激光散斑檢測(cè)技術(shù)

1、無(wú)損檢測(cè)導(dǎo)論課程論文激光散斑檢測(cè)技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用一、應(yīng)用背景復(fù)合材料在航空、航天、兵器、船舶、汽車(chē)、建筑、醫(yī)療、制藥、壓力容器、橡膠工業(yè)等行業(yè)中占的 比例越來(lái)越大，然而復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程易產(chǎn)生開(kāi)膠、分層、沖擊損傷、滲水、蜂窩變形等缺陷， 缺陷的擴(kuò)展給裝備帶來(lái)安全隱患。目前國(guó)內(nèi)復(fù)合材料的檢測(cè)普遍采用落后的敲擊法、超聲波、聲阻檢測(cè)方 法，這些方法普遍存在靈敏度低、對(duì)操作者要求高、缺陷難以定量和定位、檢測(cè)速度慢等問(wèn)題。國(guó)外普遍 采用先進(jìn)的激光錯(cuò)位散斑成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，不僅檢測(cè)靈敏度高，缺陷可以直觀(guān)數(shù)碼成像，還可以精確測(cè) 量缺陷的尺寸、位置，操作簡(jiǎn)捷方便、速度快，成為復(fù)合材料生產(chǎn)或現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢

2、測(cè)專(zhuān)門(mén)解決方案。成立于1977年的美國(guó)激光技術(shù)有限公司 (LTI)是世界激光散斑成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其激光散 斑成像技術(shù)克服了其它檢測(cè)手段和早期激光干涉檢測(cè)技術(shù)的許多瓶頸和局限，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭、衛(wèi) 星、導(dǎo)彈、艦船、飛船、裝甲等生產(chǎn)或在役檢測(cè)，在實(shí)踐中證實(shí)了巨大的成本效益和超強(qiáng)的無(wú)損檢測(cè)能力。二、發(fā)展激光散斑檢測(cè)技術(shù)于八十年代初期開(kāi)始應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，縱觀(guān)激光檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。20世紀(jì)80年代,出現(xiàn)了激光全息技術(shù)，雖具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，也存在著干版化學(xué)處理繁瑣、 必須在隔振臺(tái)和一定暗室條件下才能工作的缺點(diǎn)。通過(guò)CCDjg像機(jī)取代干版、隔振性能改善等一系列改進(jìn)

3、，出現(xiàn)了電子散斑干涉技術(shù)(ESPI),但其還不能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要，目前已進(jìn)入到激光錯(cuò)位散斑技術(shù)(shearography)時(shí)代。激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)該技術(shù)具有全場(chǎng)性、非接觸、無(wú)污染、高精度和高靈敏度、快速實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu) 點(diǎn)適用于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、橡膠輪胎、復(fù)合材料粘結(jié)質(zhì)量的檢測(cè)，并已在航空、航天、汽車(chē)和建筑等領(lǐng)域得 到了廣泛的應(yīng)用三、基本原理激光錯(cuò)位散斑干涉也稱(chēng)剪切散斑，是在單光束散斑干涉的基礎(chǔ)上，利用有一定角度的玻璃光楔使得成 像平面上造成特定的錯(cuò)位，在照相干板得到雙曝光錯(cuò)位散斑圖，再以適當(dāng)?shù)墓饴凡贾蔑@現(xiàn)出條紋進(jìn)行分析通過(guò)被檢物體在加載前后的激光散斑圖的疊加，從而在有缺陷部位形成干涉條紋。由于是

4、利用物體表 面反射的光通過(guò)棱鏡后產(chǎn)生的微小剪切量形成散斑干涉圖，不需要參考光路，因此外界干擾的影響小，檢測(cè)時(shí)不需要防震工作臺(tái)，便于在現(xiàn)場(chǎng)使用。隨著激光散斑測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，采用CCD攝像機(jī)輸出干涉圖像信號(hào)，省去了顯影定影等繁雜的濕處理手續(xù)，大大提高了檢測(cè)效率，同時(shí)可直接將輸出的數(shù)字化信號(hào)與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)處理，并可在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)觀(guān)察到干涉圖形，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用十分方便。圖2 3激光散聰檢制本曲基奉嫁理加就忘脫膠芯的斐悟及產(chǎn)生的條統(tǒng)散斑檢測(cè)和全息檢測(cè)一樣，都是大范圍、非接觸、高精度的檢測(cè)方法。目前高分辨率的激光散斑檢測(cè) 系統(tǒng)可檢測(cè)出91. 4cm視場(chǎng)范圍內(nèi)大小僅 o. 64cm的機(jī)身脫膠缺陷，用于登機(jī)

5、檢測(cè)的便攜式激光散斑攝像 器最輕重量?jī)H有 141 . 8g3| 。散斑技術(shù)在飛機(jī)機(jī)身及部件的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、火箭殼體和襯套的分層缺陷檢測(cè)、 復(fù)合材料的檢測(cè)等方面都有廣泛應(yīng)用。激光散斑檢測(cè)技術(shù)(Laser Shearography tes-ting)是利用激光干涉原理，測(cè)量物體表面的離面位移，通過(guò)選用適當(dāng)?shù)募虞d方式(加熱、真空、加壓振動(dòng)等),使激光超聲檢測(cè)復(fù)雜型面零件缺陷處產(chǎn)生與正常部位不 一樣的離面位移，從而在檢測(cè)圖像中顯示出來(lái)，其機(jī)理如圖1所示。圖1激光散HI撿泗技術(shù)機(jī)理具有非接觸檢測(cè)、微米級(jí)能可靠檢測(cè)、變形信息二維實(shí)時(shí)顯示、能檢測(cè)出緊貼性脫粘缺陷、高靈敏度和高效率的優(yōu)點(diǎn)。四、應(yīng)用激光散斑檢測(cè)技術(shù)

6、已在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，據(jù)美國(guó)LTI公司介紹，該公司的激光散斑系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)已經(jīng)安裝使用了 450套，主要用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)。如夾層結(jié)構(gòu)的脫粘、層板結(jié)構(gòu)的分層、蜂窩芯格變形、拼接裂紋、氣泡、沖擊或撞擊損傷、滲水、腐蝕和外來(lái)物等。激光散斑檢測(cè)技術(shù)除了可以測(cè)量物體的位移（包括內(nèi)位移）、應(yīng)變以外，還可用于無(wú)損檢測(cè)、物體表面粗糙度測(cè)量、塑形區(qū)測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、紋間位移場(chǎng)測(cè)量等。目前高分辨率的激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)出91.4 cm視場(chǎng)范圍內(nèi)大小僅 0.64 cm的機(jī)身脫膠缺陷，激光散斑檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例如圖2所示。曲)擾流板激光散斑檢測(cè)圖像Cb) ft升機(jī)旋翼的激光頗檢測(cè) 閣2激光放斑檢灑峋用

7、實(shí)例1、熱加載多層粘接層壓板的檢測(cè):2、熱加載蜂窩結(jié)構(gòu)的檢測(cè):9Wi3、壓力加載復(fù)合材料纏繞高壓容器的檢測(cè):一FHamenl Wound Test TankTeel Pressure Q 3 ps：4、真空加載泡沫夾心復(fù)合材料檢測(cè):QrlCi t 在詢(xún)山二工？SLTlJWOii ；Q 虹單 土*>7；| n-lO；：5、鋼瓶一橡膠粘接檢測(cè):五、多種形式的激光散斑成像檢測(cè)設(shè)備1、生產(chǎn)型檢測(cè)系統(tǒng)：生產(chǎn)型固定式激光散斑無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)在航空、航天、造船、壓力容器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且可以根據(jù)具體檢測(cè)需求進(jìn)行定制。七批最應(yīng)大登我f】姑梅呻對(duì)曲窒邵大型撿瀏親線(xiàn)真空也螳駕均3檢洌發(fā)玫機(jī)圭泌對(duì)

8、9;宅魅椎碗&就2、便攜式檢測(cè)系統(tǒng)：便攜式激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)既適合于生產(chǎn)或修理車(chē)間, 料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)：也適合外場(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)對(duì)復(fù)合材LT1-6200經(jīng)濟(jì)型熱加戴檢那儀LTI-5100全模式激光散斑檢測(cè)技LTI-5200真空加我激光散斑檢測(cè)釵值得注意的是由于該技術(shù)是通過(guò)表面變形檢測(cè)缺陷的，某些加載方式有時(shí)會(huì)使被測(cè)缺陷產(chǎn)生異常變形，因此，如有可能，應(yīng)先采用材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)可檢測(cè)性。六、檢測(cè)工藝以激光錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)對(duì)預(yù)置脫粘缺陷的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)為例說(shuō)明激光散斑檢測(cè)過(guò)程。檢測(cè)儀器采用LTI-5100HD激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)主要包括了CCDffi機(jī)，加載裝置，激光

9、器，控制臺(tái)四部分。其中CCD相機(jī)為L(zhǎng)TI-5100HD數(shù)字激光剪切散斑相機(jī)，激光光源為 He-Ne激光，波長(zhǎng) 入=532nm 能量為150mU 裝置如圖 2所示：園2 LTI-?IOOHD灌光智15觸碰檢;則春豎被檢測(cè)對(duì)象本實(shí)驗(yàn)檢測(cè)對(duì)象為根據(jù)航標(biāo)HB5461-1990金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)缺陷類(lèi)型及試塊制造的蜂窩結(jié)構(gòu)標(biāo)樣件5,大小為450mrW 330mm蒙皮材料為鋁，蒙皮厚度為0.4mm,蜂窩芯材料為鋁。對(duì)樣件預(yù)置圓形人工缺陷，直徑分別為10mm 15mm 20mm 30mmH種規(guī)格，預(yù)制缺陷分為四種類(lèi)型的脫粘缺陷：第一排為上貼膜傷：在蒙皮和膠膜之間加一層聚四氟乙烯膜，模擬蒙皮與膠膜之間緊貼型脫粘

10、；第二排為去膜下陷傷：去除蒙皮與蜂窩芯子之間的膠層，并將蜂窩下壓2mm模擬膠膜與蜂窩之間有間隙型的脫粘缺陷； 第三排為下貼膜傷：在蜂窩與膠層之間加 一層聚四氟乙烯膜，模擬膠膜與蜂窩之間 緊貼型脫粘；第四排為下陷加膜傷：將蜂窩芯下陷2mm并在蒙皮與蜂窩間加兩層聚四氟乙烯膜， 模擬膠膜與蜂窩之間有間隙型的脫粘缺陷。其中聚四氟乙烯膜的厚度為0.02mm,膠層厚度為 0.150.02mm。四種類(lèi)型、四種 直徑，共計(jì)16個(gè)模擬脫粘缺陷。圖1鋁蜂窩樣件玦陷設(shè)計(jì)圖檢測(cè)過(guò)程 選取參數(shù)：激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)常用的加載方式有熱加載、壓力加載、真空加載、振動(dòng)加載等。因?yàn)闄z測(cè)對(duì) 象為鋁蜂窩，針對(duì)其導(dǎo)熱性和熱膨脹系數(shù)較高等

11、性能，用熱加載會(huì)取得比較理想的變形效果，本試驗(yàn)選取 熱加載方式對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)， 首先在物體加載前獲取一幅錯(cuò)位散斑干涉圖，隨后獲取加載后的錯(cuò)位散斑圖，兩圖進(jìn)行組合運(yùn)算得出相位圖并進(jìn)一步處理，得出檢測(cè)結(jié)果如圖3所示:a.散斑檢測(cè)包裹相位圖b.圖像處理后結(jié)果圖圖3全場(chǎng)檢測(cè)圖像七、激光散斑無(wú)損檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)1實(shí)時(shí)、全場(chǎng)、非接觸；2無(wú)害、無(wú)需水或其它介質(zhì)，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染；3檢測(cè)分辨率和靈敏度高，可達(dá)微米級(jí)；4更高的檢測(cè)效率，是超聲等其他檢測(cè)的2.5到120倍;5對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)特定要求，可檢測(cè)復(fù)雜型面（平面和曲面均可）；6檢測(cè)結(jié)果直觀(guān)、易讀，可以精確定位缺陷大小、位置；7檢測(cè)不受外界條件的影響，可在外場(chǎng)或車(chē)間等工業(yè)現(xiàn)

12、場(chǎng)8自動(dòng)化處理、可安裝在監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)線(xiàn)上 9操作流程簡(jiǎn)單方便，軟件自動(dòng)化程度高;八、常用復(fù)合材料檢測(cè)精度1. 通過(guò)大量實(shí)際工程檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)碳纖維層壓板，LNDT-200型檢測(cè)儀可檢測(cè)出厚度為0-4 mm范圍內(nèi)的層壓板內(nèi)部 5mm勺缺陷；針對(duì)碳纖維層壓板粘接結(jié)構(gòu)，可檢測(cè)出厚度為0-8mm范圍內(nèi)5mm勺缺陷。2. 通過(guò)大量實(shí)際工程檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)鋁蒙皮鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，LNDT-200型檢測(cè)儀可檢測(cè)出蒙皮厚度為0-2mm范圍內(nèi)，蜂窩芯厚度為 0-60mm的產(chǎn)品內(nèi)部 5mni勺缺陷（蒙皮與蜂窩的粘接缺陷）；針對(duì)碳纖維蒙皮或玻 璃纖維蒙皮的Nomex蜂窩層結(jié)構(gòu)，可檢測(cè)出蒙皮厚度0-4 mm,蜂窩芯厚度為 0-50 mm的產(chǎn)品內(nèi)部 5mni勺缺陷（含：蒙皮內(nèi)部分層缺陷和蒙皮與蜂窩的粘接缺陷）。3. 通過(guò)大量實(shí)際工程檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)碳纖維蒙皮或玻璃纖維蒙皮泡沫夾芯材料，可檢測(cè)出蒙皮厚度0-4mm泡沫夾心厚度為0-50mm的產(chǎn)品內(nèi)部 5m