CN107561004A - 一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法 - Google Patents
一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，包括以下步骤：在待测复合材料的表面贴覆压电传感器，并在压电传感器上贴覆一层黑色胶带，再在黑色胶带的表面施加一层水流，然后利用激光器对待测复合材料的表面施加两次激光冲击，同时通过压电传感器检测激光冲击过程中待测复合材料表面的应力波信号，并将所述应力波信号转发至示波器中，然后通过示波器记录两次激光冲击时压电传感器检测得到的应力波信号，最后通过对比两次激光冲击时压电传感器检测得到的应力波信号评估待测复合材料的粘接力性能，该方法能够实现复合材料粘接力的在线快速检测。
Description
技术领域
本发明属于激光应用和复合材料无损检测等技术领域，涉及一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法。
背景技术
复合材料和铝、钢、钛一起并称为四大航空结构材料，其中碳纤维/玻璃纤维增强先进复合材料已在航空领域广泛应用，先进军用飞机用量占20％～30％，民用客机用量占到50％以上。工程中复合材料板之间一般利用粘接剂进行粘接，但由于粘接不均匀或表面污染等，往往存在吻接(界面紧密接触但无粘接力)或粘接力不足等问题，导致服役过程中发生脱粘分层，甚至引起飞行事故。
粘接处是复合材料结构的关键部位，也是结构强度的薄弱部位，因此粘接力是复合材料结构强度设计的重要依据。目前，广泛应用的超声波、声发射和X射线成像等无损检测技术利用弹性波反射和缺陷成像等原理，虽可以有效检测出复合材料内部的裂纹、气孔、杂质和开裂等缺陷的类型、位置和大小，但对紧密接触无粘接力的吻接和粘接力不足等问题无法检测，复合材料内部粘接力缺乏有效的检测技术。
激光冲击波，又称激光诱导等离子体冲击波，是指短脉冲(ns级)、高功率密度(GW/cm2级)的激光辐照材料表面，使材料表面涂覆的保护层吸收激光能量发生爆炸性气化，形成高温高压的等离子冲击波，冲击波在透明约束层作用下向材料内部传播。冲击波在材料内部首先以压缩波形式传播，但在材料自由表面反射后会转变为拉伸波，而且随着表面反射不断发生冲击波会不断进行拉-压和压-拉的转变。如果拉伸波应力值超过材料的抗拉强度，材料内部就会发生局部层裂现象，又称之为“激光层裂”。
江苏大学周明等人在专利CN1215320C“界面结合强度激光冲击定量测定方法及装置”中国，提出利用激光层裂法定量测定薄膜界面结合强度，并认为同样适用于胶粘剂的附着力和复合材料界面结合强度的测定，该方法需要利用激光速度干涉仪对材料背面粒子速度进行监测，并以此判断层裂发生与否、结合强度是否满足要求。中国工程物理研究院流体物理研究所谷卓伟等人参考上述专利开展碳纤维复合材料粘接质量检测，利用光学法布里-珀罗干涉仪对背面速度进行测量，从而判断内部层裂损伤情况，并通过激光超声检测技术进行验证。上述工作虽提出了一种复合材料粘接力检测方法和装置，并验证了可行性，但只适用于实验室条件下进行，需要利用速度干涉仪对复合材料冲击背面的粒子速度进行测量，测试难度大、精度要求高、检测过程时间长，无法实现复合材料结构的在线快速检测；另外，实验中采用Nd:YAG激光器激发的激光束空间能量呈高斯分布且脉宽不可调，冲击波以球形波形式传播、衰减快且激光层裂位置不在粘接处，未能真正实现对粘接力的检测。随着复合材料在飞机、风机叶片等上大量应用，现场在线检测需求越来越迫切，因此需要发明一种复合材料粘接力在线快速检测方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，该方法能够实现复合材料粘接力的在线快速检测。
为达到上述目的，本发明所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法包括以下步骤：
1)获取激光冲击波的压力时空特性及待测复合材料的力学性能参数，再在激光冲击波的压力时空特性及待测复合材料的力学性能参数进行待测复合材料内激光冲击波传播过程的数值模拟，得激光冲击波的衰减及反射规律；
2)根据待测复合材料的粘接位置及粘接力指标、激光冲击波的衰减及反射规律确定脉冲激光的脉宽及能量，使激光冲击波第一次反射的最大拉应力位于待测复合材料的粘接位置处，且激光冲击波第一次反射的最大拉应力等于待测复合材料的粘接力指标；
3)在待测复合材料的表面贴覆压电传感器，并在压电传感器上贴覆一层黑色胶带，再在黑色胶带的表面施加一层水流，然后利用激光器对待测复合材料的表面施加两次激光冲击，其中，第一次激光冲击时脉冲激光的能量小于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，第二次激光冲击时脉冲激光的能量等于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，同时通过压电传感器检测激光冲击过程中待测复合材料表面的应力波信号，并将所述应力波信号转发至示波器中，然后通过示波器记录两次激光冲击时压电传感器检测得到的应力波信号，并获取两条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程。当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程小于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料的粘接处在第二次激光冲击时出现层裂，即待测复合材料的粘接力较弱；当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程等于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料的粘接处在第二次激光冲击时没有出现层裂，即待测复合材料的粘接力较强，完成基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测。
第一次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽；
第二次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽。
激光器为能量及脉宽可调的高功率钕玻璃激光器。
第一次激光冲击时脉冲激光的能量为步骤2)中确定的脉冲激光的能量的一半。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法在具体操作时，先确定脉冲激光的脉宽及能量，使激光冲击波第一次反射的最大拉应力位于待测复合材料的粘接位置处，且激光冲击波第一次反射的最大拉应力等于待测复合材料的粘接力指标，再通过对比的方法对待测复合材料施加两次激光冲击，并检测两次激光冲击过程中待测复合材料表面的应力波信号，然后将两条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程进行对比获知待测复合材料的粘接力性能，从而实现复合材料粘接力的在线检测，操作简单、方便，准确性较强。需要说明的是，本发明通过对待测复合材料内激光冲击波的传播数值进行模拟，获得激光冲击波的衰减及反射规律，从而确保待测复合材料激光层裂位置处于粘接处。另外，在进行信号处理时，本发明采用示波器记录两次激光冲击时压电传感器检测得到的压力波信号，无需利用复杂的激光干涉仪监测在冲击区域背面粒子速度，有效地提高了待测复合材料的粘接力检测速度。特别的是，如果待测复合材料粘接力符合相关技术指标，本发明的检测方法不会造成粘接处层裂发生，是一种无损检测方法。
附图说明
图1为本发明检测时的结构示意图；
图2为本发明的流程图；
图3(a)为实施例一中第一条激光冲击波10在待测复合材料8中的传播示意图；
图3(b)为实施例一中第二条激光冲击波10在待测复合材料8中的传播示意图；
图4(a)为实施例一中第一次激光冲击时检测得到的应力波信号波形图；
图4(b)为实施例一中第二次激光冲击时检测得到的应力波信号波形图。
其中，1为激光器、2为激光束、3为导光系统、4为辐照光斑、5为水流、6为胶带、7为压电传感器、8为待测复合材料、9为粘接层、10为激光冲击波、11为传感器导线、12为示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法包括以下步骤：
1)获取激光冲击波10的压力时空特性及待测复合材料8的力学性能参数，再在激光冲击波10的压力时空特性及待测复合材料8的力学性能参数对待测复合材料8内激光冲击波10传播过程的数值模拟，得激光冲击波10的衰减及反射规律；
2)根据待测复合材料8的粘接位置及粘接力指标、激光冲击波10的衰减及反射规律确定脉冲激光的脉宽及能量，使激光冲击波10第一次反射的最大拉应力位于待测复合材料8的粘接位置处，且激光冲击波10第一次反射的最大拉应力等于待测复合材料8的粘接力指标；
3)在待测复合材料8的表面贴覆压电传感器7，并在压电传感器7上贴覆一层黑色胶带6，再在黑色胶带6的表面施加一层水流5，然后利用激光器1对待测复合材料8的表面施加两次激光冲击，其中，第一次激光冲击时脉冲激光的能量小于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，第二次激光冲击时脉冲激光的能量等于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，同时通过压电传感器7检测激光冲击过程中待测复合材料8表面的应力波信号，并将所述应力波信号转发至示波器12中，然后通过示波器12记录两次激光冲击时压电传感器7检测得到的应力波信号，并获取两条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程；当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程小于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料8的粘接处在第二次激光冲击时出现层裂，即待测复合材料8的粘接力较弱；当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程等于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料8的粘接处在第二次激光冲击时没有出现层裂，即待测复合材料8的粘接力较强，完成基于激光冲击波10的复合材料粘接力在线快速检测。
其中，第一次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽；第二次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽；激光器1为能量及脉宽可调的高功率钕玻璃激光器；第一次激光冲击时脉冲激光的能量为步骤2)中确定的脉冲激光的能量的一半。
实施例一
图3(a)为第一条激光冲击波10在待测复合材料8中的传播情况，图3(b)为第二条激光冲击波10在待测复合材料8中的传播情况，图4(a)为第一次激光冲击时检测得到的应力波信号，图4(b)为第二次激光冲击时检测得到的应力波信号，对比图4(a)及图4(b)，可知第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程小于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料8的粘接处在第二次激光冲击时出现层裂，即待测复合材料8的粘接力较弱，与图3(b)中描述的相一致，从而有效的证明了本发明的准确性。
Claims (4)
1.一种基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取激光冲击波(10)的压力时空特性及待测复合材料(8)的力学性能参数，再在激光冲击波(10)的压力时空特性及待测复合材料(8)的力学性能参数的基础上进行待测复合材料(8)内激光冲击波(10)的传播过程的数值模拟，得激光冲击波(10)的衰减及反射规律；
2)根据待测复合材料(8)的粘接位置及粘接力指标、激光冲击波(10)的衰减及反射规律确定脉冲激光的脉宽及能量，使激光冲击波(10)第一次反射的最大拉应力位于待测复合材料(8)的粘接位置处，且激光冲击波(10)第一次反射的最大拉应力等于待测复合材料(8)的粘接力指标；
3)在待测复合材料(8)表面贴覆压电传感器(7)，并在压电传感器(7)上贴覆一层黑色胶带(6)，再在黑色胶带(6)的表面施加一层水流(5)，然后利用激光器(1)对待测复合材料(8)的表面施加两次激光冲击，其中，第一次激光冲击时脉冲激光的能量小于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，第二次激光冲击时脉冲激光的能量等于步骤2)中确定的脉冲激光的能量，同时通过压电传感器(7)检测激光冲击过程中待测复合材料(8)表面的应力波信号，并将所述应力波信号转发至示波器(12)中，然后通过示波器(12)记录两次激光冲击时压电传感器(7)检测得到的应力波信号，并获取两条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程；当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程小于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料(8)的粘接处在第二次激光冲击时出现层裂，即待测复合材料(8)的粘接力较弱；当第二条应力波信号中相邻波峰之间的波程等于第一条应力波信号中相邻两个波峰之间的波程时，说明待测复合材料(8)的粘接处在第二次激光冲击时没有出现层裂，即待测复合材料(8)的粘接力较强，完成基于激光冲击波(10)的复合材料粘接力在线快速检测。
2.根据权利要求1所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，其特征在于，第一次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽；
第二次激光冲击时脉冲激光的脉宽等于步骤2)中确定的脉冲激光的脉宽。
3.根据权利要求1所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，其特征在于，激光器(1)为能量及脉宽可调的高功率钕玻璃激光器。
4.根据权利要求1所述的基于激光冲击波的复合材料粘接力在线快速检测方法，其特征在于，第一次激光冲击时脉冲激光的能量为步骤2)中确定的脉冲激光的能量的一半。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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