加热片粘结质量无损检测方法研究

张 彬，于全朋，姚鹏娇，李少华，帅家盛

（1 北京卫星环境工程研究所 北京 100094 2 北京理工大学机械与车辆学院 北京 100081 3 北京嘉盛智检科技有限公司 北京 100016）

引 言

加热片起到控制设备工作环境温度、确保设备正常运行的重要作用，广泛应用于机械设备及其他电子设备在寒冷天气下的低温保护、新能源汽车电池组低温保护等。特别地，航天器及零部件工作在太空环境中，而太空环境温度很低，可达零下200℃以下。因此，对航天器及零部件工作环境温度进行精确控制就显得尤为重要，实现这个目标的有效方法就是在结构及零部件上粘结加热片。加热片在粘接过程中由于工艺、人工操作不当等原因容易导致粘接界面出现脱粘，在粘结层内部出现气泡、夹杂等缺陷[1]。航天器在太空工作，然而太空中没有对流传热，如果加热片在粘结过程中出现缺陷，很可能引起加热片产生的热量无法传播而发生热集聚，最终会烧伤加热丝造成加热片失效。因此，粘结有加热片的航天器在投入工作之前，对每一个加热片的粘结质量进行全方位的检测，是确保航天器能正常工作的必要前提。

目前，关于粘结结构件的粘结质量检测方法有很多，例如，针对复合材料的检测方法有超声波检测方法[2-4]、射线检测方法[5,6]、红外热成像检测方法[7-9]以及太赫兹检测方法[10,11]等。研究表明，超声波检测方法对粘接界面缺陷[12]、粘接层缺陷[13]以及单个小气孔、密集小气孔和大面积脱粘等典型缺陷有很好的检测效果。其中，李建文[14]等人采用超声透射成像、扫描声学显微镜成像和阵列超声成像三种方法对钢/铅胶结件脱粘缺陷进行了对比试验，结果显示，超声透射成像、扫描声学显微镜成像方法检测效果较好。JIAO Jingpin[15]等人采用Lamb 波方法对食物容器（简化为平板）上的污垢进行检测试验，取得了很好的检测效果。FAN Zichuan[16]等人针对板中存在的气泡缺陷，采用空气耦合超声导波（Lamb 波）方法进行了仿真和试验研究，结果表明，仿真和试验结果比较吻合，对气泡的检测效果较好。射线检测结果具有直观、精度高等优点，同时,也存在一些不足之处。Amenabar[17]等学者使用X射线层析成像方法检测多层结构粘结缺陷，发现X 射线检测具有高分辨率，并且能对试件进行3D 重构，定位和检测到试件中的微型缺陷。但X 射线受材料厚度和缺陷深度的影响较严重，对于厚度较深的检测具有局限性。同样，红外检测技术适用于近表面缺陷的探测，对于一定埋深的缺陷检测效果并不显著。有学者[18]采用主动式红外检测技术，研究试件材料的均匀性和内部结构信息，该方法介绍了红外热波检测原理，并利用玻璃钢平底洞试件验证热波理论。林鑫[19]等采用红外热成像技术针对粘结结构进行实验研究，结果表明，红外无损检测技术可以有效地对玻璃钢泡沫夹层、软木粘结、碳纤维蒙皮蜂窝夹层等较薄粘结结构进行产品质量检测。ZHENG Kaiyi[20]等提出一种三维图像分割热成像自动缺陷检测方法，针对碳纤维粘结构件进行实验研究，得到很好的结果。太赫兹无损检测技术是近几十年发展起来的新兴技术，超快激光技术的发展使太赫兹波的产生成为了可能，从而使太赫兹无损检测技术得到突破[21]。太赫兹波具有频率高（1011Hz～1013Hz）、波长短（30μm～3mm）的特点，能检测到很小或者埋深很浅的缺陷，广泛应用于复合材料等粘结结构缺陷的检测[22,23]。

有学者研究表明，空耦超声无损检测技术可应用于蜂窝夹芯复合材料内部脱粘、分层缺陷粘结质量检测[24]，但目前对于加热片粘结质量检测还缺少研究，考虑到加热片和粘结层非常薄（其厚度为0.1mm 左右），缺陷信号和界面信号重合度很高，很难判别是否出现缺陷信号。本文针对蜂窝夹芯复合材料外加热片粘结质量进行无损检测试验，对比分析了空耦超声单侧一发一收法、空耦超声对侧一发一收法和太赫兹检测法对加热片的检测效果，研究发现，太赫兹无损检测法对加热片粘结层内部缺陷具有很好的检出率，该研究试验为加热片粘结层内部缺陷的检测提供了有效方法。

1 空耦超声检测试验

1.1 空耦超声对侧一发一收法检测原理

空耦超声对侧一发一收法检测原理如图1 所示，超声波入射到两种材料的界面时，声能会分成两部分，一部分声能被界面反射，另一部分则会透过界面。空耦超声对侧一发一收法根据透射声能的变化判断工件内部缺陷状况，缺陷会反射声能，使透射声能的能量降低，由此可判断缺陷是否存在。采用空耦超声对侧一发一收法进行检测时需要一发一收两个超声探头，探伤仪产生激励脉冲，激励发射探头振动产生超声波，超声波透射通过样品后使接收探头振动产生脉冲电流，不同状况的样品会产生不同的脉冲电流，进而可以判断缺陷是否存在。

图1 空耦超声对侧一发一收法检测原理Fig.1 Detection principle of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

空耦超声单侧一发一收法检测原理如图2 所示，超声波入射到样品中，遇到缺陷会反射声能，空耦超声单侧一发一收法根据反射声能的变化判断工件内部缺陷状况。探伤仪产生激励脉冲，激励发射探头振动产生超声波，超声波遇到样品内部缺陷反射后使接收探头振动产生脉冲电流，不同状况的样品会产生不同的脉冲电流，进而可以判断缺陷是否存在。

图2 空耦超声单侧一发一收法检测原理Fig.2 Detection principle of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.2 试验样件

待检测试验样品如图3 所示，图3（a）为加热片，加热片由PVC 材料与加热铜丝复合而成，加热片厚0.1mm～0.2mm。图3（b）为蜂窝板上加热片位置示意图，其中，蜂窝板由铝皮和蜂窝芯复合而成，铝皮厚0.3mm～0.5mm，蜂窝板厚度约10mm，长约530mm，宽约500mm。大小各异的加热片粘结在铝皮制的蜂窝板上，固体粘结剂厚0.1mm～0.2mm。在加热片和铝皮之间预制有大小不等的气泡、脱粘等缺陷，缺陷类型、大小已标注在加热片或铝板上，加热片分别被标记为1-8 号。

图3 试验样品Fig.3 Test sample

1.3 探头参数与实验方法

分别采用75kHz 压电陶瓷探头、12mm 和25mm 直径的230kHz 压电陶瓷探头、400kHz 压电陶瓷探头进行空耦超声对侧一发一收法检测试验，探头最大扫查速度为100mm/s。空耦超声对侧一发一收法试验装置如图4 所示，空耦超声单侧一发一收法试验装置如图5 所示。

图4 空耦超声对侧一发一收法试验装置Fig.4 Experimental device of opposite pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

图5 空耦超声单侧一发一收法试验装置Fig.5 Experimental device of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.4 空耦超声对侧一发一收法试验结果

探头频率为75kHz 时的空耦超声检测图如图6 所示。探头频率为230kHz、直径分别为12mm 和25mm 时的空耦超声检测图如图7 和图8 所示。图中蓝色深的区域表示信号损失较多，说明此区域出现了不连续空间。从图6～图8 可以看出，采用频率为75kHz 和频率为230kHz、直径为12mm 的探头进行试验时，能检测出尺寸为5mm～6mm 的缺陷，不能检测出尺寸小于5mm 的缺陷。采用频率为230kHz、直径为25mm 的探头进行试验时，对缺陷的检测效果不明显。

图6 75kHz 探头的空耦超声检测图Fig.6 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 75kHz probe

图7 探头频率为230kHz、直径为12mm的空耦超声检测图Fig.7 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 12mm

图8 探头频率为230kHz、直径为25mm 的空耦超声检测图Fig.8 Air-coupled ultrasonic inspection chart with probe frequency of 230kHz and diameter of 25mm

400kHz 探头的空耦超声检测图如图9 所示，可以看出，400kHz 探头的分辨率太高，由于蜂窝的影响，很难区分与蜂窝尺寸相当的缺陷。

1.5 空耦超声单侧一发一收法试验结果

采用12mm 直径、230kHz 探头进行空耦超声单侧一发一收法试验，整个蜂窝板空耦超声成像结果如图10 所示，图中蓝色深的区域表示信号损失较多，说明此区域出现了不连续空间。从图中可以看出，采用空耦超声单侧一发一收法进行试验很难检测出缺陷的存在。

图9 400kHz 探头的空耦超声检测图Fig.9 Air-coupled ultrasonic detection diagram of 400kHz probe

图10 空耦超声单侧一发一收法检测图Fig.10 Detection diagram of one-side pitch-catch technique of air-coupled ultrasonic

1.6 小结

通过空耦超声检测试验可以发现，采用空耦超声对侧一发一收法能有效检测出尺寸在5mm 以上的缺陷及其位置分布，对于尺寸在5mm 以下的缺陷不具有检测效果，采用空耦超声单侧一发一收法对加热片缺陷没有检测效果。空耦超声对侧一发一收法检测可实现部件级检测，但需要在被测件两侧配置探头，为保证最终产品的质量，加热片粘结质量检测在设备总装完成后进行，此时只能在产品外部单侧配置探头，无法采用对侧一发一收法。鉴于此，本文探索采用反射式太赫兹法进行检测，以验证此方法对加热片缺陷检测的可行性。

2 太赫兹检测试验

2.1 太赫兹无损检测技术简介

太赫兹无损检测是指根据太赫兹波对材料中缺陷的不同响应进行检测、分析及评估的技术。太赫兹波是频率为0.1THz～10THz、波长为30μm～30mm 的电磁波，它具有频带宽、能量低（对人体无害）、穿透能力强等特性，在无损检测领域具有广泛的应用。太赫兹无损检测技术是近几十年发展起来的新兴检测技术，上世纪八十年代中期超快激光技术的发展为太赫兹波的稳定产生提供了可能，使太赫兹的研究得到蓬勃发展。

图11 为反射式THz 波检测系统工作原理，飞秒激光由飞秒激光器产生，然后经过分束片后分成泵浦光和探测光两束光。泵浦光聚焦后入射到光电导天线上产生THz 波脉冲。THz 波脉冲由一对离轴抛物面镜聚焦到样品表面，THz 波脉冲经样品表面反射后经过另一对离轴抛物面镜聚焦到ZnTe晶体上。探测光与THz 波脉冲共线入射到ZnTe 晶体上，ZnTe 晶体受到THz 波脉冲的作用后折射率椭球发生变化，探测光受到调制后偏振状态发生变化。调制后的探测光经过波片（QWP）、渥拉斯顿棱镜（WP）分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上。平衡探测器得到的信号经过锁相放大器得到THz 脉冲某一时刻的信号，通过调整在探测光路上的延迟线可以得到整个THz 脉冲的时域波形。

图11 反射式THz 波检测系统Fig.11 Reflection THz wave detection system

2.2 太赫兹法试验结果

6 号加热片和7 号加热片采用太赫兹与空耦超声对侧一发一收法得到的检测图像对比如图12 和图13 所示。根据图像中的黑白对比度以分析确定缺陷的特征与位置。从图12 可以看出，对于5mm～6mm尺寸的缺陷，太赫兹法与空耦超声对侧一发一收法都具有良好的检测效果。从太赫兹图像12（c）中黄色椭圆表示区域可以看出，太赫兹检测法能检测到空耦超声对侧一发一收法检测不到的小缺陷（4mm 左右）。7 号加热片的预制缺陷如图13（a）中的黑色圆圈所示，分别为2mm～3mm 尺寸的缺陷，对比图13（b）和图13（c）可以看出，对于2mm～3mm 尺寸的缺陷，太赫兹法能清晰检测到空耦超声对侧一发一收法无法检测到的缺陷形状及位置，如图13（c）中的黑色箭头所示。同时，太赫兹法还发现了由于粘结工艺不完善引起的聚集性小气泡，对比可知尺寸约为0.5mm 左右，如图13（c）中红色椭圆区域所示。

图12 6 号加热片太赫兹与空耦超声法图像对比Fig.12 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

5 号加热片实物与太赫兹检测图如图14 所示。从图14（b）可以看出，太赫兹图像有明显的白色纹路条纹，与加热片内部的铜片分布一致，这是由于铜片太宽，太赫兹波不能穿透金属，无法检测到铜片之下的缺陷，但能检测到铜片间隙有黑色缺陷区域，如图14（b）中的红色椭圆区域，这可能是脱粘缺陷。

图13 7 号加热片太赫兹与空耦超声图像对比Fig.13 Comparison of THz and air-coupled ultrasonic images of No.6 heat patch

图14 5 号加热片实物与太赫兹图像Fig.14 Physical object and terahertz image of No.5 heat patch

2.3 小结

通过太赫兹波检测试验，并对比空耦超声对侧一发一收检测法试验结果可以发现：采用空耦超声对侧一发一收检测法和太赫兹法能有效检测出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布；对于尺寸在1mm～3mm 的缺陷，空耦超声对侧一发一收检测法没有检测效果，而太赫兹检测法能有效检测出缺陷的形状及位置；同时，2 号、3 号、7 号和8 号加热片太赫兹图像中还出现一些密密麻麻的黑色小圆点（0.2mm 左右），这可能是由于粘结工艺的原因，在粘结过程中出现的非预制小气泡缺陷造成的。可见，采用太赫兹检测法不仅能达到预期的检测效果，还能检测到非预制的缺陷，但是太赫兹法也有一定的局限性，不能检测到宽加热片以下的缺陷。

3 结束语

本文针对蜂窝夹芯复合材料外加热片粘结质量进行无损检测试验，对比分析空耦超声单侧一发一收检测法、空耦超声对侧一发一收检测法和太赫兹检测法对加热片缺陷的检测效果，得出以下结论：

①采用空耦超声对侧一发一收法可检测出尺寸大于5mm 的缺陷及其位置分布，但不能可靠检测出尺寸小于5mm 的缺陷检测，空耦超声单侧一发一收法无法检测加热片脱粘缺陷；

②太赫兹检测方法可有效检测出预制的2mm～3mm 脱粘缺陷形状及位置，但无法检测宽加热丝加热片，具有一定的局限性；太赫兹检测过程中，还发现了由于粘结工艺不完善引起的非预制小缺陷，预测其可检出0.5mm 以上的小气泡脱粘缺陷；

③通过本研究确定加热片粘结质量检测方法：设备总装完成后，采用太赫兹检测法进行粘结质量检测，对于粘结有宽加热丝加热片的设备，应在部件级采用空耦超声对侧一发一收法进行粘结质量检测。