基于剪切散斑干涉無損探傷的缺陷深度測(cè)量

王 碩,占明明,劉 斌,簡琦薇,張貴輝

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620；2.湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所,湖北 襄陽 441003)

1 引 言

復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)在航空航天、軍工等制造領(lǐng)域有著重要地位,如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠包覆層和金屬殼體粘接、衛(wèi)星等航天器上金屬蒙皮與蜂窩層粘接等等[1]。然而,粘接結(jié)構(gòu)在制造和使用的過程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生脫粘、氣孔等粘接缺陷,極大地影響粘接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,降低使用壽命[2-4]。因此,需要一種無損檢測(cè)方法對(duì)復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接缺陷進(jìn)行評(píng)估。

目前,國內(nèi)外對(duì)于復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接缺陷的無損檢測(cè)方法有紅外熱成像、脈沖渦流、空耦超聲、激光剪切散斑等。紅外熱成像法檢測(cè)速度快,可視化程度高,但檢測(cè)時(shí)考慮的影響因素復(fù)雜[5-7]。脈沖渦流法無需耦合劑,成本低、檢測(cè)速度快,可在高溫、狹小空間內(nèi)檢測(cè),但對(duì)深層缺陷的檢測(cè)靈敏度不高[8-9]。空耦超聲法利用空氣作為檢測(cè)的耦合劑,不會(huì)污染檢測(cè)物體,自動(dòng)化程度高,但空氣的不穩(wěn)定會(huì)影響信號(hào)的信噪比,且檢測(cè)效率低[10-11]。激光剪切散斑干涉法作為一種光學(xué)檢測(cè)方法,其測(cè)量精度高、靈敏度高、測(cè)量分辨率高,并且可以進(jìn)行大面積非接觸式測(cè)量。另外,激光剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)測(cè)試環(huán)境的隔振要求不高,更適用于現(xiàn)場檢測(cè)[12-17]。

近些年來,利用剪切散斑干涉技術(shù)檢測(cè)試件內(nèi)部缺陷的研究取得了較多進(jìn)展。鄒廣平[18]等利用熱加載和剪切散斑干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)松木試件的內(nèi)部缺陷隱藏近表面缺陷的定量無損檢測(cè)。Kyeong-Suk Kim[19]等通過激光剪切散斑干涉技術(shù)測(cè)量了壓力容器內(nèi)部缺陷,實(shí)驗(yàn)表明在0.2 MPa壓差下就可以測(cè)量到壓力容器內(nèi)部近表面25 %深度處的缺陷。馮秀[20]等利用剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)壓力容器的內(nèi)部缺陷進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn),并認(rèn)為當(dāng)缺陷直徑與深度之比大于9時(shí)才能檢測(cè)出缺陷。Yanhua Peng[21]等建立了包含缺陷深度、離面位移和載荷條件等的力學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷深度的定量測(cè)量。上述研究均利用剪切散斑干涉技術(shù)成功地對(duì)試件內(nèi)部缺陷進(jìn)行了有效檢測(cè)及分析。然而,利用剪切散斑干涉技術(shù)對(duì)復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的研究較少。

本文基于邁克爾遜干涉光路構(gòu)建了剪切散斑干涉無損檢測(cè)系統(tǒng),利用帶微螺旋結(jié)構(gòu)的固支圓盤對(duì)系統(tǒng)的離面位移測(cè)量精度進(jìn)行了標(biāo)定,詳細(xì)分析了不同負(fù)壓激勵(lì)載荷條件下預(yù)制內(nèi)部缺陷的鋁合金平板試件在不同尺寸和深度圓形缺陷位置處的剪切散斑干涉圖像,結(jié)合有限元模型探討了不同負(fù)壓值下試件表面在圓形缺陷位置處的變形規(guī)律,并基于剪切散斑干涉圖像依據(jù)彈性薄板理論對(duì)圓形缺陷深度進(jìn)行了有效測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)試件和方法

2.1 圓形缺陷平板試件

本文利用國防工業(yè)中常用金屬材料LY12鋁合金制作了具有不同缺陷深度的圓形缺陷平板試件A(圖1)和不同缺陷深度及尺寸的圓形缺陷平板試件B(圖2)。兩塊平板試件尺寸均為120 mm×120 mm×5 mm,試件一面鉆有9個(gè)圓形盲孔。平板試件A的9個(gè)圓形缺陷直徑均為φ20 mm,1號(hào)到9號(hào)的缺陷深度以0.2 mm的差值線性遞增。其中,缺陷深度最深為0.20 mm(1號(hào)缺陷),缺陷深度最淺為1.79 mm(9號(hào)缺陷)。平板試件B的9個(gè)圓形缺陷深度分為三個(gè)梯度,其中1～3號(hào)圓形缺陷的深度為0.20～0.35 mm；4～6號(hào)圓形缺陷的深度為0.65～0.75 mm；7～9號(hào)圓形缺陷的深度在0.95～1.00 mm。各平板上圓形缺陷的深度和尺寸詳見表1所示。

圖1 平板試件A的實(shí)物圖和預(yù)設(shè)缺陷示意圖

圖2 平板試件B的實(shí)物圖和預(yù)設(shè)缺陷示意圖

表1 平板試件A和B預(yù)設(shè)圓形缺陷的尺寸和深度

2.2 剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)

激光剪切散斑干涉技術(shù)是通過分析物體加載前后散斑條紋變化得到物體表面變形信息[12]。本文基于剪切散斑干涉原理構(gòu)建了無損檢測(cè)系統(tǒng),其光路如圖3(a)所示。無損檢測(cè)系統(tǒng)主要組件包括①分光鏡；②激光器；③數(shù)字相機(jī)；④剪切鏡；⑤PTZ控制器；⑥PTZ；⑦反射鏡；⑧平板試件；⑨負(fù)壓艙,如圖3(b)所示。

(a)光路圖

實(shí)驗(yàn)前,將平板試件鉆有圓孔的一面用橡膠皮密封,便于負(fù)壓加載。同時(shí),為了提高圖像質(zhì)量,降低檢測(cè)時(shí)試件表面的鏡面反射,對(duì)平板試件A和B的待檢測(cè)表面進(jìn)行噴白處理。隨后,用自制試件板夾具(圖3(c))加緊試件,將夾持有平板試件的兩個(gè)夾具固定于真空艙內(nèi)。通過調(diào)整夾具在負(fù)壓艙內(nèi)的位置,使數(shù)字相機(jī)的成像在鏡頭中央。調(diào)整相機(jī)焦距和光圈,使得平板試件待測(cè)表面成像清晰。在實(shí)驗(yàn)過程中,利用真空艙產(chǎn)生負(fù)壓差,作為剪切散斑干涉實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)條件。圓形缺陷孔內(nèi)氣體壓強(qiáng)與艙內(nèi)氣壓的差值變化,將使平板試件的鋁合金表面在圓形缺陷處發(fā)生變形,數(shù)字相機(jī)采集鋁合金板變形后的剪切散斑條紋圖傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2.3 微螺旋結(jié)構(gòu)標(biāo)定

為了驗(yàn)證該剪切散斑光測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)離面位移的測(cè)量精度,本文作者設(shè)計(jì)了帶有微螺旋結(jié)構(gòu)的固支圓盤標(biāo)定結(jié)構(gòu),如圖4(a)所示。微螺旋結(jié)構(gòu)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)將使得固支圓盤發(fā)生微小變形,利用剪切散斑干涉光測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)變形固支板,可得到清晰干涉條紋圖,如圖4(b)所示。首先利用位移測(cè)量裝置,得到微螺旋結(jié)構(gòu)的進(jìn)給量S1和固支圓盤表面最大變形量S2之間的線性關(guān)系為S1/S2=1/0.74,如圖5(a)中實(shí)線所示。然后,利用搭建的剪切散斑檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)固支圓盤進(jìn)行了離面位移測(cè)量,得到的微螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)給量S1與固支圓盤離面位移的測(cè)量值S3之間的線性關(guān)系為S1/S3=1/0.28,如圖5(a)中點(diǎn)劃線所示。因此,固支圓盤表面最大變形量S2與其離面位移的測(cè)量值S3之間的關(guān)系為S2/S3=1/0.39,如圖5(b)所示。在后續(xù)對(duì)鋁合金板缺陷處的離面位移進(jìn)行定量測(cè)量時(shí),需對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正,修正系數(shù)C=0.39。

圖4 標(biāo)定結(jié)構(gòu)及標(biāo)定圓盤變形檢測(cè)結(jié)果

圖5 微螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)給量S1、固支圓盤表面最大變形量S2及離面位移測(cè)量值S3間的線性關(guān)系

3 結(jié)果分析與驗(yàn)證

圖6和圖7分別顯示了平板試件A和B在不同負(fù)壓加載值下的剪切散斑干涉條紋圖。可以看出,隨著負(fù)壓值不斷增加,兩塊平板試件上各圓形缺陷位置處均可出現(xiàn)清晰明顯的條紋圖像,均可進(jìn)一步進(jìn)行離面位移定量測(cè)量。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中真空艙提供的最大負(fù)壓值為30～40 kPa。由于平板試件A和B上預(yù)設(shè)圓形缺陷深度和尺寸不同,相應(yīng)缺陷位置處物體表面剪切散斑干涉條紋變化規(guī)律也不同。

圖6 平板試件A各圓形缺陷在不同負(fù)壓值下干涉條紋圖

圖7 平板試件B各圓形缺陷在不同負(fù)壓值下干涉條紋圖

對(duì)于平板試件A,深度最小的A.1號(hào)缺陷對(duì)于負(fù)壓值的改變響應(yīng)最快,在負(fù)壓僅為0.55 kPa時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了剪切散斑特征條紋。當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到3.26 kPa時(shí),A.1號(hào)缺陷位置處剪切條紋去相關(guān),條紋級(jí)數(shù)已不可讀。此時(shí),A.2號(hào)缺陷位置處出現(xiàn)了明顯的剪切散斑條紋,A.3號(hào)缺陷位置處僅有條紋出現(xiàn)的趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)壓值繼續(xù)增大達(dá)到7.68 kPa時(shí),A.2號(hào)缺陷位置處條紋級(jí)數(shù)已不可讀。此時(shí),A.3號(hào)缺陷位置處出現(xiàn)二級(jí)剪切散斑條紋,這說明該處變形可進(jìn)行分析并計(jì)算離面位移值。當(dāng)負(fù)壓值進(jìn)一步增加達(dá)到22.27 kPa時(shí),A.1～3號(hào)缺陷位置處變形量已經(jīng)超出了剪切散斑檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量范圍,條紋均已模糊。此時(shí),A.4號(hào)缺陷位置處出現(xiàn)了二級(jí)剪切散斑條紋,A.5號(hào)缺陷位置處也出現(xiàn)了一級(jí)條紋,故二者的離面位移均可進(jìn)行定量測(cè)量。當(dāng)負(fù)壓加載值相繼達(dá)到28.76 kPa、31.25 kPa和37.49 kPa時(shí),A.7～9號(hào)缺陷位置處也相繼呈現(xiàn)出一級(jí)條紋,但在持續(xù)增壓過程中,其條紋變化并不明顯。這可能是因?yàn)锳.7～9號(hào)缺陷深度已達(dá)1.37 mm以上,而物體內(nèi)部缺陷深度越深,其表面變形所需載荷激勵(lì)越大[18]。

對(duì)于平板試件B,在負(fù)壓值為0.31 kPa時(shí),B.1號(hào)和B.2號(hào)缺陷位置處均已產(chǎn)生特征條紋,但是B.1號(hào)缺陷位置處的條紋級(jí)數(shù)明顯多余B.2號(hào)缺陷位置處,說明缺陷尺寸較大的B.1號(hào)缺陷位置處離面位移大于B.2號(hào)的。當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到2.93 kPa時(shí),B.1號(hào)和B.2號(hào)缺陷位置處條紋圖案均模糊化。此時(shí),B.3、B.5和B.6號(hào)缺陷位置處都出現(xiàn)了特征條紋。隨著負(fù)壓值達(dá)到6.16 kPa,第一深度梯度(0.20～0.35 mm)的B.1～3號(hào)缺陷位置處條紋均已模糊。此時(shí),缺陷深度在第二梯度(0.65～0.75 mm)的B.5號(hào)和B.6號(hào)缺陷位置處條紋級(jí)數(shù)較為明顯,而缺陷深度在第三梯度(0.95～1.00 mm)的B.7號(hào)缺陷位置處剛呈現(xiàn)干涉條紋趨勢(shì)。當(dāng)負(fù)壓值相繼達(dá)到10.06 kPa、12.63 kPa、14.56 kPa時(shí),B.4～7號(hào)缺陷位置處條紋級(jí)數(shù)不斷增多,說明其對(duì)應(yīng)的離面位移也隨著負(fù)壓值增大而不斷增加。此時(shí),第三深度梯度的B.8號(hào)和B.9號(hào)缺陷位置處條紋變化卻并不明顯。當(dāng)負(fù)壓值進(jìn)一步增大達(dá)到16.15 kPa、21.44 kPa和29.17 kPa時(shí),B.5號(hào)和B.6號(hào)缺陷位置處條紋已經(jīng)模糊,說明其離面位移超出系統(tǒng)檢測(cè)范圍。此時(shí),B.4號(hào)和B.8號(hào)缺陷位置處出現(xiàn)了完整的一級(jí)剪切散斑圖像,而B.9號(hào)缺陷卻依然沒有完整的條紋級(jí)數(shù)。由此看見,同一深度梯度的圓形缺陷隨著缺陷尺寸增大而對(duì)外部激勵(lì)響應(yīng)越快。同一負(fù)壓加載下,相同尺寸的圓形缺陷隨著深度增加而對(duì)外部激勵(lì)響應(yīng)越慢,其表面變形越小。

為了進(jìn)一步研究不同尺寸和不同深度的圓形缺陷在負(fù)載激勵(lì)下變形情況,同時(shí)驗(yàn)證光測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性,本文還利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)圓形缺陷平板試件進(jìn)行了仿真模擬。根據(jù)表1中預(yù)設(shè)缺陷尺寸,分別建立平板試件A和B三維模型,在缺陷位置處施加均勻分布的負(fù)壓載荷來模擬真空加載激勵(lì)。模型彈性模量E=70 GPa,泊松比μ=0.3。

圖8和圖9分別為平板試件A和B在不同負(fù)壓值下的離面位移云圖。隨著負(fù)壓加載值不斷增大,同一圓形缺陷處的離面位移也隨之增加。平板試件A中各圓形缺陷尺寸相同而深度呈等差值變化,相應(yīng)缺陷位置處的離面位移在相同負(fù)壓加載值下隨缺陷深度減小而不斷增大。深度值最小的A.1號(hào)缺陷對(duì)負(fù)壓值變化最敏感,且該缺陷處離面位移最大。平板試件B中,對(duì)于同一深度梯度的三個(gè)缺陷,其離面位移在相同負(fù)壓加載值下隨缺陷尺寸增大而增大,且對(duì)負(fù)壓值變化越敏感。對(duì)于不同缺陷深度梯度的缺陷,在相同缺陷尺寸條件下,其離面位移隨缺陷深度減小而對(duì)負(fù)壓值變化越敏感。這些規(guī)律與前文光測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均吻合,驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的剪切散斑干涉無損檢測(cè)系統(tǒng)的有效性,這表明利用該檢測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地獲取復(fù)合材料粘接內(nèi)部缺陷的位置、尺寸和大小等信息。

圖8 平板試件A在不同負(fù)載值下的位移云圖(單位:μm)

圖9 平板試件B在不同負(fù)載值下的位移云圖(單位:μm)

4 缺陷深度推導(dǎo)

基于剪切散斑干涉無損檢測(cè)系統(tǒng)獲得的高質(zhì)量剪切散斑干涉條紋圖,對(duì)圖像進(jìn)行濾波、去包裹等操作,進(jìn)一步測(cè)量平板試件A和B上每個(gè)圓形缺陷的離面位移和缺陷直徑。在此基礎(chǔ)上,利用彈性力學(xué)薄板理論計(jì)算平板試件A和B上各圓形缺陷的深度。圓形缺陷深度計(jì)算方程如公式(1)所示[21]:

(1)

其中,q為加載(MPa);a為圓形缺陷的半徑(mm);ω為離面位移(mm);υ為泊松比;E為楊氏彈性模量(MPa);ρ為極坐標(biāo)值(計(jì)算時(shí)ρ=0)。

根據(jù)公式(1)計(jì)算的平板試件A和B上各圓形缺陷深度如圖10所示。通過對(duì)比各圓形缺陷實(shí)際深度和剪切散斑干涉系統(tǒng)測(cè)量深度,可以看出,本文所構(gòu)建的剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的缺陷深度檢測(cè)靈敏度。對(duì)于平板試件A上深度t<1 mm的圓形缺陷深度檢測(cè)誤差在10 %之內(nèi),對(duì)于深度t>1 mm的圓形缺陷深度測(cè)量誤差明顯增大,約在10～20 %左右。這可能是因?yàn)樯疃萾>1 mm的缺陷為A.7～9號(hào)缺陷,在當(dāng)前負(fù)壓下其對(duì)應(yīng)的離面位移較小,測(cè)量精度低,從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差較大。對(duì)于平板試件B,缺陷尺寸對(duì)深度測(cè)量誤差值的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺陷深度,缺陷尺寸最小的B.3、B.4和B.9號(hào)圓形缺陷深度測(cè)量誤差值明顯較大。同一缺陷深度梯度條件下,尺寸越小的圓形缺陷測(cè)量誤差顯著增大。這是因?yàn)槿毕莩叽缭叫?試件表面在缺陷位置處變形更困難,條紋變化不明顯,在解包裹的散斑圖中提取信息準(zhǔn)確度受影響,從而影響了計(jì)算結(jié)果。

圖10 鋁合金內(nèi)部圓形缺陷深度測(cè)量結(jié)果

5 結(jié) 論

本文基于剪切散斑干涉技術(shù)構(gòu)建了無損檢測(cè)系統(tǒng),利用帶微螺旋結(jié)構(gòu)的固支圓盤對(duì)系統(tǒng)離面位移測(cè)量精度進(jìn)行了標(biāo)定,詳細(xì)分析了不同負(fù)壓激勵(lì)載荷條件下鋁合金平板粘接試件在不同尺寸和深度圓形缺陷位置處的剪切散斑干涉圖像,并利用有限元計(jì)算缺陷所在表面的變形規(guī)律驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。相同缺陷深度和負(fù)壓值下,缺陷尺寸越大,散斑條紋級(jí)數(shù)越多、離面位移越大；相同缺陷尺寸和負(fù)壓值下,缺陷深度越深,散斑條紋級(jí)數(shù)越小、離面位移越小。此外,基于剪切散斑無損檢測(cè)系統(tǒng)獲取的高質(zhì)量剪切散斑干涉條紋圖,準(zhǔn)確地得到了試件內(nèi)部缺陷的形狀、位置以及尺寸大小等信息,并依據(jù)彈性薄板理論進(jìn)一步推導(dǎo)了缺陷深度。缺陷深度測(cè)量精度隨缺陷尺寸增大及深度減小而提高,直徑為20 mm深度小于1 mm的圓形缺陷深度測(cè)量誤差值小于10 %。