铝蜂窝胶接缺陷的红外热波无损检测

铝蜂窝夹心板板芯采用金属铝箔制成六角形蜂巢,两面用合金铝板。其结构采用工字梁原理,能够保证在足够的承载能力下,将自身的重量减轻,还可以分散承担来自各方的压力,因具有强度高、刚性好、寿命长、吸音、隔热、具有光滑的气动表面、耐疲劳和不易变形等突出的综合功能而被广泛应用于航空航天以及列车、船舶、建筑装饰、体育用品、赛车和轻体房屋等领域。但在制造过程中,较难对各种工艺参数进行精确控制,造成复合材料质量不稳定,离散性大;在使用过程中,静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变和过热等原因也会引起破坏[1]。与金属材料不同的是,复合材料在断裂或损坏之前几乎没有什么先兆,其破坏具有突然性,往往对结构造成致命威胁,形成安全隐患[2]。因此,复合材料结构件生产和使用过程中的无损检测十分重要。

金属蜂窝胶接产品中的缺陷主要分两类,①在其预处理和胶接加工过程中产生的缺陷,主要有蜂窝变形、蜂窝压皱和节点分离等。②金属蒙皮与蜂窝在胶接过程中产生的缺陷,如脱粘等[3]。铝蒙皮蜂窝结构复合材料作为航空工业的一种重要材料,如果蒙皮与蜂窝之间有脱粘情况发生,其强度将大大降低,严重影响航空飞行器的安全[4]。试验表明,红外热波无损检测技术可对铝蜂窝复合材料试件夹层胶接情况作快速有效的检测。

1　红外热波无损检测技术原理

与传统的被动式红外热成像检测不同,热波检测技术采用了主动式控制热激励的方法,用各种加热技术激励试件表面下的缺陷。不同材料表面及表面下的物理特性将影响热波的传输,以某种方式在材料表面的温度场变化上反映出来。温度场变化导致材料表面红外辐射能力的差异,红外辐射载有材料的特征信息,利用红外热成像技术记录材料表面的红外辐射并将人眼不可见的红外辐射转化成可见的温度图像。通过控制热激励方法和记录材料表面的温场变化,可以获取材料的均匀性信息及其表面下的结构信息,达到检测目的[5]。

红外热波无损检测技术的理论基础是热传导方程,由热传导方程结合媒介边界条件可得到温度到达峰值的时间tpeak与缺陷深度d之间的关系

对特定的媒介物质,一般情况下,热扩散系数α可视为一常数,α值越大的物体对外界热环境的改变反应越快。tpeak可从缺陷区域的温度2时间图上找到。

2　试验

2.1　试验设备

试验使用脉冲加热红外热成像无损检测系统,该系统由脉冲热源、红外热像仪和专用软件三部分组成。脉冲热源用EchoTherm热激励系统,热源由两个高能量的闪光灯组成,用于瞬时加热被测试件,在试件中形成热传导过程。红外热像仪是ThermaCAMTMSC3000,该热像仪采用尖端的制冷型量子阱红外光电探测器技术,工作波段为8~9μm,提供分辨率为320×240像素的图像和精确的温度测量能力。热像仪用于记录热脉冲作用后试件表面的温度场变化过程,并送给专用软件进行处理。从处理后的红外热图像可确定试件内部是否有缺陷并可测量缺陷的大小和深度。