A31-蜂窝纸板界面缺陷的NDT方法研究及缺陷大小对材料强.doc

Study on Nondestructive Testing Method and the Strength Characteristics of Honeycomb Paperboard Containing Interfacial DefectJI Hong-wei1, LI Yan-ming1, CHEN Jin-long2 （1.Tianjin University of Commerce, Tianjin 300134; 2. Tianjin University, Tianjin 300072）Abstract: Based on digital speckle shearography, by using audio frequency sweeping, a laser non-destructive (NDT) method of detecting interfacial debonds defects in composite materials is described. The NDT method was applied to the nondestructive test of facesheet/core delamination in honeycomb paperboard. Test results showed that the location, shape and size of the defects could be determined in real time. Meanwhile, the flatwise tensile test, flatwise compressive test and shear test of honeycomb paperboard with defects were also carried out respectively, resulting in the deformation features and utmost stress, and analyzing the strength characteristics of the honeycomb paperboard containing interfacial defects under flatwise tensile loading, flatwise compressive loading and shear loading.Keywords: Honeycomb paperboard; Interfacial defect; Digital speckle shearography; Audio frequency sweeping; Nondestructive testing (NDT); Strength蜂窝纸板界面缺陷的NDT方法研究及缺陷大小对材料强度的影响计宏伟1，李砚明1，陈金龙2（1.天津商业大学, 天津 300134; 2.天津大学, 天津 300072）【摘要】本文介绍了一种适合蜂窝纸板面芯界面脱胶缺陷无损检测（NDT）的新方法。采用宽带音频自动扫描加载的数字错位散斑干涉技术，对蜂窝纸板面芯界面缺陷进行了实时检测。结果表明, 这种光学检测技术能检出复合材料结构不同位置、不同大小和形状的内部缺陷。之后，进行了有不同尺寸参数脱胶缺陷的蜂窝纸板的对比性平拉、平压和剪切试验，给出了该类缺陷对蜂窝纸板平拉、平压和剪切强度的影响规律。【关键词】 蜂窝纸板；界面缺陷；数字错位散斑；宽带音频扫描加载；无损检测；强度蜂窝纸板在制造和使用过程中，由于材料自身（面纸、芯纸、胶粘剂）品质或生产工艺问题，容易发生胶接界面的不完全粘合。含有面芯界面脱胶缺陷的蜂窝纸板的强度会明显弱化1, 2，直接影响蜂窝纸板制品的承载能力和包装产品质量。目前我国相关标准中都要求检测蜂窝纸板的脱胶缺陷，但没有给出脱胶缺陷的检测方法，显然目测检查是难以发现脱胶缺陷的，更无法定量给出脱胶缺陷的大小。虽然，已有一些文献研究蜂窝纸板粘接强度问题3-5 ，但有关含脱胶缺陷蜂窝纸板平拉、平压和剪切强度弱化规律的研究还未见公开的报道。开展这方面的研究工作对全面评价蜂窝纸板粘接质量具有重要应用价值，是制定蜂窝纸板质量评价标准不可缺少的依据。本文首先介绍一种适合蜂窝纸板面芯界面脱胶缺陷无损检测的光学检测方法，然后对含有不同大小脱胶缺陷的蜂窝纸板分别进行了平拉、平压和剪切强度试验，研究脱胶缺陷大小对蜂窝纸板强度特性的影响规律。1 数字错位散斑无损检测技术简介1.1原理与仪器图1为错位散斑干涉计量光路图。数字错位散斑干涉技术需要在CCD成像镜头前放置一个图像错位镜，当经过扩束的激光照射具有漫反射的物体表面时，反射光通过错位镜将产生偏折，在像平面上产生与错位镜的错位角相同方向的两个错位像，它们在像平面上干涉形成散斑干涉图。该图像由CCD 经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在显示器上即可直接显现表征了物体变形信息的散斑条纹图。解读条纹图能解析物面的形变状态，即测量出物体表面离面位移的一阶导数。错位散斑技术用于无损检测的原理，是通过对待测物体加载，然后检测缺陷表面异常变形，通过分析所产生的异常光学干涉条纹来判断缺陷特征，干涉图样呈典型的蝴蝶状条纹。加载方式有变温、致冷、真空、气压、音频扫描等多种方法。文6陈述了变温加载方式，本文则重点介绍音频扫描加载方法7。相比其它方法，该技术使用更方便，不论是一阶振型，还是高阶振型，只要实现宽带音频扫描加载，不同形状、尺寸和不同位置的缺陷均可被检测出来。此外，该加载方式受环境影响小，因此可以实现在线原位实时检测。图2 给出了宽音频扫描加载系统框图，系统由信号发生器、功率放大器和高能音频激励装置组成。xzP1P2错位镜被测物体像平面zD0D1dx 图1 错位散斑干涉光路图 Fig. 1 Lightpath schematic of shearing speckle interference 信号发生器功率放大器音频激励装置试件图2 宽音频扫描加载系统框图Fig. 2 The audio sweep-frequency loading system音频扫描加载方法的原理为：由音频信号源输出频率连续变化的扫频信号，作用于被测试件的表面，被测试件含缺陷部位简化为周边固支的薄板受迫振动，随着激振信号频率的不断增加，当音频信号频率与被测试件内含缺陷部位的固有频率相等或接近时，缺陷处就会出现共振，此时在含缺陷物体表面的对应部位将会出现较大的离面位移。用作者研制的数字错位散斑干涉测量系统，可获得表征缺陷部位物体表面离面位移一阶导数的条纹图，从而实现复合材料内部结构缺陷的实时、快速无损检测。1.2检测过程和结果对蜂窝纸板面芯界面缺陷进行检测时，采用作者研制的数字错位散斑无损检测系统，如图3所示。该系统由被检件载物架、加载装置、检测探头、计算机图像采集与处理系统四部分组成。实验以音频扫描加载为激励源，达到诱发缺陷表面产生异常变形的目的。加载装置中的功率放大器选型为MA2402型(CROWN) 功率放大器，高能音频激励装置则采用TH-300型号角。21435 1.载物架 2.被检件 3.加载器 4.检测探头 5.图像系统图3 数字错位散斑无损检测系统Fig. 3 Digital shearing speckle system for NDT (a) 70mm，460Hz (b) 70mm，738Hz图4 利用宽带音频扫描加载时缺陷检测的结果Fig. 4 The NDT results of defects in honeycomb paperboard检测对象为一块平面尺寸为50cm30cm、厚为3cm的蜂窝纸板，在此样件上事先预制了直径为7cm的圆形面芯脱胶缺陷。采用图3所示的错位散斑无损检测系统对蜂窝纸板人工缺陷样件进行检测，用音频扫描加载装置进行激振，当使被检样件缺陷处产生共振时，通过变形前后两幅图像实时相减运算，则会实时得到了典型的清晰干涉图像，检测结果如图4所示。图4(a)为一阶振型时，直径为7cm圆形缺陷的干涉条纹图像，激振频率为460Hz；图4(b)为高阶振型时，同一缺陷的干涉条纹图像，此时激振频率为738Hz。检测结果显示利用干涉条纹图像能够有效地检测出蜂窝纸板的脱胶缺陷，并能直观地确定缺陷的位置、形状和缺陷的大小。2 脱胶缺陷大小对平拉强度的影响2.1试件试样形状为正方形，边长取为80mm，厚度为30mm，蜂窝孔径为10mm。为研究脱胶缺陷对蜂窝纸板平拉强度的影响，在蜂窝纸板上预制直径分别为15、25、40、50的圆形脱胶缺陷，如图5所示。图5 平拉加载示意图Fig. 5 Flatwise tensile loading2.2试验条件与过程试验环境温度为15，相对湿为61%。试验机为DWD-100D型电子万能试验机，加载速度取5mm/min。实验时将试样的上、下面纸用胶粘剂胶在两金属块之间，然后将试验机的夹具夹住金属块进行拉伸实验。2.3试验结果及分析实验结果见表1，表中给出了无缺陷和不同尺寸缺陷情况下蜂窝纸板平拉强度的实验测试结果。实验结果表明：随着缺陷尺寸的增大，蜂窝纸板的平拉强度随之而降低，当缺陷直径为50时蜂窝纸板的平拉强度已经降低到无缺陷蜂窝纸板平压强度的75.00%，表明此时平拉强度显著降低。表1 含缺陷蜂窝纸板平拉强度测试结果Tab.1 The experimental results of flatwise tensile strength试验项目缺陷情况平拉强度/ kPa有缺陷试件强度无缺陷试件强度1无缺陷65.6100%21559.490.47%32558.689.28%44056.385.71%55049.275.00%3脱胶缺陷大小对平压强度的影响3.1试件试样形状为方形，边长取为100mm，厚度为30mm，蜂窝孔径为10mm。为研究脱胶缺陷对蜂窝纸板平压强度的影响，在蜂窝纸板上预制直径分别为10、20、30、40的圆形脱胶缺陷。3.2试验条件与过程试验环境温度为15，相对湿为61%。试验机为DWD-100D型电子万能试验机，加载速度取1mm/min。实验时将试样平放于试验机的上下压板之间，然后加压缩载荷，如图6所示。图6 平压加载示意图Fig. 6 Flatwise compressive loading3.3试验结果及分析实验结果见表2，表中给出了无缺陷和不同尺寸缺陷情况下蜂窝纸板平压强度的实验测试结果。实验结果表明：随着缺陷尺寸的增大，蜂窝纸板的平压强度随之而降低，当缺陷直径为40时蜂窝纸板的平压强度已经降低到无缺陷蜂窝纸板平压强度的73.56%。表2 含缺陷蜂窝纸板平压强度测试结果Tab.2 The experimental results of edgewise compressive strength试验项目缺陷情况平压强度/ kPa有缺陷试件强度无缺陷试件强度1无缺陷338.5100%210322.095.12%320306.890.63%430283.083.60%540249.073.56%4脱胶缺陷大小对剪切强度的影响4.1试件试样形状为正方形，边长取为100mm，厚度为30mm，蜂窝孔径为10mm，沿蜂窝经向加载。在蜂窝纸板上预制直径分别为20、30、40、50的圆形脱胶缺陷，缺陷位置如图7所示。图7 剪切加载示意图Fig.7 Shear loading4.2试验加载装置与过程试验环境温度为15，相对湿为61%。试验机为DWD-100D型电子万能试验机，加载速度取1mm/min。为进行剪切试验，专门设计了压双剪试验夹具，如图7所示。试验时钢板竖立放在电子式万能试验机上，中间钢板受压。当钢板被压时，中间钢板与两侧钢板发生相对运动，前者向下运动，后者向上运动，夹在其间的蜂窝纸板因此受到剪切。4.3试验结果及分析实验结果见表3，表中给出了无缺陷和不同尺寸缺陷情况下蜂窝纸板剪切强度的实验测试结果。实验结果表明：随着缺陷尺寸的增大，蜂窝纸板的剪切强度随之而降低，当缺陷直径为30时蜂窝纸板的剪切强度已经降低到无缺陷蜂窝纸板剪切强度的77.86%。表3 含缺陷蜂窝纸板剪切强度测试结果Tab.3 The experimental results of Shear strength试验项目缺陷情况剪切强度/ kPa有缺陷试件强度无缺陷试件强度1无缺陷65.5100%22053.581.68%33051.077.86%44043.065.65%55041.563.36%5结论数字错位散斑干涉技术具有灵敏度高、检测过程简单、快速、非接触、全视场，检测结果可靠、对工作环境要求低等方面的优点，是一种非常适合蜂窝纸板面芯界面脱胶缺陷无损检测的光学检测方法。该技术能够形成适于现场检测的定型仪器，可用于蜂窝纸板产品粘接质量检测，有望成为蜂窝纸板脱胶缺陷无损检测和质量控制的重要手段。作为一项新兴的无损检测技术，尚未在工业界形成统一标准，检测结果易受激励方式等因素的影响，检测面积和检测速度还满足不了在线检测的要求。因此，未来有待于进一步研制新的加载手段，以及开发双检测探头或多检测探头的数字错位散斑无损检测仪。通过对含脱胶缺陷的蜂窝纸板进行平拉、平压和剪切试验，测得了含脱胶缺陷蜂窝纸板平拉、平压和剪切强度，揭示了脱胶缺陷尺寸大小对蜂窝纸板强度特性的影响规律。结果表明：脱胶缺陷尺寸达到一定程度后蜂窝纸板的强度明显降低。因此，蜂窝纸板脱胶缺陷的面积必须限定在合理范围内。References (参考文献)1 邵文全, 李砚明, 孟宪文,计宏伟. 脱胶缺陷对蜂窝纸板侧压强度的影响J. 包装工程, 2008, 29(12): 59-61.Shao Wenquan, Li Yanming, Meng Xianwen, Ji Hongwei. Influence of the unglued defect on edgewise compressive strength of honeycomb paperboard J. Packaging Engineering, 2008, 29(12): 59-61. (in Chinese)2 Goswami S, Becker W. The effect of facesheet/core delamination in sandwich structures under transverse loading J. Composite Structures, 2001, 54:515-521.3 计宏伟, 徐革玲, 李俊超, 邵文全, 王怀文. 蜂窝纸板侧压强度实验研究J. 包装工程, 2006, 27(6): 90-91.Ji Hongwei, Xi Geling, Li Junchao, Shao Wenquan, Wang Huaiwen. Experimental research on the edgewise compressive strength of honeycomb paperboard J. Packaging Engineering, 2006, 27(6): 90-91. (in Chinese)4 徐革玲, 计宏伟, 曹健, 邵文全, 王怀文. 蜂窝纸板平拉强度实验研究J. 包装工程, 2006, 27(6): 96-97.Xi Geling, Ji Hongwei, Cao Jian, Shao Wenquan , Wang Huaiwen. Experimental research on the flatwise tensile strength of honeycomb paperboard J. Packaging Engineering, 2006, 27(6): 96-97. (in Chinese)5 邵文全, 计宏伟, 李砚明, 翁慧娟. 蜂窝纸板剪切强度实验研究J. 包装工程, 2008, 29(2): 10-12.Shao Wenquan, Ji