蜂窩膠接結構敲擊自動檢測系統

張 穎 吳時紅 趙建華 羅 明 何雙起 吳君豪

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

膠接結構是航空航天產品重要結構之一，其中蜂窩膠接結構部件廣泛用于運載火箭、戰略導彈、飛機等產品中［1］。由于蜂窩膠接結構部件生產采用手工、單件生產方式，且生產工藝條件難以嚴格控制，易導致部件內部存在影響使用性能的脫粘缺陷。對蜂窩膠接結構部件的膠接質量進行無損檢測，是保證產品質量的關鍵。

敲擊檢測是近年來應用最廣泛的檢測方法之一［2］，由于無需耦合介質，操作便利等優勢，同時檢測靈敏度也能夠滿足檢測需求，現越來越多應用于蜂窩膠接結構檢測中。當前，敲擊檢測多采用手動敲擊方式，如日本三林公司WP－632AM，需要檢測員手持檢測儀垂直敲擊被檢材料獲取敲擊信號，通過對比敲擊信號的寬度與標定信號的寬度大小單點判斷缺陷有無［3］。

然而，在實際檢測過程中，面臨蜂窩膠接結構產品規格不同，蒙皮材料、蒙皮厚度不同，檢測靈敏度隨蜂窩膠接結構蒙皮厚度的增加而降低。在檢測過程中難以定量的衡量蜂窩膠接結構的脫粘程度，影響被檢測件整體膠接質量評價。上述問題在一定程度上制約了敲擊檢測方法對蜂窩膠接結構部件的應用，故需研制一套蜂窩膠接結構C掃描敲擊檢測系統，實現蜂窩膠接結構整體掃描檢測，通過檢測過程全數據對比獲得被檢測件膠接程度檢測結果，故開展蜂窩膠接結構敲擊自動檢測系統的研制。

1 敲擊檢測原理

當被測部件被敲擊錘敲擊時，敲擊特性取決于被測部件的彈性系數。如果被測部件存在缺陷，就會導致缺陷位置的材料彈性系數降低［4］。敲擊檢測物理模型可利用彈簧模型［5］進行分析，蜂窩膠接結構示意圖如圖1所示。當敲擊錘敲擊被測部件完好部位時，其作用關系等效于以初始速度作用于彈性系數為k0(蒙皮)和彈性系數kd(蜂窩芯)串聯的接地彈簧，此時蒙皮彈性系數k0是無限大的，因此k0＞＞kd。當敲擊錘敲擊被測部件有缺陷，如分層，脫粘等部位時，其作用關系等效于以初始速度作用于彈性系數和彈性系數kd串聯的接地彈簧。

敲擊過程敲擊力持續時間為彈簧振動的半個周期，故可容易得到敲擊過程持力時間為:

式中，ω為彈簧振動的圓頻率，m為敲擊錘的質量，k為彈簧振動等效彈性系數。

當被測部件內部結構完好時，由于k0＞＞kd，模型總等效彈性系數 k≈kd，敲擊過程持力時間 t=π當被測部件內部存在缺陷時，蒙皮彈性系數降低為，此時模型總等效彈性系數可表示為:k=，容易計算得到該狀態下，敲擊過程持力時間通過以上分析可知，當缺陷存在時，模型總等效彈性系數k減小，敲擊過程持力時間增加。

2 檢測系統

2.1 總體設計

敲擊自動檢測系統主要由控制計算機、運動控制單元、機械掃查機構、敲擊檢測裝置、敲擊控制單元組成，如圖2所示。

控制計算機主要負責檢測參數(掃描范圍、速度、間距)的設置、檢測指令(運動控制指令和敲擊指令)的發送以及檢測數據存儲及成像。運動控制單元主要負責機械掃查機構各軸運動軌跡的控制，并向控制計算機提供當前機械臂位置信息。機械掃查機構主要由三軸向的伺服電機、兩軸向步進電機及相應的傳動機構組成。三軸向伺服電機驅動機械臂在x、y、z方向運動到達目標位置，步進電機驅動機械臂的空間擺角A、擺角B便于掃查曲面結構。運動控制單元與機械掃查機構的伺服電機形成位置閉環，實時控制并跟蹤掃查臂的位置。

敲擊檢測裝置中的敲擊錘固定于機械臂，隨機械臂在掃描范圍內運動，該裝置主要控制敲擊錘對被檢材料的敲擊以及獲取敲擊信號。敲擊控制單元接收控制計算機發送的敲擊指令，并生成控制信號觸發敲擊錘敲擊動作;同時敲擊控制單元具備數據采集功能，將敲擊錘敲擊被檢材料后獲得的信號進行采集，并轉換成數字信號發送給控制計算機。

自動敲擊檢測系統軟件運行于控制計算機，該軟件統一協調檢測系統各部件及執行單元的工作時序，系統檢測流程如圖3所示。

2.2 敲擊檢測裝置

敲擊檢測裝置主要由驅動電路、信號調理電路和敲擊錘組成，其功能框圖如圖4所示。敲擊錘由兩個繞線方向相反的螺線管、鐵磁塊、敲擊頭以及壓電陣元組成。兩個螺線管間隔一定距離固定于敲擊錘骨架中;鐵磁塊置于兩螺線管中間，通過金屬滑桿連接敲擊頭;敲擊頭內部嵌入壓電陣元拾取敲擊過程中的作用力。

驅動電路主要由兩路三極管實現的開關電路構成，在控制信號的作用下交替導通，為敲擊錘內部的螺線管提供驅動電流，在兩個螺線管中交替產生磁場，吸引鐵磁塊并通過金屬滑竿帶通敲擊頭上下往復運動;敲擊頭與被檢材料作用后，其內置的壓電陣元將作用力轉換為電信號并向信號調理電路傳輸。

信號調理電路主要由放大電路、濾波電路組成。壓電陣元輸出的信號經放大電路進行幅值的放大，后通過低通濾波器將高頻的信號及噪聲濾除，提高有用信號的信噪比。

2.3 檢測成像技術

敲擊檢測通過拾取的敲擊過程持力時間判斷材料內部結構的優劣，本系統檢測成像的數據來自源于敲擊檢測過程中每個敲擊位置所采集得到信號寬度t。材料完好部位的持力時間與包含缺陷位置的持力時間存在差異，材料內部脫層、脫粘的嚴重程度亦能通過持力時間長短加以區別。本系統將持力時間按照所采集的信號寬度用不同顏色進行區別，分別在每個敲擊位置用顏色標示該位置所獲得的信號的寬度，得到掃描圖像。敲擊檢測系統實物圖如圖5所示。

3 實驗

3.1 試樣設計

鋁蒙皮厚度為0.5 mm，蜂窩芯格邊長4 mm、厚0.5 mm。如圖6所示，模擬脫粘缺陷直徑依次為Φ5 mm、Φ10 mm、Φ15 mm、Φ20 mm、Φ25 mm。缺陷為去膠膜，在上蒙皮與蜂窩間加2層0.03 mm厚的薄膜，并涂上脫模劑。圖7為該試樣使用超聲噴水穿透法C掃描檢測結果。

3.2 敲擊檢測實驗

對上述敲擊試樣進行敲擊檢測實驗，敲擊檢測間距1 mm，敲擊頻率16 Hz，檢測結果如圖8所示。

試樣1#通過敲擊檢測最小可檢出缺陷尺寸為Φ5 mm，且蜂窩芯格清晰可見。與超聲噴水穿透法檢測結果相對應。

4 結論

(1)敲擊檢測系統實現了復合材料了膠接結構的自動掃描檢測，對蜂窩膠接結構試樣的檢測效果與超聲噴水穿透法檢測結果相對應，該系統的檢測靈敏度滿足現有產品的檢測需求。

(2)敲擊檢測系統克服了大面積待檢件手動人工檢測漏檢難題，解決蜂窩膠接結構自動化檢測的問題，實現高可靠性和可視化敲擊檢測。

(3)該系統對待測產品的檢測結果進行成像，便于缺陷識別，掃描結束后能快速實現缺陷定位、定量及后續數據處理。

［1］周正干，孫廣開，李洋.先進無損檢測技術在復合材料缺陷檢測中的應用［J］.航空制造技術，2016，59(4):28－35.

［2］羅明，張穎，吳時紅，等.超聲C掃描在C/SiC復合材料與鈦合金薄板釬焊質量中的應用［J］.宇航材料工藝，2015，45(6):87－90.

［3］鄔冠華，林俊明，任吉林，等.聲振檢測方法的發展［J］.無損檢測，2011，33(2):35－41.

［4］陶鵬.風電葉片脫層損傷的聲振檢測技術研究［D］.南京航空航天大學，2014.

［5］CAWLEY P，ADAMSR D.The mechanics of the coin－tap method of non－destructive testing［J］.Journal of Sound ＆Vibration，1988，122(2):299－316.