鋁管與泡沫層膠接結構脫黏缺陷的空氣耦合超聲檢測

肖軻迪,高晨家, 陳 博, 吳君豪,王博堯, 吳時紅, 金 珂, 徐 林

(航天材料及工藝研究所,北京 100076)

隨著航天工業的快速發展,復合材料越來越多地應用于各種結構,并起到重要作用[1]。在這些復合材料中,復合材料膠接結構的應用非常廣泛[2-4]。復合材料膠接結構主要包括蜂窩夾層結構、泡沫夾層結構、防隔熱材料與金屬殼體膠接結構等。防隔熱材料與金屬殼體膠接結構屬于新型結構,其中的防隔熱材料具有密度低、質量輕、孔隙率高等特點,而金屬殼體厚度一般較大,同時含有蒙皮、筋條等復雜結構。以上特點為此類復合材料膠接結構的無損檢測帶來了困難,檢測時往往需要結合多種檢測手段進行[5-9]。

針對鋁管與泡沫隔熱層膠接結構脫黏缺陷的無損檢測問題進行研究,分析了其結構特點和缺陷類型,制作了人工缺陷試樣,采用空氣耦合超聲穿透法對試樣進行檢測,并對掃描發現的異常區域開展了微焦點CT檢測,分析了異常區域的缺陷類型及成因,以為航天復合材料膠接結構脫黏缺陷的檢測提供參考。

1 材料結構與缺陷試樣

鋁管與泡沫隔熱層膠接結構由位于內側的鋁管、位于外側的泡沫隔熱層和兩者之間的膠層構成,其結構如圖1所示。鋁管直徑為600 mm,厚度為2.5 mm,鋁管表面加工了數根凸出的環向筋條(每根筋條間距160 mm)。鋁管外表面分塊黏貼預加工和彎曲成型的泡沫隔熱層,其厚度為25 mm。泡沫內表面在筋條處加工對應位置和尺寸的凹槽,以利于黏貼時泡沫與筋條的貼合。黏貼時,在鋁管表面和泡沫表面均刷膠,然后將泡沫置入黏貼位置,結構整體包裹真空袋并使用熱壓罐固化。

圖1 鋁管與泡沫隔熱層膠接結構示意

對于上述鋁板-膠層-泡沫材料結構,從檢測角度分析,該結構包含兩個界面,分別是鋁板-膠層界面、膠層-泡沫界面,其脫黏缺陷類型如圖2所示,主要分為兩種,第一種是鋁板與膠層界面脫黏缺陷,第二種是膠層與泡沫界面脫黏缺陷。從材料成型角度分析,還有一類缺陷為膠層中間存在空氣層,此類缺陷對檢測信號產生的影響與第二種類型的相同,故與第二種合并制作。

圖2 復合結構脫黏缺陷類型示意

針對這兩種脫黏缺陷,設計并制作了人工缺陷試樣,其實物如圖3所示。筆者在一件完整的鋁管與泡沫隔熱層膠接結構的一端制作了兩排人工缺陷,每排對應一種缺陷類型。試樣的上排缺陷模擬鋁板與膠層脫黏缺陷,其制作方法是不在缺陷位置的鋁板表面刷膠且鋁板背面黏貼內置聚四氟乙烯薄膜的壓敏膠帶片,泡沫不下壓。試樣的下排缺陷模擬膠層與泡沫脫黏缺陷,其制作方法是缺陷位置的鋁板表面正常刷膠、泡沫下壓約1 mm。試樣上每排制作4個不同尺寸的圓形缺陷,其直徑從小到大分別為20,40,60,100 mm。

圖3 人工缺陷試樣實物

2 脫黏缺陷檢測方法

膠接結構脫黏缺陷的檢測方法分為兩類,一類是從材料一側進行檢測的單面檢測方法,另一類是縱向穿透整體材料的穿透檢測方法。

在單面檢測方法中,敲擊法、超聲脈沖多次反射法、紅外法的檢測面是鋁管的內表面,由于鋁管直徑為600 mm,手持式敲擊儀或一般超聲平探頭放置在內表面后會處于架空狀態,聲耦合效果差。同理,紅外檢測使用的熱像儀也難以進入鋁管中進行操作。激光錯位散斑法可從被檢件外表面進行檢測,檢測時在泡沫外側施加聲加載,而泡沫材料弧度大,受迫振動性能差,難以在聲加載下產生泡沫層的離位。

穿透檢測方法主要包括超聲噴水穿透法和空氣耦合超聲穿透法。在超聲噴水穿透法中,超聲波縱向穿透整體結構,穿透波幅度會受到入射位置各組成材料的缺陷或衰減的共同影響。被檢件使用的泡沫材料密度低且孔隙率高,對常用頻率(500 kHz～2.25 MHz)的聲波衰減大,聲波穿透能力有限?？諝怦詈铣暣┩阜ㄅc超聲噴水穿透法原理相同,但是空氣耦合超聲檢測不需要使用耦合劑,聲波在空氣中傳播并進入被檢件,對泡沫材料無影響。同時,空氣耦合超聲的常用頻率更低(50 kHz～200 kHz),且空氣耦合超聲波一般使用脈沖串形式激發,聲波穿透性更強,適用于泡沫材料的檢測。因此,筆者使用空氣耦合超聲穿透法對被檢件進行檢測研究。

3 空氣耦合超聲穿透法檢測

在空氣耦合超聲穿透法檢測中,發射探頭和接收探頭安裝在機械掃查機構的探頭桿上,分別位于被檢件的兩側,相互對中且與被檢件表面垂直。檢測時,機械掃查機構對被檢件作逐行掃描,對應每個位置坐標的穿透波信號幅度由采集卡采集,然后傳輸到工控機進行C掃描成像。檢測使用的探頭頻率為50 kHz,晶片直徑為70 mm,探頭類型為直探頭,激勵電壓為350 V,激勵脈沖周期數為6個,發射和接收探頭與試樣表面距離均為50 mm。人工缺陷試樣的空氣耦合超聲C掃描結果如圖4所示,可見空氣耦合超聲信號的幅度以灰度形式顯示在圖像中,顏色越淺表示穿透波信號幅度越高,顏色越深表示穿透波信號幅度越低;黏接完好處穿透波信號幅度最高,顯示為白色,其他深色區域表示穿透波信號幅度下降,為異常區域。

圖4 人工缺陷試樣的空氣耦合超聲C掃描結果

圖4中,沿橫向分布的灰黑色條對應筋條區域,筋條之間的區域對應鋁板區域。紅色虛線圓圈標記的是人工缺陷的制作位置,其中上面一行人工缺陷的類型為膠層與泡沫界面脫黏缺陷;下面一行人工缺陷的類型為鋁板與膠層界面脫黏缺陷。由掃描結果可見,上面一行對應直徑為60 mm和100 mm的人工缺陷檢測效果較好,邊緣清晰明顯;下面一行對應直徑為20 mm和100 mm的人工缺陷的邊緣檢測效果欠佳,可能是固化時膠液流進置入膠帶片的區域所致。其他人工缺陷均不同程度包含和圍繞在穿透波幅低的異常區域內。除人工缺陷所處區域,未制作人工缺陷的筋條和鋁板區域也發現較大面積的異常區域。為確定異常區域是否屬于脫黏缺陷,并確定脫黏缺陷所屬的類型,需要結合其他檢測手段進一步分析。

4 異常區域分析

4.1 被檢件切割及位置編號

空氣耦合超聲檢測發現的異常區域如圖5所示,按圖5所畫線條對掃描結果對應的區域進行切割得到不同的缺陷試片,黑色線所畫圓圈是人工缺陷制作位置,紅色所畫斜線的區域是空氣耦合超聲檢測發現的異常區域。為分析穿透波幅度低的異常區域對應的缺陷類型,從試片上選擇了4個有代表性的區域,用亮紅色圓圈標出并編號,以進行進一步分析。其中,1#區域為切面邊緣區域,可直接觀察切面。2#區域為筋條及附近位置的異常區域,可用微焦點CT進行成像,分析筋條位置的缺陷類型。3#區域為缺陷制作區域,該缺陷的制作面積為直徑60 mm的圓形,在空氣耦合超聲檢測圖像中顯示的是直徑約為56 mm的圓形。4#區域為鋁板位置的異常區域,該位置未制作人工缺陷,若通過微焦點CT發現缺陷,則屬于自然缺陷。該區域在空氣耦合超聲檢測圖像中的顯示尺寸約為28 mm×20 mm(長×寬)。

圖5 空氣耦合超聲檢測發現的異常區域示意

4.2 切面觀察

切割試樣后觀察1#區域切面,1#筋條區域切面與完好處切面形貌如圖6所示,對比發現1#切面的筋條位置泡沫與鋁板型面不貼合,膠層未填滿,存在縫隙,屬于脫黏缺陷。

圖6 1#筋條區域切面與完好處切面形貌

使用高倍顯微鏡觀察1#區域筋旁邊的鋁板處,其結果如圖7所示,圖中上部亮色為鋁板,下部深色為膠層,可見在膠層中靠近鋁板的一側存在條形間隙。

圖7 鋁板1#區域高倍顯微照片

4.3 微焦點CT檢測

使用微焦點CT對編號2#～4#的異常區域進行檢測。

2#區域(即筋條異常區域)微焦點CT檢測結果如圖8所示,發現筋條處泡沫與鋁板及筋條型面不匹配,存在縫隙,屬于脫黏缺陷。

圖8 2#筋條區域微焦點CT檢測結果

3#區域(即膠層與泡沫界面脫黏缺陷的制作區域)微焦點CT檢測結果如圖9所示,可見,缺陷制作效果較好,泡沫明顯下陷,鋁面板與泡沫之間存在縫隙,通過圖像測量得到其直徑約為57 mm,與制作的尺寸基本相同。

圖9 3#區域微焦點CT檢測結果

4#區域的微焦點CT檢測結果如圖10所示,可見膠層中存在平面空氣間隙層,其靠近鋁板的一側,尺寸約為20 mm,屬于脫黏缺陷,缺陷處的材料結構為鋁板-膠層-空氣層-膠層-泡沫。由于此區域未制作人工缺陷,該缺陷應為自然缺陷。

圖10 4#區域微焦點CT檢測結果

5 脫黏缺陷形成原因分析

通過試片切面觀察及微焦點CT檢測,發現1#～4#位置均為脫黏缺陷,驗證了空氣耦合超聲穿透法的檢測結果。

對微焦點CT檢測圖像進行分析,發現脫黏缺陷的類型按形成原因劃分,主要有兩種。第一種對應1#區域和2#區域的筋條位置,其泡沫與鋁板型面不匹配,兩者之間存在較大縫隙,膠層未填滿縫隙而產生脫黏缺陷。第二種對應3#區域鋁板位置和4#區域,其膠層中存在空氣間隙層。

6 結語

針對鋁管與泡沫隔熱層膠接結構脫黏缺陷的無損檢測問題,筆者采用空氣耦合超聲C掃描對其進行檢測,在檢測圖像中,發現多處穿透波波幅較低的異常區域。為說明異常區域的性質,對試樣進行了微焦點CT檢測和切面觀察,結果表明,脫黏缺陷成因分為兩類,一類是型面不貼合引起膠層未填滿,另一類是膠層內空氣未完全排出產生了空氣間隙層。