系留氣球囊體無損質量檢測方法研究與應用

陳永強

（蕪湖職業技術學院 機械工程學院，安徽 蕪湖241006）

0 前 言

系留氣球是一種浮空器，目前廣泛應用于民用產品和軍事中，而系留氣球囊體作為一種制造工藝難度大、成型過程長的復合材料產品，目前國內產品質量檢測主要引用美國材料與試驗協會的ASTM系留標準[1]。由于生產條件和檢測環境等諸多因素的不同，該標準不能有效滿足國內的生產和質量控制要求，亟需對適合我國浮空器囊體生產設備、生產環境提出有效的質量控制標準和質量檢測方法。本文以某企業承擔的陣地式系留氣球為研究對象，結合氣球囊體成型過程，研究囊體材料在高頻熱合過程中的質量檢測方法。

1 質量檢測環境要素分析

高頻熱合工序是囊體材料相互連接的主要方式，是囊體加工成型最重要的一道工序。由于囊體材料熱合檢驗不能在事后經濟、有效地進行，目前對于熱合質量檢驗僅限于目測等感官手段或進行樣件破壞性試驗進行驗證。為了對囊體材料中大量熱合部位的質量一致性、可靠性進行控制，亟需一種非破壞性、實時檢測的無損檢測手段進行過程質量控制。

無損檢測正是在此種檢測條件下的一種理想檢測手段，無損檢測NDT（Non-destructive testing）就是利用聲、光、磁和電等特性，在不損害或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢測被檢對象中是否存在缺陷或不均勻性，給出缺陷的大小、位置、性質和數量等信息，進而判定被檢對象所處技術狀態（如合格與否、剩余壽命等）的所有技術手段的總稱[2]。無損檢測是以不損壞被檢測對象的使用性能為前提，應用物理和化學現象，對囊體原材料，零部件和成品進行有效的檢測，借以評價他們的完整性、連續性和其他物理性能。與破壞性檢測相比，無損檢測具有非破壞性、全面性、全程性特點，可以對制造用原材料、各中間工藝環節、直至最終的產品進行全程檢測，也可對服役中的設備進行檢測，是目前產品設備可靠性檢查的重要手段，已經成為產品制造和使用中不可缺少的組成部分。

系留氣球囊體屬于復合軟性膜材料，通常厚度在3mm左右，針對囊體材料的材料特性，選用燈箱檢測、超聲波檢測、X射線檢測、紅外線檢測和太赫茲檢測5種無損檢測方法進行對比研究[3]。

本次研究共制3種試件，通過調整熱合工藝參數來控制其熱合強度，按照熱合剝離強度大致將試件分為強度高、中、低3個類別。

圖1 熱合強度高、中、低3種熱合檢測樣件

2 各類檢測方法的應用

2.1 燈箱檢測

燈箱檢測是一種非常簡便、常用的囊體材料檢測手段，通過在箱體中排布若干燈管，提供足夠的照度，把囊體材料鋪設在燈箱上，可對材料在普通亮度下無法發現的缺陷和損傷進行檢查，簡單易用。現階段燈箱普遍用于囊體材料的入所檢驗和裁片工序前的檢驗，進行單層囊體材料的缺陷識別。

但是當把囊體材料熱合成雙層材料及多層材料時，由于材料厚度的增加，燈光的穿透性大大削弱，對熱合縫的相關缺陷不能有效、快速的發現及排除。

2.2 超聲波檢測

超聲波法是工業上一種常見的探傷方法，它是最早用于復合材料無損檢測的方法之一。為了有效的向試件中發射和接收超聲波，超聲檢測時一般要使用水、油等液體作為耦合劑。檢測時必須保持探頭和試件之間良好的耦合，即在兩者之間填充介質以排除空氣，避免因空氣層的存在導致聲能幾乎全部被反射的現象發生。超聲波無損檢測不適用于檢測大面積被測物，因為耦合介質水、油等不但會污染試件，探頭與試件直接接觸，也可能造成試件的破壞并影響檢測結果。通過委托合肥某檢測科技有限公司對提供的試件進行超聲波檢測發現，在調整多種檢測波長后，超聲和毫米波波長太長，達不到要求的分辨率；無法識別缺陷部位。

2.3 X射線檢測

X射線法是基于物體正常部位與缺陷部位反射或吸收X射線的能力不同實現對物體缺陷的檢測，其在金屬缺陷和蜂窩材料等檢測方面應用廣泛，對氣孔、夾雜、疏松等體積型缺陷的檢測靈敏度較高，但對平面缺陷的檢測靈敏度較低，當射線方向與平面缺陷垂直時，如裂紋、分層等就很難檢測出來。另外，射線對人體有害，檢測時必須增加保護措施。通過委托合肥某檢測科技有限公司對提供試件的X射線檢測，X光對膜材料的穿透能力過強，成像對比度較差，不能有效對缺陷部位進行辨識。

2.4 紅外熱波成像檢測

紅外熱波成像檢測技術是建立在電磁輻射和熱傳導理論基礎上的一門無損檢測技術，多個國家已把紅外熱波檢測技術廣泛應用于飛機復合材料構件內部缺陷及膠接質量檢驗、蒙皮鉚接質量檢測等。如果試件內部存在缺陷時，熱流就被缺陷阻擋或加速擴散，經過一段時間就會在缺陷附近產生熱量堆積或損失，引起試件表面溫度梯度的變化，表現為溫度異常。紅外熱波無損檢測技術可以大面積、快速的對被測物進行檢測，并可保證不對被測物造成污損[4]。

圖2 紅外熱成像檢測方法示意圖

將此3種試件委托中國科技大學進行紅外熱波檢測，紅外熱像儀采集了熱合程度不同的3組樣品的紅外圖像，其熱加載前后的紅外圖像分別如圖3-6所示。圖中四角紅色亮區域為熱合區域，中間十字形暗區域為未熱合區域。四周邊緣部分由于熱加載不均勻，呈現暗色。

圖3 熱合程度較高的一組樣品的紅外圖像

圖3對應熱合程度較高的一組樣品的紅外圖像。圖像（a）是熱加載前的紅外圖像，已經隱約可以看出熱合區域與未熱合區域的輪廓。在熱加載后的圖像（b）中，二者的對比明顯，界限分明。

圖4 熱合程度中等的一組樣品的紅外圖像

圖4對應熱合程度中等的一組樣品的紅外圖像。熱加載前的圖像（a）溫度分布均勻，看不出熱合區域與未熱合區域的界限。在熱加載后的圖像（b）中，二者的輪廓清晰，層次分明。

圖5 熱合程度較低的一組樣品的紅外圖像

圖5對應熱合程度較低的一組樣品的紅外圖像。如圖像（a）所示，熱加載前的紅外圖像分辨不出熱合區域和未熱合區域的差別。在熱加載后的圖像（b）中可以看出二者的輪廓，但其界限比較模糊。

熱合程度較高的一組樣品（圖3），其在熱加載前的紅外圖像已經能隱約看到熱合部分與未熱合部分的界限，熱加載后兩個區域的對比更加明顯。這是由于熱合程度較高時，熱合區域兩層材料結合的更加緊密，熱導率相對較高，使得此區域的溫度與未熱合區域相比反差較大。熱合程度中等和較低的兩組樣品（圖4和圖5），其在熱加載前無法分辨出熱合部分與未熱合部分的界限，但在熱加載后可以看到二者的輪廓，熱合程度較低的一組邊界較為模糊。這是由于熱合程度降低時，熱合區域和未熱合區域熱導率差別減小，只有在樣品兩側溫度反差較大時才能顯現出這種差異，而熱合程度較低時這種差異減弱了。

通過對試驗結果的分析可以看出，紅外方法能很好的區分出囊體材料熱合區域與未熱合區域的界限，并且熱合程度的不同也由溫度對比反差的不同反映出來。

2.5 太赫茲檢測

太赫茲泛指頻率在0.1-10THz波段內的電磁波,位于紅外和微波之間, 處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段，是20世紀80年代末發展起來的一種高新技術，太赫茲無損探傷技術在檢測非金屬非極化材料內部缺陷方面具有獨特優勢，近年來頗受關注，它在基礎研究、工業應用、生物醫學、軍事等領域有相當重要的應用前景。太赫茲無損探傷技術融合了太赫茲成像技術和太赫茲時域光譜技術，采用掃描的方法對物體進行脈沖成像，獲得物品上每個區域的時域光譜信息，再通過分析得出此區域的內部結構信息和組成成份信息，將所有區域的信息拼接組合到一起便獲得整個物品的內部結構信息和成份信息[5]。傳統的太赫茲成像方法獲得的是太赫茲穿透物體時傳播路徑上的綜合影響，最終得到的是物品的二維信息疊加圖，無法獲得物品內部的結構狀態等三維信息，而使用太赫茲無損探傷方法可以獲得物品內部的結構信息，從而幫助我們判斷物品內部的分層、缺陷的位置、形狀等三維信息。

通過微波光子學研究中心進行熱合樣件太赫茲檢測，檢測圖片如圖6所示。

圖6 太赫茲檢測截圖

從圖6的檢測截圖效果看，在太赫茲特有頻段內熱合部位強弱對比不明顯。通過大量試驗數據分析得出結論是太赫茲分辨率高，成像清晰；但是掃描速度較慢，實現實時檢測較為困難，不適應于囊體生產的流水線作業模式。

3 各類檢測方法對比研究分析

通過運用5種常見無損質量檢測方法對指定試件進行對比測試，記錄了囊體高頻熱合無損質量檢測測試數據，我們從適用范圍、檢測便捷性、檢測安全性、檢測速度及檢測精度5個方面對5種檢測方法進行評價，見表1，根據測試效果初步認為紅外熱波檢測是系留氣球囊體高頻熱合無損質量檢測的有效方法，可以作為囊體高頻熱合無損質量檢測設備工程化應用的發展方向。

表1 5種檢測方法對比評價表

紅外熱波無損檢測的主要優勢在于其試用范圍廣、檢測面積大、檢測速度快、檢測結果易讀性強等特點，特別適用于在系留氣球囊體高頻熱合工序中的質量檢測[6]。結合本次研究結果，針對在質量檢測過程中的實際情況，我們認為將來應不斷積累系留氣球囊體在高頻熱合工序中產生缺陷時的紅外熱像特征圖譜，研究缺陷發生時的溫度變化規律。加強基礎課題的研究，努力提高紅外檢測技術的檢測精度、檢測標準和檢測效率，實現智能化、自動化的檢測。

4 結 論

系留氣球在空間和時間上彌補了飛機和衛星的空白，應用前景十分廣闊，由于其屬于航空產品類別，因此客戶十分重視在使用過程的安全性、可靠性和保障性。鑒于國內外基本沒有公開的系留氣球囊體質量檢測研究方法和應用實例，本文以相關國外產品標準及資料為基礎，結合國內企業的實際生產經驗，對常用無損檢測方法在系留氣球囊體質量檢測過程中的應用進行了分析研究，明確了將來在質檢工作中的主要技術方法和研究方向。

[1]潘峰，王林強，袁飛.美國系留氣球載預警系統的發展現狀及趨勢分析[J].船舶電子對抗，2010(05):32-35.

[2]耿榮生.迅速發展的中國無損檢測事業[J].無損檢測，2008(02):69-72.

[3]林鐵.超聲波檢測技術的應用[J].中國設備工程，2012(07):42-43.

[4]李曉麗，金萬平，張存林，等.紅外熱波無損檢測技術應用與進展[J].無損檢測，2015(06):19-22.

[5]楊振剛，趙畢強，劉勁松，等.太赫茲無損檢測的研究[J].物理，2013(10):708-711.

[6]石勝明.無損檢測質量管理[J].黑龍江科技信息，2008(23):33.