蜂窝结构的超声和声无损检测技术

　　蜂窝复合材料又叫蜂窝夹层板,主要由蒙皮、蜂窝芯和粘接剂组成(图1)。蒙皮一般由玻璃布、胶合板、纤维板、薄铝板、铝合金板或钢板等组成。蜂窝芯一般由纸、玻璃布、铝合金或芳纶纸(NOMEX)等组成,其网格形式有正六边形、菱形或正方形等。

　　由于蜂窝复合材料的比强度高、比刚度大、隔热隔音性能突出、重量轻,目前在航空航天和建筑等领域得到大量的应用。但蜂窝复合材料价格昂贵,且在制造和服役过程中,容易形成缺陷,这些缺陷的存在严重制约了蜂窝复合材料的应用,因此对蜂窝复合材料的无损检测就显得非常重要。

　　蜂窝复合材料常见的缺陷有脱粘、积水、划伤、裂纹、气孔、芯短以及面板或蜂窝芯的损坏等。针对这些缺陷,相应地发展起了多种无损检测方法。不过,蜂窝夹层结构一般被检测面积大、厚度薄,而且呈现各向异性、低的导热性和导电性、声衰减较大,所以,其与金属及合金无损检测具有明显差别。蜂窝结构常用的无损检测方法有X射线法[1]、红外热成像法[2]、声阻法[3]和常规超声波脉冲穿透法等。X射线法检测直观可靠,但设备庞大,价格昂贵,且X射线对人体有伤害。红外热成像法具有非接触、实时、高效的特点,借助于物体的热辐射得到物体的热图来判别是否存在缺陷,但受周围环境温度的影响较大。声阻法检测构件冲击损伤时,具有一定的局限性。超声波方法由于其穿透性强,操作简单,成本低,可以检测出气孔、脱粘、夹杂等大部分缺陷,是检测蜂窝缺陷的一种常用方法。而且,随着技术的发展,各种新的超声测试方法也应运而生,以适应不同的检测要求,如近些年比较热门的超声导波技术、声-超声和空气耦合超声等。针对蜂窝结构检测文献相对较少的现状,下面将对蜂窝结构的超声和声检测方法作详细介绍。

　　1　超声法

　　1.1　脉冲反射法和脉冲穿透法

　　脉冲反射法是通过测量待测结构的缺陷处和背面反射的能量来判断的。脉冲超声波入射到被测工件,有一部分被反射,这部分反射波可以被接收;另一部分穿过工件,再从工件的底面反射且再次穿过工件,这部分反射波也可以接收。采用这种方法时,超声波要两次穿过工件,并要检测反射回来的回波,所以也叫脉冲回波法。图2为采用该方法检测蜂窝结构三种典型情况的示意图[4]。图2(b)是蒙皮与胶层之间出现脱胶的波形,这种情况和单板相似。由于金属和空气界面间声阻抗变化很大,因而金属界面有很强的反射能力,造成入射脉冲信号在板内多次反射,并维持较长时间,信号衰减较为缓慢。当胶层和蜂窝格子之间出现脱胶时,波形如图2 (c)所示。此时,金属与空气的界面消失了,代之以较为微弱的声阻抗变化,因而大部分脉冲信号能输入到胶层而消失,脉冲信号衰减很快,显示波形只有少数几个;当蒙皮与蜂窝芯粘接良好时,波形如图2(a)所示,除了出现胶层的阻尼效应以外,由于声能传输到蜂窝格子壁,而又反射回探头,所以衰减速度较图2(c)缓慢而比图2(b)快。在实际检验中,用标准样件作对比就可以方便地检测出缺陷来。