超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)蜂窩復(fù)合材料案例

白小寶，孫建罡，周建平，周 莉，江運(yùn)喜

（1.矩陣科技有限公司，北京 100102；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；3.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

20世紀(jì)60年代由于高新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求日益提高，單質(zhì)材料很難滿足工程應(yīng)用對(duì)材料性能的綜合要求和高指標(biāo)要求。復(fù)合材料以其可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，因而發(fā)展很快，成為航空航天業(yè)的首要關(guān)鍵材料［1］。其中，蜂窩夾層材料具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其比模量和比強(qiáng)度高，抗疲勞性、減震性、破損安全性和成型工藝性好，是飛機(jī)反推力門中的重要部件。對(duì)于蜂窩夾層復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法，主要包括射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)方法。其中，射線方法主要用于檢測(cè)蜂窩芯本身的缺陷，如芯格開(kāi)裂、芯格拼接縫膠接缺陷、夾雜物、芯格塌陷等。而超聲方法與射線方法具有互補(bǔ)作用，主要是用于檢測(cè)蜂窩芯與蒙皮界面的分層、脫粘等對(duì)射線不敏感的缺陷［2－3］。

1 蜂窩夾層復(fù)合材料及其檢測(cè)方法

蜂窩夾層復(fù)合材料一般是由上、下蒙皮中間夾一層比較厚的蜂窩芯構(gòu)成的。蜂窩芯的網(wǎng)格形式有正六邊形、正方形、菱形等，材料可以是紙、玻璃布、鋁合金、芳綸紙（NOMEX紙）等；蒙皮可采用膠合板、纖維板、鋁合金板、玻璃鋼板等。目前，比較常用的蜂窩芯是紙蜂窩和鋁蜂窩，而蒙皮使用最多的是碳纖維和鋁合金。蜂窩夾層架構(gòu)有類似工字梁的力學(xué)性能，其最大的特點(diǎn)就是比模量和比強(qiáng)度高，隔音、隔熱性能突出，抗疲勞性、減震性、破損安全性和成型工藝性好，與其它夾層材料相比，強(qiáng)度相同時(shí)重量要輕得多［4］。

蜂窩夾層復(fù)合材料工件在制造過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷，如節(jié)點(diǎn)分離、芯格斷裂、芯格壓塌等蜂窩芯內(nèi)部缺陷主要用射線方法進(jìn)行檢測(cè)，而對(duì)于影響整體質(zhì)量的分層、脫粘等重要缺陷則主要用超聲方法進(jìn)行檢測(cè)［2］。

超聲波檢測(cè)法廣泛用于材料探傷，也是最早用于復(fù)合材料無(wú)損評(píng)價(jià)的方法之一。它主要利用復(fù)合材料本身或其缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)檢測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷，如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強(qiáng)、檢驗(yàn)速度快、成本低和對(duì)人體無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于蜂窩夾層復(fù)合材料的檢測(cè)，常用的是脈沖回波法和穿透法［3］。

由于分層和脫粘缺陷都是平行于蒙皮表面的，所以常使用0°縱波進(jìn)行檢測(cè)，常規(guī)方法有手工A超法和超聲C掃描法。手工A超法可以逐點(diǎn)覆蓋檢測(cè)結(jié)構(gòu)件的所有檢測(cè)面，設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作；但是由于蒙皮厚度較薄，一般在0.3～2mm之間，所以會(huì)使得蒙皮的上表面波、下表面波和缺陷波混疊在一起，單純靠波形變化來(lái)判斷非常困難，檢測(cè)可靠性低，對(duì)操作者的要求非常高；而且因?yàn)槭鞘謩?dòng)逐點(diǎn)掃描，所以檢測(cè)效率也較低。超聲C掃描法由于顯示直觀，已成為飛行器零件等大型復(fù)合材料構(gòu)件普遍采用的檢測(cè)技術(shù)，但是大型超聲C掃描系統(tǒng)需要噴水耦合，而且仍然是逐點(diǎn)掃描，檢測(cè)效率雖比手工A超法有所提高，但是仍舊較慢，難以滿足實(shí)際需求［5］。

相控陣技術(shù)是將一塊常規(guī)晶片切割成許多的小晶片，然后通過(guò)對(duì)單個(gè)晶片施以不同的激發(fā)及接收延遲來(lái)使各晶片產(chǎn)生的小波發(fā)生干涉，從而在檢測(cè)工件中的理想位置實(shí)現(xiàn)聚焦或波束偏轉(zhuǎn)的技術(shù)。對(duì)于蜂窩復(fù)合材料的檢測(cè)，只需要做0°電子線性掃查即可。其相當(dāng)于同時(shí)激發(fā)了多個(gè)常規(guī)探頭，使得檢測(cè)效率大大提高，另外，通過(guò)掃查得到的C掃描視圖可以很容易地判定出缺陷，能夠很好地滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

2 相控陣檢測(cè)應(yīng)用案例

對(duì)于蜂窩夾層復(fù)合材料，可使用相控陣技術(shù)中的線性電子掃查。即將探頭中的晶片等間距地設(shè)定多個(gè)激發(fā)組，每組激發(fā)的晶片數(shù)量相同。同時(shí)通過(guò)施加延遲，使得各組晶片依次激發(fā)。由于各組激發(fā)間距極短，可以看成是同時(shí)激發(fā)，相當(dāng)于同時(shí)激發(fā)多個(gè)常規(guī)探頭，使得檢測(cè)效率大大提高。

以下采用法國(guó)M2M公司的Multi2000 32×128設(shè)備，用0°線性電子掃查技術(shù)檢測(cè)蜂窩夾層工件。

2.1 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件

工件蒙皮厚1mm，工件如圖1所示。在工件內(nèi)放置了3個(gè)大小不等的人工缺陷來(lái)模擬蜂窩芯與蒙皮之間的脫粘，缺陷直徑分別為25，15和10mm。

圖1 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件圖

采用超聲相控陣方法的檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，3個(gè)大小不等的人工缺陷可以很容易地被分辨出來(lái)。

圖2 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件檢測(cè)結(jié)果

2.2 帶涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件

工件蒙皮厚約2mm，蒙皮表面帶有涂層，工件截面如圖3所示。在工件內(nèi)放置了2排共8個(gè)大小不等的人工缺陷來(lái)模擬蜂窩芯與蒙皮之間的脫粘，最小缺陷直徑為6mm，最大缺陷直徑為20mm。由于有涂層的存在，加大了檢測(cè)難度，但通過(guò)調(diào)整參數(shù)，依然可以檢出缺陷，檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果如圖4和5所示?？梢?jiàn)，8個(gè)大小不等的人工缺陷可以很容易地被分辨出來(lái)。

圖3 帶有涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件截面圖

圖4 帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

圖5 帶有涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件檢測(cè)結(jié)果

2.3 無(wú)涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件

工件蒙皮厚約2mm，工件與2.2節(jié)所述類似，沒(méi)有涂層。工件中未添加人工缺陷，而是從背面分別用不同程度的撞擊來(lái)制造脫粘缺陷。不同沖擊程度的相探陣檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同程度沖擊對(duì)無(wú)涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件造成的脫粘缺陷檢測(cè)結(jié)果

從圖6可以看出，對(duì)于不同程度的沖擊對(duì)工件造成的損傷，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以很清晰地反映出來(lái)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同蜂窩夾層工件的檢測(cè)結(jié)果可以看出，使用相控陣探頭電子掃查技術(shù)不僅可以提高檢測(cè)效率，而且通過(guò)C掃視圖，可以方便地發(fā)現(xiàn)和判定缺陷，降低了對(duì)檢測(cè)人員的要求，提高了缺陷檢出率，在復(fù)合材料檢測(cè)方面有很好的應(yīng)用前景。

［1］ 吳人潔.復(fù)合材料［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2000.

［2］ 張永民.復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)射線檢測(cè)中常見(jiàn)的缺陷分析［C］.西安：陜西省第十三屆無(wú)損檢測(cè)年會(huì)，2012.

［3］ 徐麗，張幸紅，韓杰才.航空航天復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2005，19（8）：79－82.

［4］ 范秋習(xí).蜂窩夾層復(fù)合材料［J］.北京輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，16（2）：77－81.

［5］ 周正干，高翌飛.金屬基復(fù)合材料超聲無(wú)損檢測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2009（4）：101－104.