金屬蜂窩結構粘接缺陷的機械阻抗法檢測

劉春秘，張素香，鄭維龍

（沈陽飛機工業集團（有限）公司 理化測試中心，沈陽 110850）

上下表面是金屬薄板（稱做蒙皮），中間是蜂窩夾芯，用膠將三者粘合成一體的結構稱為金屬蜂窩粘接結構。金屬蜂窩粘接結構具有重量輕、比剛度和比強度高的特點，因而在航空工業中大量采用。但金屬蜂窩粘接結構在粘接過程中影響粘接質量的因素較多，如膠粘劑質量、固化工藝（如固化溫度、固化壓力和時間等）、粘接表面預處理的質量等，致使產品質量離散性大，并且容易產生缺陷。金屬蜂窩粘接產品中的缺陷主要有兩類，一類是蜂窩夾芯本身在預處理、粘接、加工過程中產生的缺陷，主要有蜂窩變形、蜂窩壓皺、節點分離等；另一類是金屬蒙皮與蜂窩夾芯在粘接過程中產生的缺陷，如脫粘等。由于蜂窩結構的重要性，多年來對這種材料的檢測技術倍受關注，開發了多種檢測方法，機械阻抗法是其中之一［1－3］。

以下介紹用機械阻抗法對蒙皮與夾芯之間的脫粘缺陷進行檢測的試驗研究，以及機械阻抗法在生產中的初步應用概況。

1 機械阻抗檢測法原理

物體或其某一部分的振動可描述為［4］：

式中x是振動位移，m；M是物體的質量，kg；Rm是阻尼系數，N·s／m；K 是彈性系數，N／m；F（t）＝F0ejωt，是物體所受的交變力，N；ω 是圓頻率，rad／s。將式（1）改寫為：

式（2）和如下電振動方程相同：

式中L是電感；R是電阻；C是電容；I是電流；V0ejωt是交變電壓。式（2）和（3）的解形式相同，為：

式（5）右邊分式的分母是電路的阻抗，所以把式（4）右邊分式的分母命名為振動系統的機械阻抗，也有人稱其為力阻抗、聲阻抗。在我國以往的文獻中，機械阻抗法被稱為聲阻法，但如果稱為聲阻法就很容易與材料中聲波傳播的阻抗Z＝ρc（ρ是材料的密度，c是材料中聲波傳播速度）相混淆，因此筆者使用“機械阻抗”作為術語來加以區分。機械阻抗這一術語與現代英文文獻使用的術語“mechanical impedance”［2］是一致的，用符號Zm來表示：

用機械阻抗方法檢測粘接缺陷的儀器，是由探頭和電子儀器兩部分組成，探頭結構如圖1所示［2］。探頭上部有一個振動激勵晶片（發射晶片），下部有一個振動測量晶片（接收晶片），兩者都是PZT壓電陶瓷片。探頭的下端頭叫做觸頭，通常是用鋼或瑪瑙石等材料制作的，用于和工件的被檢測部分接觸。激勵晶片與正弦信號發生器相連接，測量晶片與接收放大器連接。還有一種雙觸頭探頭，一個觸頭用于激勵，另一個用于測量，也就是說發射晶片與接收晶片不在同一條直線上，兩者通過各自的觸點與工件耦合。工件的被檢測部分，也就是與探頭觸頭接觸的部分的粘接質量不同，機械阻抗不同，受到激勵而產生的振動狀態不同，于是測量晶片接收到的振動信號的幅度和相位不同。這樣就可以根據收到的振動信號的差異，發現被檢測部位的粘接缺陷。因為不僅要觀測信號的幅度，還需要觀測信號的相位，所以機械阻抗測試儀的信號顯示方法也是“矢量顯示”，機械阻抗測試儀也必須有激勵和接收，這些都與渦流探傷儀相同。

圖1 探頭結構示意圖

2 試驗用的檢測儀器與對比試塊

機械阻抗檢測儀是俄羅斯制造的DAMI－C粘接檢測儀。激勵頻率1～40kHz，儀器能自動選擇最佳激勵頻率。配有單觸頭探頭兩支，型號為ДИФ－3C和 РАДИ－7C；雙觸頭探頭一支，型號為PC－1。配有標準試塊一塊，型號TS－1，用于校驗儀器和探頭的綜合性能。適用的蒙皮厚度范圍是：金屬蒙皮／金屬蜂窩0.3～2.0mm；玻璃鋼蒙皮／玻璃布蜂窩0.5～1.0mm；碳纖維環氧蒙皮／碳纖維環氧蜂窩≤0.8mm。檢測靈敏度φ10～20mm的脫粘缺陷。

雖然儀器配有標準試塊，但標準試塊只用于校驗儀器和探頭的綜合性能，為了確保檢測效果良好，對比試塊不可缺少。制作對比試塊使用的材料和工藝應當和被檢工件完全相同。根據工件所屬產品的工藝規范要求，制作了三種金屬蜂窩結構（蒙皮和蜂窩夾芯都用金屬制作）的參考試塊：1號試塊為0.6mm蒙皮／18mm蜂窩／0.6mm蒙皮，平板形；2號試塊為0.8mm蒙皮／7～40mm蜂窩／0.8mm蒙皮，楔形；3號試塊為0.8mm 蒙皮／0.8mm 墊板／20mm蜂窩／0.8mm墊板／0.8mm蒙皮，平板形。試塊的尺寸260mm×260mm，每塊試板含φ10mm和φ16mm兩種規格的人工缺陷各2個（圖2）。

3 缺陷檢測試驗和產品檢測

用三種試塊進行了人工脫粘缺陷檢測試驗。ДИФ－3C和РАДИ－7C兩種單觸頭探頭都能將1號和2號試塊中所有缺陷全都清晰地檢測出來。對于3號試塊，即在蒙皮與蜂窩夾芯之間還加有一層墊板的試塊，只有使用PC－1型雙觸頭探頭才能將脫粘缺陷檢測出來，檢測效果也比較好。這說明雙觸頭探頭適合檢測埋藏較深的缺陷，單觸頭探頭適合檢測埋藏較淺的缺陷。

以上介紹的檢測金屬蜂窩結構脫粘缺陷的機械阻抗法已經應用于某產品的生產檢測過程，檢測結果見圖3。其中當“＋”光標位于黑色區域之內時表示觸頭下面的小區域粘接良好；“＋”光標位于黑色區域之外時表示觸頭下區域存在脫粘缺陷。在檢測過程中還發現，有一種用蜂窩結構制作的樑，其上某些部位在蒙皮與蜂窩夾芯之間填充了一層泡沫膠并粘合為一體，用機械阻抗法也能將這些特殊區域顯示出來，檢測長度是100～200mm，寬度大約3～5mm。對上述區域進行X射線透照，結果與機械阻抗法檢測結果完全吻合。

圖2 參考試塊和人工缺陷示意圖

圖3 顯示屏上的信號

4 結語

試驗結果表明，采用機械阻抗法檢測金屬蜂窩結構脫粘缺陷是有效的，能檢測出φ10mm甚至更小的脫粘缺陷，其檢測靈敏度和可靠性完全滿足有關技術文件的要求。機械阻抗法的優點是受工件形狀限制小；可以人工掃查，也可以機械掃查；儀器體積小、重量輕、攜帶方便；不需要耦合介質。機械阻抗法的缺點是探頭必須與工件接觸；需要逐點掃查，不能一次檢測一個較大的面積。與單觸點探頭相比，雙觸點探頭更適合檢測埋藏較深的缺陷。

［1］李慧娟，吳東流，王俊濤，等.鋁蒙皮蜂窩夾層結構的各種無損檢測方法［J］.無損探傷，2009，33（2）：9－12.

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

［3］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002：327－334.

［4］胡建凱，張謙林.超聲檢測原理和方法［M］.合肥：中國科學技術大學出版社，1993：5－6.