飛機(jī)復(fù)合材料層壓缺陷原位超聲波檢測(cè)的探頭研制及試驗(yàn)

袁英民，孫金立，陳新波

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，海軍航空裝備無(wú)損檢測(cè)中心，青島 266041）

隨著航空技術(shù)的快速發(fā)展，各種復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，甚至出現(xiàn)全復(fù)合材料飛機(jī)。其中復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)材料及其構(gòu)件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用發(fā)展迅速，對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的原位檢測(cè)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。飛機(jī)復(fù)合材料雷達(dá)罩為夾心復(fù)合材料，在服役過(guò)程中受沖擊載荷作用，易于產(chǎn)生分層、脫粘缺陷，給飛行安全帶來(lái)極大隱患。為此，對(duì)雷達(dá)罩進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)保證飛行安全極為重要。

飛機(jī)雷達(dá)罩第一層和第三層為樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料，第二層為泡沫類復(fù)合材料（見(jiàn)圖1），各層膠合在一起，使用過(guò)程中易造成脫膠分層，嚴(yán)重的會(huì)造成雷達(dá)罩的開(kāi)裂。針對(duì)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)壁板比較薄，超聲散射造成的雜波較多、衰減嚴(yán)重及原位檢測(cè)困難的問(wèn)題，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)，確定了檢測(cè)時(shí)的焦距及聲束傾斜角、壓電晶片寬度及隔板厚度、探頭規(guī)格等主要參數(shù)，研制了適合飛機(jī)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)原位檢測(cè)的雙晶超聲波探頭，成功地實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料層壓板的原位檢測(cè)。

圖1 復(fù)合材料分層缺陷示意

1 參考試塊的制作

參考試塊為從飛機(jī)雷達(dá)罩上截取的一部分，并在需要檢測(cè)的部位加工出一定尺寸的圓形平底槽來(lái)模擬脫膠。

參考試塊的制作情況如圖2所示：飛機(jī)雷達(dá)罩為三層層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，截取尺寸為150 mm×150mm，三層厚度分別為3.0，4.0，1.1mm。根據(jù)疲勞壽命分析，在上層玻璃纖維復(fù)合材料底部挖一個(gè)直徑為8mm 圓形平底盲孔，在第二層泡沫夾層的底部加工同樣尺寸的平底槽作為脫膠分層缺陷的參考試塊。

圖2 復(fù)合材料分層參考試塊缺陷位置示意

2 探頭研制

雙晶直探頭的兩個(gè)縱波晶片一個(gè)用于發(fā)射超聲波，一個(gè)用于接收超聲波，如圖3所示。發(fā)射壓電晶片采用發(fā)射性能好的鋯鈦酸鉛材料，接收壓電晶片采用接收性能好的硫酸鋰材料。雙晶探頭的發(fā)射靈敏度和接收靈敏度比單晶探頭高。雙晶探頭的兩個(gè)晶片之間有一片吸聲性強(qiáng)、絕緣性好的隔聲層，它不僅用于克服發(fā)射聲束與反射聲束的相互干擾和阻塞，而且能使脈沖變窄、分辨率提高、消除發(fā)射晶片和延遲塊之間的反射雜波進(jìn)入接收晶片，有效減少雜波。由于雙晶探頭的發(fā)射部分和接收部分都帶有延遲塊，能使探傷盲區(qū)大幅減小。

同時(shí)，因?yàn)閮蓚€(gè)晶片有一傾斜角度θ，在其聲場(chǎng)相交形成的菱形區(qū)內(nèi)，聲能集中，聲壓較大，所以菱形區(qū)內(nèi)缺陷反射信號(hào)比區(qū)外強(qiáng)。θ角愈小，菱形區(qū)愈長(zhǎng)，探測(cè)深度愈深，反之，θ角愈大，菱形區(qū)愈短，探測(cè)深度愈淺。對(duì)于同樣大小的缺陷，在菱形區(qū)范圍內(nèi)，聲壓在聲軸上最大，離聲軸愈遠(yuǎn)，則聲壓愈小。因此，雙晶直探頭的探傷靈敏度，隨著距離的增加而上升，當(dāng)達(dá)到極大值后，又隨距離的增加而下降。在兩聲軸交點(diǎn)Q上，靈敏度最高，缺陷反射波最強(qiáng)，Q點(diǎn)即為雙晶直探頭的焦點(diǎn)，Q點(diǎn)到工件上表面的距離即為雙晶直探頭的焦距f，見(jiàn)圖3。

根據(jù)雙晶直探頭的結(jié)構(gòu)及探傷原理，由探測(cè)面與三層復(fù)合材料厚度關(guān)系給出雙晶直探頭的幾個(gè)重要參數(shù)：

2.1 焦距及傾斜角

探頭的焦距由探測(cè)面與雷達(dá)罩復(fù)合材料每層的厚度及相互關(guān)系確定；

傾斜角由下列公式確定：

式中：f為探頭焦距；a為壓電晶片寬度的二分之一，mm；α為探頭入射角，（°）；cl1為有機(jī)玻璃縱波聲速，m／s；cl2為復(fù)合材料中縱波聲速。

2.2 壓電晶片寬度及隔板厚度

壓電晶片寬度根據(jù)需要檢測(cè)的分層缺陷的面積確定，隔板厚度以能消除界面反射回波為準(zhǔn)。

2.3 雙晶探頭規(guī)格

由于雷達(dá)罩各層的材料不同，聲速不同，焦距和傾斜角不能直接求出理論值，在理論基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)研究，確定雙晶探頭的各項(xiàng)參數(shù)。經(jīng)性能測(cè)試，筆者試制的探頭符合GB／T 2970－1991 雙晶直探頭性能要求，并得到較好的應(yīng)用。

新研制的探頭如圖4所示。

圖3 雙晶直探頭探傷原理示意

圖4 新研制的探頭

3 檢測(cè)實(shí)踐

采用自行研制的寬頻域高分辨率超聲波檢測(cè)儀，以及已經(jīng)設(shè)定好參數(shù)的雙晶直探頭在雷達(dá)罩參考試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，選定合適的檢測(cè)參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，縱坐標(biāo)表示回波幅值，用%表示，橫坐標(biāo)為傳播距離，用mm 表示。圖5（a）為完好狀態(tài)時(shí)沒(méi)有開(kāi)膠和分層缺陷回波，圖5（b）為第一層與第二層層間分層缺陷回波，圖5（c）為第二層與第三層層間分層缺陷回波。

由圖5可見(jiàn)，在增益值不變的情況下（63.5dB），雷達(dá)罩1、2層間存在脫膠分層，回波明顯，達(dá)到100%，且只有一個(gè)回波，深度為15.4 mm，見(jiàn)圖5（a）；沒(méi)有分層缺陷時(shí)，由于三層的材料不同，聲阻抗不同，在1、2層間，2、3層間均有微弱回波，最大回波只有15%，和1、2層間開(kāi)膠回波幅值相差85%，而底面回波達(dá)到51%，見(jiàn)圖5（b）；2、3層間開(kāi)膠時(shí)，1、2層間有微弱回波（約在15.4 mm 位置處），2、3層間回波明顯，達(dá)到85%，見(jiàn)圖5（c）。

由此建立檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：1、2層間分層缺陷直徑達(dá)到8mm，只有1、2 層間反射回波，回波幅度應(yīng)在30%以上，最大能達(dá)到100%；2、3層間缺陷，1、2層間完好，2、3 層間回波也應(yīng)在30%以上，最大達(dá)到85%，1、2層間有微弱回波；完好的情況，底面回波也應(yīng)在30%以上，最大可達(dá)到50%以上。

筆者依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)了50多架飛機(jī)的雷達(dá)罩，發(fā)現(xiàn)直徑大于8mm 的分層缺陷1、2層間2個(gè)，2、3層間5個(gè)，經(jīng)分解驗(yàn)證，與標(biāo)準(zhǔn)基本吻合。

4 結(jié)論

采用自行研制的寬頻域高分辨率超聲儀及自制高能窄脈沖雙晶探頭，運(yùn)用本文的檢測(cè)方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，可以方便地解決飛機(jī)復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)的脫膠、分層缺陷的檢測(cè)。

［1］ 袁英民.某型飛機(jī)輪轂原位檢測(cè)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2006，28（9）：458－459.

［2］ 袁華，王召巴.復(fù)合材料的多界面脫粘檢測(cè)技術(shù)的研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（12）：118－119.

［3］ 孫金立.無(wú)損檢測(cè)及在航空維修中的應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.