大厚度復合材料結構的超聲相控陣檢測成像與缺陷定量表征

張繼敏，周 暉，劉 奎,2，劉衛(wèi)平

(1.上海飛機制造有限公司 航空制造技術研究所，上海 200436;2.纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)，上海 200051)

大厚度復合材料結構的超聲相控陣檢測成像與缺陷定量表征

張繼敏1，周 暉1，劉 奎1,2，劉衛(wèi)平1

(1.上海飛機制造有限公司 航空制造技術研究所，上海 200436;2.纖維材料改性國家重點實驗室(東華大學)，上海 200051)

使用便攜式超聲相控陣設備對厚度為22.92 mm的碳纖維復合材料層壓板對比試塊進行檢測，對其中埋有φ6,φ9,φ12 mm的人工缺陷進行C掃描成像。結果表明：在超聲相控陣檢測中，同種介質(zhì)內(nèi)不同尺寸缺陷所得TCG曲線趨勢相同且趨于重合；三種不同成像方式都能準確一致地對缺陷尺寸進行判定，根據(jù)其自身成像的特點，配合使用這幾種成像方式，可以達到最佳檢測評判效果。

超聲相控陣；TCG曲線；成像方式；尺寸判定

眾所周知，大型客機大量采用先進復合材料結構已成為航空領域重要的發(fā)展態(tài)勢，而隨著復合材料在民用飛機上的應用越來越廣,以及復合材料結構越來越復雜，制件已經(jīng)從早期的小尺寸、次承力件、結構簡單向著大尺寸、大厚度、主承力結構、結構工藝復雜的方向發(fā)展。因此，也給與之相對應的無損檢測技術問題帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，而超聲相控陣檢測技術在眾多的無損檢測技術中具有很大優(yōu)勢[1-7]。

超聲相控陣檢測技術作為一種先進的超聲檢測技術，已有二十多年的發(fā)展歷史，且近年來已經(jīng)成功應用于工業(yè)無損檢測領域，特別是在航空復合材料檢測方面的應用日趨廣泛。與傳統(tǒng)超聲檢測技術相比，相控陣超聲檢測技術具有良好的聲束可達性，高的檢測靈敏度、分辨力和信噪比，可方便地實現(xiàn)復雜幾何形狀工件的掃查檢測。另外，相控陣探頭通常含有幾十到上百個晶片，聲束覆蓋范圍很大，其檢測效率遠遠高于常規(guī)的單通道超聲檢測設備。因此，將相控陣超聲檢測技術應用于大尺寸、大厚度、結構復雜的復合材料制件，具有重要的研究意義和工程應用價值[8-16]。

碳纖維復合材料機翼作為飛機結構中最大尺寸的主承力結構件，厚度最大可達20 mm，對此，筆者通過對預埋人工缺陷的大厚度碳纖維復合材料對比試塊進行超聲相控陣檢測研究，評價其不同成像方法選擇、TCG曲線(距離增益補償曲線)應用、以及人工缺陷尺寸定量的問題。

1 超聲相控陣檢測

1.1 TCG曲線原理

超聲相控陣技術主要采用脈沖反射法。使用該方法檢測時，隨著被檢零件厚度的增加，超聲波在傳播過程中一方面會因為材料而衰減；另一方面聲束會逐漸擴散，使得回波信號幅值隨著深度呈指數(shù)衰減，這樣反射回來被接收的能量就會相應減少[17-19]。則同樣大小的缺陷由于處在被檢零件的不同深度，在同一檢測增益下，檢測出來的缺陷尺寸大小不一樣，越深處的缺陷檢出結果越小，甚至出現(xiàn)漏檢。圖1(a)為利用超聲相控陣設備檢測的一個11.46 mm厚的碳纖維層壓板中預埋在0.38 mm(近上表面)，5.73 mm(近中間)，11.08 mm(近下表面)的三個φ9 mm的聚四氟乙烯薄膜人工缺陷的D掃描圖像。圖中可以看到三個同樣尺寸的缺陷卻因為在不同深度而顯現(xiàn)出不同的掃描圖像，上表處的缺陷大且信號強，而下表處的缺陷卻只有很少的反射信號。故，這樣的掃查效果根本無法保證缺陷的可檢性以及對缺陷尺寸的判定。

要使不同深度的缺陷顯現(xiàn)出同樣的信號強度和大小，最有效的方法是在不同的深度補償不同的增益，即采用制作TCG曲線的方法來達到效果[20-22]。TCG曲線是把同樣大小的反射體(即人工缺陷)處于不同深度時，增加不同的增益使得相應的回波都處于一樣的高度(如將人工缺陷中心的波幅達到80%屏高)。圖1(b)顯示的是將圖1(a)中三個不同深度的人工缺陷通過補償不同增益使得其中心波幅達到相同幅值(80%屏高)時的D掃描圖像，這時的增益值即為該尺寸缺陷在該深度處補償后的增益值。通過增益補償后，其掃描效果如圖1(b)所示，三個缺陷信號顯示相同。

圖1 11.46 mm厚復合材料層壓板內(nèi)埋人工缺陷D掃圖

圖2 脈沖反射法C掃描成像方法示意

1.2 成像方法

由于超聲相控陣技術采用脈沖反射法，根據(jù)脈沖反射法基本原理，常見的C掃描成像方法有：底波成像、缺陷波成像、位置成像(見圖2)。每種方法有其自身特點，底波成像時將優(yōu)區(qū)底波幅值調(diào)整為80%屏高，并不需要做TCG曲線補償增益，導致越是靠近上表面回波信號越強烈，即使近表面一個小孔隙也會使得回波信號超屏，而無法分辨層間信號；缺陷波成像和位置成像都需要做TCG曲線補償增益，可以清晰分辨層間信號，但缺陷波成像時位于近表面和遠表面的缺陷回波與始波和底波太靠近，很難包含成像閘門，導致漏檢或影響成像質(zhì)量，而位置成像時與底波靠近的缺陷波在成像顏色上區(qū)分度很小，容易出現(xiàn)漏檢。

2 試驗過程

2.1 設備與試塊

試驗采用便攜式超聲相控陣檢測儀及線性陣列換能器，換能器共32個晶片，頻率5 MHz，晶片中心距1 mm，晶片長度7 mm，選取孔徑數(shù)為6。掃查對象為22.92 mm厚的碳纖維復合材料層壓板試塊，試塊中預埋了雙層聚四氟乙烯薄膜制成的人工缺陷，缺陷大小為φ6，φ9，φ12 mm各8個，預埋在8個不同的厚度層上(0.382，0.955，4.011，7.64，11.46，15.28，18.91，22.54 mm)，對比試塊中人工缺陷的位置示意如圖3所示。

圖3 對比試塊中人工缺陷位置示意

2.2 試驗結果與分析

通過掃查此22.92 mm厚對比試塊中三種不同尺寸、不同埋深的人工缺陷，針對每種尺寸的缺陷制作其TCG曲線，研究不同尺寸缺陷的TCG曲線之間的關系；分別在TCG曲線補償情況下對所有缺陷進行缺陷波C掃描成像,以及在無TCG曲線補償情況下對所有缺陷進行底波C掃描成像，分析這兩種C掃描成像方式下缺陷的尺寸大小關系。

2.2.1 TCG曲線

依次對φ6,φ9,φ12 mm三組尺寸的所有深度人工缺陷進行由淺至深的掃查，并將缺陷所在深度處的增益進行補償,使得該深度處的缺陷中心波高提高到80%屏高，所得數(shù)據(jù)見表1。每組尺寸的缺陷都建立在不同的基準增益之上，且越小的缺陷越難被檢測出，需要的基準增益值越大。22.92 mm厚碳纖維層壓板人工缺陷對比試塊TCG曲線增益補償數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4為根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)建立的TCG曲線，不考慮基準增益的差異，將三組尺寸缺陷的TCG曲線在0 mm處增益值統(tǒng)一偏置為0 dB，可以直觀地比較出三條TCG曲線的關系。從圖4可以看出，除了個別數(shù)據(jù)點的小范圍偏移，整體來看，三組尺寸缺陷的TCG曲線趨勢相同，且趨于重合。

表1 22.92 mm厚碳纖維復合材料層壓板人工缺陷對比試塊TCG曲線增益補償數(shù)據(jù)

圖4 22.92 mm厚復合材料層壓板不同尺寸人工缺陷對比試塊TCG曲線

圖5為根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)制作的TCG曲線趨勢線，趨勢線采用的是二次多項式類型。從圖5可以看出，φ6 mm和φ12 mm的趨勢線趨于重合，φ9 mm的趨勢線由于個別數(shù)據(jù)點的偏移而稍有偏差。從三條趨勢線的多項式公式來看，二次因子系數(shù)都為負，說明在該深度范圍內(nèi)TCG曲線趨勢為斜率逐漸變小，同時，一次因子系數(shù)為正且遠大于二次因子系數(shù)的絕對值，說明在該深度范圍內(nèi)TCG曲線為以單調(diào)遞增為主導，并伴隨輕微的逐漸變緩的趨勢。根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播時，其聲強隨著傳播距離的增加逐漸衰減并變緩的趨勢，可以預測隨著深度范圍進一步增加，TCG曲線趨勢為逐漸升高并趨于平緩。

圖5 22.92 mm厚復合材料層壓板不同尺寸人工缺陷對比試塊TCG曲線趨勢線

圖6 φ12 mm人工缺陷C掃圖

2.2.2 C掃描成像及缺陷尺寸評判

圖7 φ9 mm人工缺陷C掃圖

圖8 φ6 mm人工缺陷C掃圖

圖6～8為對此22.92 mm厚復合材料層壓板對比試塊進行線性掃查所得的C掃描圖像。其中缺陷波和位置成像為按照2.2.1節(jié)TCG曲線圖增益補償后的掃描結果，底波成像為無TCG曲線增益補償?shù)膾呙杞Y果。

從圖中可以看出，缺陷波成像結果可以清晰分辨出處于不同埋深處的缺陷信號，但圖8(a)中明顯有一片疑似缺陷信號的藍色區(qū)域，實為缺陷波成像時為了使閘門包含住位于近表面和遠表面的缺陷波，導致部分始波或底波信號進入閘門內(nèi)，影響了成像質(zhì)量或導致誤判；底波成像結果由于無TCG曲線補償增益，無論是在底波成像圖中還是在S掃描圖中，靠近近表面一定范圍內(nèi)的信號回波強，使得無法清楚觀察到層間的信號；圖6(c)為位置成像，雖然位于不同層間的缺陷信號通過顏色對比可以清晰可辨，但最靠近底波的缺陷信號顏色與底波信號顏色接近，難以區(qū)分，容易導致漏檢，如埋深22.54 mm的缺陷基本無法分辨。

表2為根據(jù)圖6中每幅C掃描圖中的人工缺陷進行的尺寸度量與評價結果。除了圖8(b)中兩個φ6 mm缺陷受孔隙影響無法評判尺寸，其余尺寸均記錄在表2中，第一排為缺陷波(位置)成像C掃描結果的測量數(shù)據(jù)，第二排為底波成像C掃描結果的測量數(shù)據(jù)。受到便攜式設備精度及圖像分辨率的影響，1 mm的誤差是允許的，所以在誤差允許范圍內(nèi)。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，缺陷波(位置)成像所測量的缺陷尺寸與底波成像所測量的缺陷尺寸,以及與缺陷本身的實際尺寸都是一致的。所以可根據(jù)三種方式自身特點，相互配合、取長補短地使用，以達到最佳的檢測評判效果。

表2 人工缺陷尺寸度量與評價結果 mm

3 結語

(1) 在同一介質(zhì)中，根據(jù)不同尺寸缺陷所得的TCG曲線，在不考慮基準增益差異的情況下，各TCG曲線趨勢相同，且趨于重合。在一定深度范圍內(nèi)TCG曲線以單調(diào)遞增為主并伴隨著輕微變緩的趨勢。

(2) 缺陷波成像、底波成像、位置成像，三種成像方式都有其自身的優(yōu)缺點，但對缺陷尺寸的評判是一致的，所以可根據(jù)三種方式的自身特點，相互配合、取長補短地使用，以達到最佳的檢測評判效果。

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Imaging and Quantitative Characterization of Defects by Phased Array Ultrasonic Detection in Big-thickness Composite Structure

ZHANG Ji-min1, ZHOU Hui1, LIU Kui1,2, LIU Wei-ping1

(1.Aeronautical Manufacturing Technology Institute, Shanghai Aircraft Manufacturing Corporation, Shanghai 200436, China; 2.State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, Donghua University, Shanghai 200051, China)

In this paper, a portable phased array ultrasonic device was utilized to detect a 22.92 mm carbon fibre composite reference block, and theφ6 mm,φ9 mm andφ12 mm defects inside the block were scanned and imaged. It was proved that the TCG curves of different size defects from the same medium had the same varying trend and go to coincide. Three different imaging methods can determine the dimensions of defects accurately. Depending on the features of themselves, co-using these imaging methods can achieve the best detection and evaluation result.

Phased array ultrasonic; TCG curve; Imaging method; Dimension determination

2016-05-09

纖維材料改性國家重點實驗室資助項目(LK1525)

張繼敏(1988-)，男，工程師，碩士，主要從事航空復合材料制件的無損檢測技術研究工作。

張繼敏，E-mail: zhangjimin@comac.cc。

10.11973/wsjc201703009

TG115.28

A

1000-6656(2017)03-0035-05