鋁蜂窩板缺陷的脈沖紅外熱成像檢測

劉濤， 趙博， 曹文萍， 李景賀

（1.哈爾濱商業(yè)大學 輕工學院，哈爾濱150028；2.黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱150022）

0 引 言

蜂窩板作為一種新型復合材料，由于其結構具有質(zhì)量輕、比強度高、剛度大、穩(wěn)定性好、承載能力高、隔熱性好等一系列優(yōu)點，被廣泛地應用在航空航天、汽車工業(yè)等領域。鋁蜂芯夾層結構材料包括蒙皮材料、膠接材料、蜂窩芯材料，在一定溫度和壓力下固化形成一種多相固體材料[1-3]。

由于蜂窩板制備工藝復雜，在制造和服役過程中，容易形成缺陷，影響材料的可靠性，影響蜂窩板的壽命及使用性能，因此必須及時地對其狀態(tài)進行檢測[4-6]。積水和脫粘是蜂窩結構復合材料的兩種常見的缺陷形式。紅外熱成像檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，具有檢測面積大、檢測速度快、非接觸和無需耦合等優(yōu)點，可以方便快捷地檢測出缺陷的位置。脈沖紅外熱成像檢測技術目前是最成熟、應用最廣泛的檢測方法之一，尤其適合薄板材料缺陷的檢測[7-9]。

本文通過有限元仿真和實驗研究，對含有脫粘缺陷和積水缺陷的鋁蜂窩夾層結構材料進行檢測分析。對脈沖熱流在試件內(nèi)部傳遞的過程進行分析，實現(xiàn)對鋁蜂窩夾層結構材料脫粘與積水缺陷的可靠檢測。

1 理論分析

脈沖紅外熱像檢測原理如圖1所示。通過使用計算機產(chǎn)生的脈沖信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡、調(diào)光器，使鹵素燈發(fā)出高能脈沖熱激勵，向試件內(nèi)部進行傳遞。當遇到試件內(nèi)部的缺陷，如脫粘和積水缺陷時，引起試件表面溫度的變化，采用紅外熱像儀采集至計算機中，進行缺陷的識別。

圖1 脈沖紅外熱像檢測原理

2 數(shù)值模擬

紅外熱成像檢測中熱波傳播遵循熱傳導方程。蜂窩結構為各向異性材料，其三維導熱方程為[10]

式中：kx、ky、kz為不同方向上的熱導率，W/（m·K）；ρ為密度，kg/m3；cp為比熱容，J/（kg·K）。

本文選用的鋁蜂窩板試件包括蒙皮、粘接劑、蜂窩芯。其中蒙皮為碳纖維，粘接劑為環(huán)氧樹脂，蜂窩芯為鋁合金。蜂窩芯厚度為3.8 mm，網(wǎng)格為邊長5 mm的六邊菱形；環(huán)氧樹脂有兩層，厚度為0.1 mm；碳纖維有兩層，厚度為0.5 mm。幾何尺寸為160 mm×120 mm×5 mm，材料熱物理參數(shù)如表1所示。

試件幾何缺陷分布如圖2所示。圖中六邊形所示為蜂窩積水缺陷。其中第1列缺陷深度為4.7 mm，模擬蒙皮與樹脂膠膜的上脫粘缺陷；第2列缺陷深度為4.5 mm，模擬樹脂膠膜與鋁蜂窩芯的下脫粘缺陷；第3列缺陷深度為0.6 mm，模擬下表面樹脂膠膜脫粘缺陷。

表1 材料熱物理參數(shù)

3 結果分析

設置脈沖激勵功率為2 kW，脈寬為5 s，采樣時間為20 s。鋁蜂窩試件在不同時刻的試件表面溫度云圖如圖3所示。從圖中可以看出，脈沖紅外熱成像檢測能夠有效實現(xiàn)對鋁蜂窩板脫粘缺陷和積水缺陷的檢測。圖4給出了不同缺陷直徑與缺陷深度對試件表面溫差的影響，以及積水缺陷的溫度曲線圖。由圖4（a）可知，缺陷直徑越大，試件表面溫差越大，缺陷溫差峰值ΔTMAX隨著缺陷直徑增大而逐漸增大，缺陷越容易被檢測到；由圖4（b）可知,缺陷深度越深，缺陷處與周圍無缺陷處的表面溫差ΔT越大，其檢測效果越好；由圖4（c）可知，積水的溫升較低，積水的溫度在5 s時升到最高，同時加熱結束進入降溫階段；由圖4（d）可知，積水缺陷溫差值要低于脫粘缺陷，這是由于材料導熱系數(shù)不同所引起的。

圖2 缺陷幾何分布圖

4 實驗研究

鋁蜂窩試件制備實物圖如圖5所示，外觀幾何尺寸為160 mm×120 mm×5 mm，其他結構及物性參數(shù)與前述數(shù)值模擬處一致，不再重述。鉆削加工12個孔用于模擬積水和脫粘缺陷，第1列的3個孔直徑為2 mm，深度為1 mm，作為注水孔，模擬積水缺陷；第2、3、4列孔的深度分別為0.6 mm、4.5 mm和4.7 mm，這3列孔中，第1、2、3行孔的直徑分別為8 mm、10 mm、12 mm，模擬脫粘缺陷。

通過鹵素燈，在試件背面施加脈寬為5 s的2 kW脈沖激勵。采用FLIR系列的非制冷式紅外熱像儀A655SC，采集試件背面熱圖，采樣時間20 s。

圖3 不同時刻的試件表面溫度圖

對實驗采集的紅外熱圖進行處理得到歸一化后最優(yōu)幅值圖如圖6 所示。由圖可知，試件中第2列（熱圖的右邊第2列）缺陷因深度過小（0.6 mm）而未能被檢測出來；第4列缺陷比第3列缺陷檢測效果好，且第4列中的第2、3行對應的大直徑缺陷檢測效果最佳，這表明缺陷直徑越大、深度越深，檢測效果越好。第1列為積水缺陷，該區(qū)域（熱圖的最右側）溫度較低，缺陷輪廓較為清晰。

對幅值圖選取不同缺陷直徑中心區(qū)域進行信噪比計算，分析出不同缺陷直徑大小與信噪比（SNR）的變化規(guī)律關系，如圖7（a）所示。由圖可知，在缺陷深度一定時，缺陷直徑越大，信噪比越高，表明在有無缺陷區(qū)域間的溫差越大，噪聲干擾越小，檢測效果越好。對幅值圖選取不同缺陷深度中心區(qū)域進行信噪比計算，分析出不同缺陷深度大小與信噪比的變化規(guī)律關系，如圖7（b）所示。由圖可知，在缺陷直徑一定時，缺陷深度越大，其信噪比越高，表明在有無缺陷區(qū)域間的溫差越大，噪聲干擾越小，檢測效果越好。

圖4 缺陷直徑以及缺陷深度對試件表面溫差的影響

圖5 鋁蜂窩試件制備實物圖

5 結 語

以含有脫粘缺陷和積水缺陷的鋁蜂窩板為研究對象，通過理論分析和數(shù)值模擬，分析了缺陷直徑和缺陷深度對檢測效果的影響，并對比分析了脫粘缺陷和積水缺陷檢測效果。通過制作蜂窩缺陷試件，開展實驗研究，并對采集到的紅外熱圖進行處理得到了歸一化后最優(yōu)幅值圖，進而分析獲得了缺陷直徑和深度對檢測效果的影響規(guī)律。理論分析與實驗結果兩者間規(guī)律一致，缺陷直徑越大、缺陷深度越大，檢測效果越明顯；積水缺陷易于檢測。

圖6 最優(yōu)幅值圖

圖7 不同缺陷直徑與深度對檢測效果的影響