張 穎 吳時紅 趙建華 羅 明 何雙起 吳君豪

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

膠接結(jié)構(gòu)是航空航天產(chǎn)品重要結(jié)構(gòu)之一，其中蜂窩膠接結(jié)構(gòu)部件廣泛用于運載火箭、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、飛機等產(chǎn)品中［1］。由于蜂窩膠接結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)采用手工、單件生產(chǎn)方式，且生產(chǎn)工藝條件難以嚴(yán)格控制，易導(dǎo)致部件內(nèi)部存在影響使用性能的脫粘缺陷。對蜂窩膠接結(jié)構(gòu)部件的膠接質(zhì)量進行無損檢測，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

敲擊檢測是近年來應(yīng)用最廣泛的檢測方法之一［2］，由于無需耦合介質(zhì)，操作便利等優(yōu)勢，同時檢測靈敏度也能夠滿足檢測需求，現(xiàn)越來越多應(yīng)用于蜂窩膠接結(jié)構(gòu)檢測中。當(dāng)前，敲擊檢測多采用手動敲擊方式，如日本三林公司W(wǎng)P－632AM，需要檢測員手持檢測儀垂直敲擊被檢材料獲取敲擊信號，通過對比敲擊信號的寬度與標(biāo)定信號的寬度大小單點判斷缺陷有無［3］。

然而，在實際檢測過程中，面臨蜂窩膠接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品規(guī)格不同，蒙皮材料、蒙皮厚度不同，檢測靈敏度隨蜂窩膠接結(jié)構(gòu)蒙皮厚度的增加而降低。在檢測過程中難以定量的衡量蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的脫粘程度，影響被檢測件整體膠接質(zhì)量評價。上述問題在一定程度上制約了敲擊檢測方法對蜂窩膠接結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用，故需研制一套蜂窩膠接結(jié)構(gòu)C掃描敲擊檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)蜂窩膠接結(jié)構(gòu)整體掃描檢測，通過檢測過程全數(shù)據(jù)對比獲得被檢測件膠接程度檢測結(jié)果，故開展蜂窩膠接結(jié)構(gòu)敲擊自動檢測系統(tǒng)的研制。

1 敲擊檢測原理

當(dāng)被測部件被敲擊錘敲擊時，敲擊特性取決于被測部件的彈性系數(shù)。如果被測部件存在缺陷，就會導(dǎo)致缺陷位置的材料彈性系數(shù)降低［4］。敲擊檢測物理模型可利用彈簧模型［5］進行分析，蜂窩膠接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)敲擊錘敲擊被測部件完好部位時，其作用關(guān)系等效于以初始速度作用于彈性系數(shù)為k0(蒙皮)和彈性系數(shù)kd(蜂窩芯)串聯(lián)的接地彈簧，此時蒙皮彈性系數(shù)k0是無限大的，因此k0＞＞kd。當(dāng)敲擊錘敲擊被測部件有缺陷，如分層，脫粘等部位時，其作用關(guān)系等效于以初始速度作用于彈性系數(shù)和彈性系數(shù)kd串聯(lián)的接地彈簧。

敲擊過程敲擊力持續(xù)時間為彈簧振動的半個周期，故可容易得到敲擊過程持力時間為:

式中，ω為彈簧振動的圓頻率，m為敲擊錘的質(zhì)量，k為彈簧振動等效彈性系數(shù)。

當(dāng)被測部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好時，由于k0＞＞kd，模型總等效彈性系數(shù) k≈kd，敲擊過程持力時間 t=π當(dāng)被測部件內(nèi)部存在缺陷時，蒙皮彈性系數(shù)降低為，此時模型總等效彈性系數(shù)可表示為:k=，容易計算得到該狀態(tài)下，敲擊過程持力時間通過以上分析可知，當(dāng)缺陷存在時，模型總等效彈性系數(shù)k減小，敲擊過程持力時間增加。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 總體設(shè)計

敲擊自動檢測系統(tǒng)主要由控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構(gòu)、敲擊檢測裝置、敲擊控制單元組成，如圖2所示。

控制計算機主要負責(zé)檢測參數(shù)(掃描范圍、速度、間距)的設(shè)置、檢測指令(運動控制指令和敲擊指令)的發(fā)送以及檢測數(shù)據(jù)存儲及成像。運動控制單元主要負責(zé)機械掃查機構(gòu)各軸運動軌跡的控制，并向控制計算機提供當(dāng)前機械臂位置信息。機械掃查機構(gòu)主要由三軸向的伺服電機、兩軸向步進電機及相應(yīng)的傳動機構(gòu)組成。三軸向伺服電機驅(qū)動機械臂在x、y、z方向運動到達目標(biāo)位置，步進電機驅(qū)動機械臂的空間擺角A、擺角B便于掃查曲面結(jié)構(gòu)。運動控制單元與機械掃查機構(gòu)的伺服電機形成位置閉環(huán)，實時控制并跟蹤掃查臂的位置。

敲擊檢測裝置中的敲擊錘固定于機械臂，隨機械臂在掃描范圍內(nèi)運動，該裝置主要控制敲擊錘對被檢材料的敲擊以及獲取敲擊信號。敲擊控制單元接收控制計算機發(fā)送的敲擊指令，并生成控制信號觸發(fā)敲擊錘敲擊動作;同時敲擊控制單元具備數(shù)據(jù)采集功能，將敲擊錘敲擊被檢材料后獲得的信號進行采集，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給控制計算機。

自動敲擊檢測系統(tǒng)軟件運行于控制計算機，該軟件統(tǒng)一協(xié)調(diào)檢測系統(tǒng)各部件及執(zhí)行單元的工作時序，系統(tǒng)檢測流程如圖3所示。

2.2 敲擊檢測裝置

敲擊檢測裝置主要由驅(qū)動電路、信號調(diào)理電路和敲擊錘組成，其功能框圖如圖4所示。敲擊錘由兩個繞線方向相反的螺線管、鐵磁塊、敲擊頭以及壓電陣元組成。兩個螺線管間隔一定距離固定于敲擊錘骨架中;鐵磁塊置于兩螺線管中間，通過金屬滑桿連接敲擊頭;敲擊頭內(nèi)部嵌入壓電陣元拾取敲擊過程中的作用力。

驅(qū)動電路主要由兩路三極管實現(xiàn)的開關(guān)電路構(gòu)成，在控制信號的作用下交替導(dǎo)通，為敲擊錘內(nèi)部的螺線管提供驅(qū)動電流，在兩個螺線管中交替產(chǎn)生磁場，吸引鐵磁塊并通過金屬滑竿帶通敲擊頭上下往復(fù)運動;敲擊頭與被檢材料作用后，其內(nèi)置的壓電陣元將作用力轉(zhuǎn)換為電信號并向信號調(diào)理電路傳輸。

信號調(diào)理電路主要由放大電路、濾波電路組成。壓電陣元輸出的信號經(jīng)放大電路進行幅值的放大，后通過低通濾波器將高頻的信號及噪聲濾除，提高有用信號的信噪比。

2.3 檢測成像技術(shù)

敲擊檢測通過拾取的敲擊過程持力時間判斷材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，本系統(tǒng)檢測成像的數(shù)據(jù)來自源于敲擊檢測過程中每個敲擊位置所采集得到信號寬度t。材料完好部位的持力時間與包含缺陷位置的持力時間存在差異，材料內(nèi)部脫層、脫粘的嚴(yán)重程度亦能通過持力時間長短加以區(qū)別。本系統(tǒng)將持力時間按照所采集的信號寬度用不同顏色進行區(qū)別，分別在每個敲擊位置用顏色標(biāo)示該位置所獲得的信號的寬度，得到掃描圖像。敲擊檢測系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

3 實驗

3.1 試樣設(shè)計

鋁蒙皮厚度為0.5 mm，蜂窩芯格邊長4 mm、厚0.5 mm。如圖6所示，模擬脫粘缺陷直徑依次為Φ5 mm、Φ10 mm、Φ15 mm、Φ20 mm、Φ25 mm。缺陷為去膠膜，在上蒙皮與蜂窩間加2層0.03 mm厚的薄膜，并涂上脫模劑。圖7為該試樣使用超聲噴水穿透法C掃描檢測結(jié)果。

3.2 敲擊檢測實驗

對上述敲擊試樣進行敲擊檢測實驗，敲擊檢測間距1 mm，敲擊頻率16 Hz，檢測結(jié)果如圖8所示。

試樣1#通過敲擊檢測最小可檢出缺陷尺寸為Φ5 mm，且蜂窩芯格清晰可見。與超聲噴水穿透法檢測結(jié)果相對應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)敲擊檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了復(fù)合材料了膠接結(jié)構(gòu)的自動掃描檢測，對蜂窩膠接結(jié)構(gòu)試樣的檢測效果與超聲噴水穿透法檢測結(jié)果相對應(yīng)，該系統(tǒng)的檢測靈敏度滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的檢測需求。

(2)敲擊檢測系統(tǒng)克服了大面積待檢件手動人工檢測漏檢難題，解決蜂窩膠接結(jié)構(gòu)自動化檢測的問題，實現(xiàn)高可靠性和可視化敲擊檢測。

(3)該系統(tǒng)對待測產(chǎn)品的檢測結(jié)果進行成像，便于缺陷識別，掃描結(jié)束后能快速實現(xiàn)缺陷定位、定量及后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

［1］周正干，孫廣開，李洋.先進無損檢測技術(shù)在復(fù)合材料缺陷檢測中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2016，59(4):28－35.

［2］羅明，張穎，吳時紅，等.超聲C掃描在C/SiC復(fù)合材料與鈦合金薄板釬焊質(zhì)量中的應(yīng)用［J］.宇航材料工藝，2015，45(6):87－90.

［3］鄔冠華，林俊明，任吉林，等.聲振檢測方法的發(fā)展［J］.無損檢測，2011，33(2):35－41.

［4］陶鵬.風(fēng)電葉片脫層損傷的聲振檢測技術(shù)研究［D］.南京航空航天大學(xué)，2014.

［5］CAWLEY P，ADAMSR D.The mechanics of the coin－tap method of non－destructive testing［J］.Journal of Sound ＆Vibration，1988，122(2):299－316.