淺議復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無(wú)損檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

孫楷 尤彧瑞

廣東省汕頭市超聲儀器研究所有限公司 廣東汕頭 515041

摘要：隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，特別是在航空航天領(lǐng)域的大量應(yīng)用，開發(fā)便攜式、應(yīng)用于復(fù)合材料大面積快速掃查的檢測(cè)技術(shù)就顯得很有必要。超聲檢測(cè)作為一項(xiàng)比較成熟的檢測(cè)技術(shù)，其衍生的各種檢測(cè)新技術(shù)開始應(yīng)用于復(fù)合材料的檢測(cè)，有效地解決了復(fù)合材料的一些檢測(cè)難題。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，超聲檢測(cè)主要應(yīng)用于對(duì)服役構(gòu)件的在役檢測(cè)，以及對(duì)復(fù)合材料的性能無(wú)損表征。文章主要分析了復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無(wú)損檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；超聲；無(wú)損檢測(cè)；關(guān)鍵技術(shù)

引言

復(fù)合材料（Composite materials）是由兩種及兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。在復(fù)合材料的超聲檢測(cè)應(yīng)用方面，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)出層壓板分層及夾雜缺陷，碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件、帶涂層以及不帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件等蜂窩復(fù)合材料的內(nèi)部脫粘缺陷，對(duì)復(fù)合材料的拐角（R區(qū)）等特殊部位也能很好地進(jìn)行檢測(cè)。復(fù)合材料的超聲C掃描檢測(cè)通常采用多軸聯(lián)動(dòng)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行噴水穿透法、噴水脈沖反射法、水浸穿透法以及水浸脈沖反射法檢測(cè)，如采用噴水穿透法對(duì)層壓板和蜂窩結(jié)構(gòu)粘接缺陷進(jìn)行檢測(cè)可得到清晰的超聲C掃描圖像。多軸聯(lián)動(dòng)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)雖然可以對(duì)某些復(fù)合材料進(jìn)行有效檢測(cè)，但是受檢測(cè)工件和檢測(cè)場(chǎng)地的限制，不利于應(yīng)用于在役飛機(jī)的快速掃查檢測(cè)上，因此，筆者開發(fā)了適用于復(fù)合材料的大面積快速C掃描檢測(cè)以及特殊位置的雙軸定位C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。

1.復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)概述

復(fù)合材料之所以能得到廣泛的應(yīng)用，除了其自身優(yōu)異的性能外，還得益于與復(fù)合材料密切相關(guān)的配套技術(shù)的同步研究和發(fā)展，而質(zhì)量控制是設(shè)計(jì)要求得以滿足，產(chǎn)品質(zhì)量得以保證的關(guān)鍵，其中無(wú)損檢測(cè)技術(shù)發(fā)揮了十分重要的推動(dòng)作用。無(wú)損檢測(cè)的目的和任務(wù)就是采用合理有效的方法、技術(shù)和檢測(cè)手段，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和檢測(cè)出材料內(nèi)部的缺陷和損傷，從而為進(jìn)一步評(píng)價(jià)材料、結(jié)構(gòu)的可靠性奠定基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料在正常使用情況下不會(huì)發(fā)生突然斷裂，材料的失效通常都是由缺陷損傷積累引起的，因此迫切需要采用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的制造和服役過(guò)程中的內(nèi)部質(zhì)量狀況進(jìn)行客觀、準(zhǔn)確和可靠的表征和評(píng)估，提高復(fù)合材料構(gòu)件的安全可靠性。目前，針對(duì)復(fù)合材料常用的無(wú)損檢測(cè)方法主要有目視法、超聲波法、X射線法、光學(xué)法、微波法和聲發(fā)射法等。

因此，要確保復(fù)合材料構(gòu)件的安全可靠性，避免重大事故的發(fā)生，必須對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，而超聲檢測(cè)是最有效的方法之一，對(duì)于大型復(fù)雜曲面復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，必須研制自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)快速、高效、高精度的檢測(cè)

2.復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無(wú)損檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1相控陣超聲檢測(cè)原理

（1）發(fā)射與接收。相控陣超聲的基本原理來(lái)源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣超聲探頭由多個(gè)晶片按一定的規(guī)律分布排列，通常是線陣列，通過(guò)軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。

（2）電子掃描。相控陣超聲具有獨(dú)特的波束掃描和聚焦特點(diǎn)，因此使用一個(gè)多陣元的相控陣探頭，在不移動(dòng)探頭的情況下就可以實(shí)現(xiàn)工件斷面的掃描檢測(cè)。

（3）相控陣C掃描方式。采用相控陣電子掃描不需要移動(dòng)探頭就可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件一定寬度的斷面掃查，因此，對(duì)比于單晶探頭常規(guī)鋸齒形的掃查方式，相控陣掃查只需單軸直線掃查便可獲得工件的C掃描圖像。

2.2相控陣C掃描檢測(cè)系統(tǒng)

（1）滾輪探頭檢測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)相控陣檢測(cè)原理，為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速C掃描檢測(cè)，開發(fā)了適合檢測(cè)用途的滾輪探頭。滾輪探頭的結(jié)構(gòu)為：相控陣探頭放置在一個(gè)密閉的套筒里，套筒兩端安裝有可旋轉(zhuǎn)的滑輪，套筒里面充滿水，相控陣探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過(guò)水層后到達(dá)橡膠套，橡膠套采用與水聲阻抗接近的材料以使超聲波傳播時(shí)可透射更多的能量。滾輪探頭加裝一個(gè)高精度的位置編碼器進(jìn)行定位和同步數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)一般采用水作為耦合劑，輕輕滾動(dòng)探頭，C掃圖像即刻呈現(xiàn)，特別適合大面積復(fù)合材料的C掃描檢測(cè)。

（2）雙軸拉線編碼器檢測(cè)系統(tǒng)。拉線編碼器的底座根據(jù)材料不同可選擇真空、夾持或磁鐵吸附的安裝方式。檢測(cè)時(shí)將編碼器吸附在工件表面上，固定拆卸靈活方便，而且對(duì)工件表面無(wú)任何損傷，兩個(gè)拉線編碼器拉出的線匯聚于掃查探頭并固定于掃查夾具上。拉線編碼器的最高掃查精度為0.1mm/步，拉線最大長(zhǎng)度為1.5m。以前的手動(dòng)雙軸掃查器定位方式比較死板，探頭的移動(dòng)不好操作，而這種定位方式很方便，探頭移動(dòng)也比較靈活，在進(jìn)行特定區(qū)域的C掃描檢測(cè)上具有較大的優(yōu)勢(shì)，可對(duì)缺陷進(jìn)行完整的掃查、測(cè)量和評(píng)定。

3.復(fù)合材料構(gòu)件的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 缺陷檢測(cè)

金屬零件內(nèi)的缺陷超聲檢測(cè)方法同樣的適用于復(fù)合材料中缺陷評(píng)價(jià)，對(duì)于其內(nèi)部的孔狀缺陷來(lái)說(shuō)目前主要是利用超聲C掃描、相控陣超聲檢測(cè)、超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)等。超聲C掃描是超聲檢測(cè)的一種顯示方式，它是在A信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，得到的一種垂直于缺陷的顯示結(jié)果，它具有顯示直觀，操作簡(jiǎn)便，可以對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)孔狀缺陷的顯示比較清晰。國(guó)內(nèi)有江蘇大學(xué)的魏勤利用超聲C掃描對(duì)SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料試件進(jìn)行研究，研究表明利用該方法能夠清晰的檢測(cè)到材料中的孔狀缺陷，并且能夠?qū)Σ牧现械膱F(tuán)聚現(xiàn)象有一定的顯示。

然而超聲C檢測(cè)對(duì)于一些缺陷檢測(cè)精度要求更精確的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)還是顯得有一定的困難，而實(shí)際中對(duì)于一個(gè)工件的完全檢測(cè)也并不是一種超聲檢測(cè)方法能夠勝任的，通常對(duì)于一個(gè)工件的檢測(cè)常常應(yīng)用幾種超聲檢測(cè)方法，有時(shí)也會(huì)應(yīng)用其他的無(wú)損檢測(cè)手段，比如紅外熱成像檢測(cè)方法。相控陣超聲檢測(cè)是超聲檢測(cè)中比較先進(jìn)的一種檢測(cè)手段，近年來(lái)，以其偏轉(zhuǎn)、聚焦的優(yōu)勢(shì)而廣泛的應(yīng)用在常規(guī)超聲檢測(cè)不能夠完成的復(fù)雜構(gòu)件中，而且針對(duì)超聲相控陣檢測(cè)還設(shè)計(jì)了專用的仿真檢測(cè)軟件，能夠在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案方面節(jié)省很大的費(fèi)用，并且能夠更加的清楚聲波的傳播以及與缺陷的相互作用，使檢測(cè)更加的直觀。

3.2 性能評(píng)價(jià)

超聲波能夠?qū)饘倭慵挠捕?、彈性模量、衰減性等進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用相同的方法超聲波可以對(duì)復(fù)合材料的這些性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并且能夠?qū)ζ淇紫堵蔬M(jìn)行測(cè)量。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)孔隙率是其重要的一個(gè)性能參數(shù)，孔隙率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部疏松，直接導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。因此對(duì)孔隙率的檢測(cè)顯得十分重要。對(duì)于復(fù)合材料來(lái)說(shuō)常用的孔隙率測(cè)定方法主要有超聲聲速法、超聲衰減法、微波法等，然而每一種方法并不是直接的給出孔隙率的大小，而是間接的獲得對(duì)應(yīng)的相互關(guān)系。

在上述的三種方法中應(yīng)用最多的是超聲衰減法，它主要是利用頻率的變化曲線斜率與超聲孔隙百分率之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)而評(píng)價(jià)復(fù)合材料的孔隙率，除此之外也可以根據(jù)超聲波透過(guò)復(fù)合材料后的衰減量的大小，計(jì)算孔隙率與聲束面積之比。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著航空航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)復(fù)合材料的質(zhì)量要求將越來(lái)越高，如何快速的對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)是值得大家思考的一個(gè)問(wèn)題，因此未來(lái)超聲檢測(cè)將面向快速檢測(cè)、自動(dòng)化檢測(cè)的方向發(fā)展，同時(shí)超聲探傷將會(huì)從對(duì)材料的質(zhì)量檢測(cè)像對(duì)材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)的方向發(fā)展。

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