復(fù)合材料T-形R區(qū)超聲反射法檢測與缺陷判別*

（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司,北京 101300）

復(fù)合材料已成為現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中的一種非常重要的選材，波音公司生產(chǎn)的787飛機(jī)復(fù)合材料的用量已達(dá)到其結(jié)構(gòu)重量的50%；空客公司生產(chǎn)的A380飛機(jī)復(fù)合材料用量已達(dá)到其結(jié)構(gòu)重量的25%，而A350則達(dá)到52%[1]。目前復(fù)合材料裝機(jī)應(yīng)用水平已成為衡量飛機(jī)先進(jìn)性的重要標(biāo)志，未來飛機(jī)復(fù)合材料化已成為一個重要趨勢。

隨著各種復(fù)合材料承力結(jié)構(gòu)不斷推出，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測就顯得非常重要。由于超聲對復(fù)合材料中的許多缺陷都有很好的檢出能力，因此，超聲是目前用于復(fù)合材料無損檢測的一種非常重要的無損檢測方法。通常需要針對不同復(fù)合材料特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，設(shè)計不同的超聲檢測技術(shù)。例如，對于樹脂基復(fù)合材料，目前實(shí)際應(yīng)用效果最好的超聲檢測方法仍然是超聲反射法和穿透法。前者可以實(shí)現(xiàn)自動掃描檢測和手動掃描檢測，后者則以自動掃描檢測為主，各有優(yōu)缺點(diǎn)[2]。超聲波傳播行為對材料不連續(xù)性的敏感性，使得超聲方法對復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)中的絕大部分缺陷具有很好的檢出能力[3-7]。其中超聲C-掃描檢測技術(shù)已成為目前復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件無損檢測的一種非常普遍和有效的檢測方法，并且得到了很好的工程實(shí)際應(yīng)用[2,8-10]，利用超聲3D掃描技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的自動掃描無損檢測[11]。

在大多數(shù)情況下，超聲反射法是一種易于實(shí)現(xiàn)的復(fù)合材料無損檢測方法，特別是有些較為復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和整體復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，往往存在許多復(fù)合材料蒙皮與加強(qiáng)筋幾何連接部位。由于碳纖維的剛性特征，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型過程中，在蒙皮與加強(qiáng)筋連接部位會形成各種各樣的幾何過渡區(qū)，工程實(shí)踐中，通常將這種過渡區(qū)簡稱之為R區(qū)，它起著一種結(jié)構(gòu)機(jī)械過渡和一定的傳載作用。因此，從結(jié)構(gòu)的安全角度和工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制方面考慮，往往要求對R區(qū)進(jìn)行無損檢測。因其結(jié)構(gòu)開敞性受限明顯，超聲反射法往往是不二的選擇。不過，針對復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)各種R區(qū)部位及其形狀，往往需要研究專用的超聲檢測技術(shù)，才能有效地解決R區(qū)的無損檢測，特別是復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)中的T-形R區(qū)，因起到承載傳遞和結(jié)構(gòu)連接等重要作用，必須進(jìn)行可靠的無損檢測。目前較為可行的T-形R區(qū)超聲檢測方法主要有：（1）超聲接觸法，采用固體延時塊作傳聲柱，通過將固體延時塊制成不同的形狀，以適應(yīng)T-形R區(qū)的接觸耦合檢測，包括采用單晶元換能器和多晶相控陣換能器，通常需要根據(jù)被檢測的T-形R區(qū)進(jìn)行專門的延時塊設(shè)計，延時塊與T-形R區(qū)表面之間采用硬接觸耦合，但難以始終保證掃查過程中的良好聲學(xué)耦合；（2）采用超聲非接觸法，通常利用水作為耦合介質(zhì)，需要復(fù)雜的噴水耦合系統(tǒng)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在線制造過程現(xiàn)場，通常不允許進(jìn)行大量的噴水作業(yè)。本文針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)在線（即指復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在熱成型后的制造工序現(xiàn)場）檢測，介紹了一種基于多項(xiàng)專利利用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)超聲檢測方法。

T-形R區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及檢測要求

1 T-形R區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

T-形R區(qū)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)中的一種典型的結(jié)構(gòu)形式，通常位于蒙皮與加強(qiáng)筋或立檣連接部位，如圖1所示，它由復(fù)合材料蒙皮、復(fù)合材料加強(qiáng)筋或立檣、填充區(qū)3部分構(gòu)成，可分為開敞和非開敞兩種情況，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

圖1 復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的T-形R區(qū)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Fig.1 Illustration of T-shape R-zone structure in composite laminates

（1）因復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同，R區(qū)的半徑、表面狀態(tài)變化不一；

（2）加強(qiáng)筋或立檣纖維鋪層和蒙皮中的纖維鋪層會在其T-形R區(qū)形成填充區(qū)；

（3）復(fù)合材料蒙皮的厚度（h1）變化不一；

（4）加強(qiáng)筋或立檣的厚度（h2）變化不等；

（5）T-形R區(qū)的長度短則數(shù)百毫米，長則十幾米不等；

T-形R區(qū)蒙皮單個纖維鋪層厚度多在0.13mm左右（單向預(yù)浸料纖維鋪層）。

2 T-形R區(qū)缺陷特點(diǎn)及檢測要求

由于工藝參數(shù)的意外偏離，或者環(huán)境條件等主、客觀原因，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其T-形R區(qū)在制造過程中可能會產(chǎn)生超過產(chǎn)品驗(yàn)收要求的缺陷，總結(jié)大量的實(shí)際檢測應(yīng)用案例，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)可能產(chǎn)生的缺陷有以下幾種情況：

（1）缺陷出現(xiàn)在T-形R區(qū)左右兩側(cè)蒙皮區(qū)，缺陷取向會沿R區(qū)圓弧方向分布；

（2）缺陷出現(xiàn)在T-形R區(qū)左右兩側(cè)蒙皮-填充區(qū)界面，缺陷取向會沿R區(qū)圓弧方向分布；

（3）缺陷出現(xiàn)在T-形R區(qū)下端對應(yīng)的蒙皮區(qū)，缺陷取向會沿其鋪層方向分布；

（4）缺陷出現(xiàn)在T-形R區(qū)下端對應(yīng)的蒙皮-填充區(qū)界面，缺陷取向會沿其鋪層方向分布；

（5）缺陷出現(xiàn)在T-形R區(qū)中填充區(qū)，缺陷取向與所用填充材料的特性與分布有關(guān)。

由于T-形R區(qū)是加強(qiáng)筋或立檣與蒙皮連接的關(guān)鍵部位，起到載荷傳遞和結(jié)構(gòu)連接作用，因此，對于工程應(yīng)用的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求對T-形R區(qū)進(jìn)行100%覆蓋檢測，及時檢出T-形R區(qū)可能存在的超過設(shè)計容限的R區(qū)缺陷，并提供檢出缺陷的確切位置、深度、大小及其分布與性質(zhì)等，以便進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量控制和工藝改進(jìn)，同時為結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析提供確切的缺陷量化信息。

超聲檢測方法

1 入射角的選擇要求

根據(jù)圖1所示的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、可能產(chǎn)生的缺陷及其部位和檢測要求，選擇超聲反射法，如圖2所示，使超聲波從P1、P2、P33個不同位置和方向入射到T-形R區(qū)，以便獲取最有利于檢出T-形R區(qū)各個部位的缺陷，其中在位置P2和P3，入射聲波的方向通過改變換能器的擺角進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖2所示。具體步驟為：

（1）選擇位置P1對下端T-形R區(qū)對應(yīng)的部位進(jìn)行檢測；

（2）選擇位置P2對左側(cè)T-形R區(qū)對應(yīng)的部位進(jìn)行檢測；

（3）選擇位置P3對右側(cè)T-形R區(qū)對應(yīng)的部位進(jìn)行檢測；

（4）沿著P4所示的軸向掃查方向，對T-形R區(qū)進(jìn)行掃查覆蓋檢測。

圖2 超聲反射法入射面的選擇Fig.2 Selection of ultrasonic incident directions

通過選擇不同位置和入射方向和掃查方式，以確保有效地覆蓋檢出復(fù)合材料T-形R區(qū)中可能產(chǎn)生的缺陷。

2 換能器及其輔助裝置的選擇

換能器選擇主要考慮以下因素：

（1）耦合效果。由于通常復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)的表面遠(yuǎn)不如金屬制件光滑和平整，顯得非常粗糙，有時還會呈現(xiàn)凹凸不規(guī)則的變化（拉擠成型的復(fù)合材料筋條R區(qū)除外），采用固體作延時塊的超聲換能器進(jìn)行接觸法掃查時，難以保證掃查過程中的換能器與R區(qū)表面之間的聲波耦合。因此，最好選擇軟接觸或非接觸耦合類換能器，而且還須便于制造現(xiàn)場原位檢測。

（2）分辨率和表面檢測盲區(qū)。由于被檢測復(fù)合材料T-形R區(qū)的蒙皮單個鋪層的厚度一般在0.13mm左右，要求檢出T-形R區(qū)各個鋪層界面可能產(chǎn)生的缺陷，換能器與超聲檢測系統(tǒng)匹配，其表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率要求控制在1～2個鋪層范圍內(nèi)。

（3）換能器尺寸。根據(jù)被檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)的圓弧半徑R的大小選擇換能器的尺寸，特別是換能器接觸端的尺寸和直徑盡量與T-形R區(qū)的圓弧半徑R相匹配。

（4）輔助裝置。為了保證掃查過程中換能器的穩(wěn)定耦合和姿態(tài)（即入射方向），盡量使用與換能器配套的掃查輔助裝置，參見圖2中所示的輔助裝置2。

為此，針對開敞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中T-形R區(qū)超聲檢測，這里選擇中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司（中航復(fù)材）生產(chǎn)的專門用于復(fù)合材料R區(qū)檢測的高分辨率超聲換能器[12]，也可選擇其中的FJ-1W或FJ-2W系列復(fù)合材料結(jié)構(gòu)R區(qū)換能器，從位置P2和P3對T-形R區(qū)左右側(cè)進(jìn)行超聲檢測；選擇FJ-1系列復(fù)合材料換能器，從位置P1對下端T-形R區(qū)對應(yīng)的部位進(jìn)行超聲掃查檢測（圖2）。對于非開敞式的內(nèi)腔類的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)，采用中航復(fù)材生產(chǎn)的專門用于復(fù)合材料內(nèi)腔R區(qū)檢測的高分辨率超聲換能器[13]及超聲掃查方法，對T-形R區(qū)進(jìn)行超聲掃查檢測。

3 超聲檢測儀器的選擇

超聲儀器的選擇主要考慮以下因素：

（1）分辨率和表面檢測盲區(qū)。與超聲換能器選擇一樣，超聲儀器的選擇要求檢出T-形R區(qū)各個鋪層界面可能產(chǎn)生的缺陷，超聲儀器與換能器匹配，其表面檢測盲區(qū)和縱向分辨率要求控制在1～2個鋪層范圍內(nèi)，確保近表面缺陷能有效檢出；

（2）適合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造現(xiàn)場的在線檢測，特別是超聲耦合劑的選擇和使用不能對制造現(xiàn)場造成影響和污染；

（3）復(fù)合材料超聲自動掃描檢測設(shè)備只有在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)離線時才適合選用。

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)制造過程中的在線檢測，采用超聲反射法掃查檢測，選擇復(fù)合材料超聲檢測儀器[14]，如FCC-D-1/FCC-B-1或MUT-1系列復(fù)合材料超聲檢測儀；對于超聲自動掃查檢測，選擇復(fù)合材料超聲自動檢測設(shè)備[15]，如其中的CUS-6000系列的超聲檢測設(shè)備，超聲換能器與被檢測T-形R區(qū)表面之間采用水膜耦合，不會因過量的噴水耦合給制造現(xiàn)場帶來工序污染或影響。

檢測結(jié)果與討論

圖3是一組來自碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)T-形R區(qū)中對應(yīng)位置P2左側(cè)蒙皮部位的典型超聲A-顯示回波信號及其特征。其中，圖3（a）來自T-形R區(qū)中好區(qū)的典型超聲A-顯示回波信號及其特征；圖3（b）來自T-形R區(qū)中分層區(qū)的典型超聲A-顯示回波信號及其特征，缺陷為預(yù)置分層，其大小約為φ6mm，采用目前較為常用的聚四氟乙烯膜模擬分層的方法，R區(qū)蒙皮由12個預(yù)浸料鋪層構(gòu)成，使分層位于位置P3對應(yīng)的T-形R區(qū)左側(cè)蒙皮近表面第1～2個鋪層之間，單個纖維鋪層的標(biāo)稱厚度約0.13mm，即分層距T-形R區(qū)蒙皮表面1個鋪層深度，采用MUT-1復(fù)合材料數(shù)字式超聲檢測儀和FJ-1W系列換能器。

從圖3（a）可以非常清晰地看出：（1）來自T-形R區(qū)蒙皮表面的聲波反射信號，如圖中F所標(biāo)示的脈沖信號波形，簡稱F波或表面波，表明換能器與T-形R區(qū)蒙皮表面聲學(xué)耦合良好；（2）來自T-形R區(qū)蒙皮-填料區(qū)界面附近的聲波反射信號，如圖中B所標(biāo)示的脈沖信號波形，簡稱B波或界面波，可以估算出F波與B波之間的時域刻度tFB≈1.03μs，即近似對應(yīng)聲波在厚度為h1的R區(qū)蒙皮中傳播時間；（3）來自T-形R區(qū)蒙皮區(qū)層間的聲波反射信號，如圖中L所標(biāo)示的脈沖信號波形，簡稱L波或?qū)硬ǎc復(fù)合材料及其鋪層工藝有關(guān)。

圖3 T-形R區(qū)好區(qū)和缺陷區(qū)超聲回波信號及其特征Fig.3 Echo signal reflected from T-shape R-zone without defect and with defect

與圖3（a）中的超聲檢測結(jié)果相比，圖3（b）中來自T-形R區(qū)近表面分層的超聲檢測結(jié)果明顯的信號特征是：（1）入射聲波在T-形R區(qū)蒙皮表面產(chǎn)生的反射信號——F波幅值和波形與圖3（a）的F波幾乎一致，表明換能器同樣在T-形R區(qū)蒙皮表面獲得了良好的聲學(xué)耦合；（2）來自T-形R區(qū)蒙皮近表面1個鋪層深度位置的分層的聲波反射信號，如圖3（b）中D所標(biāo)示的脈沖信號波形，簡稱D波；（3）由于D波的疊加效應(yīng)，使原來L波位置出現(xiàn)了明顯不同于圖3（a）中L波特征，此時，原來圖3（a）中的B波也隨之消失；（4）盡管D波非常靠近F波，但時域上仍然清晰可辨。

圖3（c）對應(yīng)R區(qū)中第6～7個鋪層之間（即位于R區(qū)蒙皮1/2深度位置）φ6mm分層的典型超聲A-顯示回波信號及其特征，可以清晰地看出：（1）來自T-形R區(qū)蒙皮表面的F波；（2）來自T-形R分層的D波以及D波的二次（D'）、三次（D''）和四次（D'''）反射波，從F波與D波的時域位置，可以估算出分層對應(yīng)的時間刻度tFD≈0.47μs，據(jù)此，可以近似判斷分層的實(shí)際深度，與實(shí)際預(yù)置的分層位置（R區(qū)蒙皮1/2深度位置）相一致；（3）位于F波和D波之間的L波。

因此，基于圖3中的超聲信號及其特征變化，利用B波動、D波及其多次反射可以非常容易進(jìn)行R區(qū)缺陷的判別，即使是位于碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中T-形R區(qū)蒙皮近表面1個鋪層深（約0.13mm）的分層，也可以非常清晰地對其進(jìn)行識別和檢出；利用F波與B波、F波與D波之間的時域特性，可以幫助確定分層所在的深度位置。

圖4是來自實(shí)際碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)件中T-形R區(qū)中對應(yīng)位置P2右側(cè)R區(qū)部位的典型超聲A-顯示回波信號及其特征，R區(qū)蒙皮由12個碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層構(gòu)成，采用FCC-D-1復(fù)合材料超聲檢測儀，比較圖4與圖3（c）可以非常清晰地看出：來自T-形R區(qū)對應(yīng)位置P2右側(cè)R區(qū)部位超聲A-顯示回波信號具有相似的特征，即出現(xiàn)了F波、L波和D波及D波的二次波（D'）、三次波（D''），盡管L波和D波的時域細(xì)節(jié)有所不同，但其反射規(guī)律高度一致：D波的相位與F波相反、會產(chǎn)生明顯的D波及其多次反射波，同時B波消失。據(jù)此，可以非常清晰地確定在R區(qū)存在分層。根據(jù)圖4中F波與D波之間的時域刻度，可以估算出檢出分層對應(yīng)的時間刻度tFD≈0.47μs，據(jù)此，可以近似判斷分層的實(shí)際深度，據(jù)此可估測檢出分層的鋪層深度約為11個鋪層，即檢出分層約位于R區(qū)蒙皮的第11～12個鋪層界面之間。

圖4 實(shí)際復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中T-形R區(qū)分層的超聲回波信號及其特征Fig.4 Typical echo signal from T-shape R-zone in a real composite structure with delamination

針對上述檢測結(jié)果，對經(jīng)超聲檢出分層部位對應(yīng)的R區(qū)位置進(jìn)行了取樣解剖分析，圖5是對檢出分層部位斷面進(jìn)行金相觀察后得到的光學(xué)顯微結(jié)果。圖5中P所指示的白色箭頭對應(yīng)聲波入射方向，F(xiàn)所指示的白色箭頭對應(yīng)界波反射位置，D所指示的黑色箭頭對應(yīng)缺陷波反射位置?？梢苑浅Ｇ逦乜闯觯赗區(qū)存在分層，如圖5中黑色箭頭指向的黑色虛線部位所示，而且分層的實(shí)際深度也是位于第11～12個鋪層界面之間，與圖4中的超聲檢測結(jié)果和分層深度的估測結(jié)果完全相一致。

圖5 超聲檢出分層的解剖驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Destructive testing result of the found out delamination in T-shape R-zone

結(jié)論

（1）針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中R區(qū)的結(jié)合特點(diǎn)和檢測要求，通過選擇不同的入射位置和入射方向，采用專門的R區(qū)超聲檢測系統(tǒng)及換能器，可以有效地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中R區(qū)的超聲檢測；

（2）采用水膜耦合方法，可以獲得非常穩(wěn)定的超聲檢測信號，并且超聲檢測與驗(yàn)證結(jié)果表明，來自R區(qū)層間界面的反射信號與來自R區(qū)缺陷的反射信號在時域上有明顯不同的特征，據(jù)此可以進(jìn)行R區(qū)缺陷判別和確切定位檢出缺陷的鋪層深度位置；

（3）系列超聲檢測試驗(yàn)表明，采用寬帶窄脈沖超聲反射法可以有效地檢出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中R區(qū)中不同深度的分層缺陷，其表面檢測盲區(qū)可達(dá)到單個復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層厚度（約0.13mm）；

（4）實(shí)際超聲檢出結(jié)果與解剖驗(yàn)證結(jié)果取得了良好的一致性，所建立的復(fù)合材料R區(qū)超聲檢測方法已經(jīng)得到了系列的實(shí)際檢測應(yīng)用，取得了較好的工程檢測應(yīng)用效果。

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