断胶尺寸分别为20 mm×20 mm(长×宽)和20 mm×30 mm(长×宽)。图1(b)为某复合材料蒙皮与蜂窝粘接结构脱粘缺陷的红外锁相热像法检测结果,蒙皮厚度为1 mm,可以清楚地看出蜂窝格的六角边框,蜂窝边长约为5 mm,这是热波传导至蜂窝界面后反馈界面信息形成的图像。同时,部分区域的蜂窝没有清晰显示,这一情况反映了该处热波未传导至蜂窝芯子,说明该处蜂窝存在很大的热阻,即存在脱粘缺陷。通过试件检测试验,表明红外锁相热像法检测技术可以对复合材料蒙皮的多种粘接缺陷进行有效检测。

图1 不同类型的复合材料脱粘缺陷红外锁相热像法检测结果

3 工程应用

利用上述检测参数,对某飞行器产品开展现场检测试验,在产品不同部位不同厚度处检出了脱粘缺陷,如图2所示。经过统计分析发现,这些脱粘缺陷多发生在结构件曲率较大的部位,是由复合材料粘接成型工艺不稳定导致的。这一检测结果说明,红外锁相热像法可以对异形飞行器产品制造过程的粘接质量进行有效检测。

对于产品中存在的脱粘缺陷,进行了现场钻孔修补工作。图3(a)、(b)为某构件中的粘接缺陷在修补前后的检测结果,可以看出该处存在尺寸为20 mm×400 mm(长×宽)的缺胶,经过修补后,部分区域已不存在脱粘缺陷。图3(c)、(d)为另一构件中的粘接缺陷在修补前后的检测结果,可以看出该构件中存在两处脱粘缺陷,尺寸分别为30 mm× 100 mm(长×度)和20 mm×300 mm(长×宽),经过修补后,其中右上方区域得到很好的修复,但正下方脱粘区域并没有成功修复。这一检测结果说明,红外锁相热像法可以对异形飞行器修复过程中的粘接质量进行有效控制。

图2 某飞行器产品在制造过程中的红外锁相热像法检测结果

图3 某异形飞行器产品修补前后红外锁相热像法检测结果

4 结论

红外锁相热像法检测技术具有非接触、大面积、检测结果直观等特点,可对复合材料结构件脱粘缺陷进行现场快速检测,原位检测能力可以达到:缺陷深度2 mm时,缺陷分辩能力不小于20 mm× 20 mm(长×宽);缺陷深度1 mm时,缺陷分辩能力不小于10 mm×10 mm(长×宽)。该检测方法可用于复合材料异形粘接结构在生产、修补过程中的质量检测,也可以应用在该类产品在役过程的质量控制中。红外锁相热像法对检测背景、环境热噪声的抗干扰能力较强,适合开展现场检测应用。同时,也有必要进一步改进现有的数据处理算法,提高图像的信噪比,更好地适用于现场检测的工程化应用。

[1] 朱建堂.激光、红外和微波无损检测技术的应用与发展[J].无损检测,1997,19(11):315-316.

[2] 张建合,郭广平.国内外飞速发展的热像无损检测技术[J].无损探伤,2005,29(1):1-4.

[3] 王迅,金万平,张存林,等.红外热波无损检测技术及其进展[J].无损检测,2004,26(10):497-501.

[4] 刘俊岩,刘勋,王扬.线性调频激励的红外热波成像检测技术[J].红外与激光工程,2012,41(7):1910-1915.

[5] MALDAGUE X P V.Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing[M].Berlin: Springer,2001.

[6] 林鑫,葛丽,程茶园,等.红外无损检测技术粘接结构产品应用[J].宇航材料工艺,2015,45(3):72-75.

Lock-in Infrared Thermography in Composite Bonding Structure

LIN Xin,LIU Zhe-jun,GE Li,CHENG Cha-yuan,WU Song
(Aerospace Research Institute of Materials&Processing Technology,Beijing 100076,China)

Different kinds of defects are found in curved composite bonding structures both in manufacturing and in serving stages.Nondestructive testing methods available now are not capable of the in-situ testing of curved composite bonding structure with high speed.Lock-in infrared thermography is characterized by non-contact,largesized testing area,audio-visual results,et al.It is fit for the in-situ testing of curved composite bonding structure.The best testing conditions of Lock-in infrared thermography are obtained by testing of defects in composite bonding structure samples.The in-situ testing is experimented industrially.It is shown that the lock-in infrared thermography could be applied to curved composite bonding structures in manufacturing,repairing and serving stages.

Lock-in thermography;Composite bonding quality;Product testing

TN215;TG115.28

:B

:1000-6656(2017)01-0049-03

10.11973/wsjc201701012

2016-07-04

林 鑫(1986－),男,博士,工程师,主要从事无损检测新技术研究工作。

林 鑫,E-mail:linxin007＠126.com。