CFRP夾層結(jié)構(gòu)超聲特征成像檢測

陸銘慧 馮君偉 劉勛豐 陳 巍

(南昌航空大學(xué)，無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

CFRP夾層結(jié)構(gòu)超聲特征成像檢測

陸銘慧 馮君偉 劉勛豐 陳 巍

(南昌航空大學(xué)，無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室，南昌 330063)

文 摘 采用便攜式超聲特征成像檢測系統(tǒng)全波列采集檢測信號，通過對缺陷特征信號的提取和重構(gòu)，實現(xiàn)自動識別，可適用于曲面等不規(guī)則面的檢測，定量精度達(dá)到0.1 mm。實驗結(jié)果表明低頻窄帶超聲換能器能夠減小銅網(wǎng)對聲波的衰減和畸變，超聲特征成像層析成像方法可以對表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP泡沫夾層中分層、沖擊和脫粘缺陷進(jìn)行識別并精確定位和定量。檢測方法快捷準(zhǔn)確、重復(fù)性好、可靠性高。

超聲特征成像，表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP泡沫夾層，分層，沖擊，脫粘

0 引言

CFRP泡沫夾層具有比強度和比剛度高、表面平整、穩(wěn)定性好、隔音與隔熱性及耐腐蝕性好等優(yōu)勢[1]，由于CFRP導(dǎo)電性能比金屬差，當(dāng)飛機遭到雷擊時，難以將高能量的電流傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)致大能量的聚集[2]，破壞材料結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響飛機的安全性能，因此必須對飛機復(fù)合材料部件進(jìn)行有效的雷擊防護(hù)[2]。表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP泡沫夾層是一種新型防雷擊材料，它將表面膠膜和導(dǎo)電金屬網(wǎng)結(jié)合為一體[2]，使用中將其鋪設(shè)在有防雷擊要求的CFRP外表面，通過導(dǎo)電金屬網(wǎng)將雷擊電流傳遞到機體放電部位即可達(dá)到良好雷擊防護(hù)效果[3]。制造、安裝、維修和使用的過程中，不可避免地會受到外物的沖擊[4]。這些低速沖擊會對泡沫夾層結(jié)構(gòu)的面板、夾芯及粘結(jié)層造成各種形式的損傷[1]。

在役檢測的目的不僅僅是及時發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)危險裝置安全運行的隱患并予以消除，更重要的是根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的早期缺陷及其發(fā)展程度[5](如疲勞裂紋的萌生與發(fā)展),在確定其方位、尺寸、形狀、取向和性質(zhì)的基礎(chǔ)上，還要對裝置或構(gòu)件能否繼續(xù)使用及其安全運行壽命進(jìn)行評價[6]。

超聲特征掃描成像檢測(F-Scan)是一種通過提取超聲信號特征進(jìn)行成像的方法，即使用工控機將材料的超聲信號進(jìn)行全波列采集，然后提取儲存在采集卡中的檢測信號，經(jīng)過數(shù)字濾波和處理后按不同的特征信號進(jìn)行成像顯示，由于被檢測工件內(nèi)部的不連續(xù)，如缺陷或損傷的差異，聲波在傳播時會產(chǎn)生變形。F-Scan通過對比有缺陷和無缺陷處波形的差異，運用缺陷波或者底波進(jìn)行層析成像實現(xiàn)缺陷的自動識別，提高缺陷的定量精度。F-Scan中所說的特征包括超聲波波型[7]和缺陷的特征[8]。

1 超聲特征成像缺陷檢測

1.1 帶有人工缺陷的CFRP試樣的制備

CFRP泡沫夾層結(jié)構(gòu)中碳纖維含量為70%，鋪層方式為90°/單面銅網(wǎng)(網(wǎng)格直徑0.3 mm，面積1 mm2)，鋪10層，泡沫為聚氨酯。

(1)分層缺陷：按缺陷的位置進(jìn)行設(shè)計，將正方形金屬片放入CFRP板中第9和第10層之間，之后，加熱加壓，放置24 h，制成帶分層缺陷的試樣。同時設(shè)計無銅網(wǎng)的CFRP板，缺陷放置位置相同(圖1)。

(a) 有銅網(wǎng)

(b) 無銅網(wǎng)

(2)沖擊缺陷：10層碳纖維，表面鋪有銅網(wǎng)，設(shè)計制作100 mm×100 mm低速沖擊試驗件。所造成的凹坑深度隨著沖擊能量的增加而增加。實驗使用的沖擊能量為3.61 J，沖擊點為試樣正中心(圖2)。

(3)脫粘缺陷：在表面銅網(wǎng)CFRP板的基材和泡沫之間放置雙層聚四氟乙烯薄膜，添加粘接劑，加熱加壓，放置24 h，制成脫粘缺陷試樣(圖3)。

1.2 便攜式超聲特征成像檢測系統(tǒng)

便攜式超聲特征掃描成像檢測系統(tǒng)，如圖4所示，上位機通過PLC發(fā)出脈沖信號和方向信號給步進(jìn)電機，控制步進(jìn)電機運動和方向。步進(jìn)電機帶動機械裝置運動，機械裝置通過絲杠傳動給光柵尺，光柵尺編碼信號反饋給同步電路，通過同步電路處理之后觸發(fā)超聲脈沖發(fā)射接收儀接收超聲信號，保證采集卡采集超聲信號與機械傳動光柵編碼同步。超聲檢測信號儲存在采集卡中，由超聲特征成像檢測系統(tǒng)軟件提取并處理成像。

圖4 便攜式超聲特征掃描成像檢測系統(tǒng)框圖

2 缺陷識別工藝

超聲波在銅網(wǎng)介質(zhì)中傳播，波形存在散射衰減，不僅降低了缺陷波和底面反射波的幅值，而且產(chǎn)生了很多種各不相同的波形，即林狀回波。而實際的缺陷反射波也可能被其覆蓋。不管是提高探傷儀的發(fā)射電壓，還是增加增益，“林狀回波”也同時增強。為了增加材料的強度和穩(wěn)定性，在材料的內(nèi)部，局部部位增加加強筋，超聲波在其部位傳播時，層狀回波和結(jié)構(gòu)回波變得復(fù)雜多樣?，F(xiàn)場檢測的材料較薄、外形不平整呈弧形，沖擊損傷和脫粘缺陷受表面結(jié)構(gòu)的影響，不一定有明顯的回波，缺陷的位置可能出現(xiàn)在表面及其近表面，因此，現(xiàn)場檢測難度大，聲波影響因素多，波形不光有損耗，還有畸變、展開、疊加和干涉。

不同頻率的換能器對材料進(jìn)行測試，如圖5所示。高頻換能器散射強、低頻換能器靈敏度低，由圖可知超聲換能器在使用頻率15 MHz時，超聲信號衰減快，波形散射嚴(yán)重，界面波和底波之間林狀回波較多，缺陷波無法識別；超聲換能器在使用頻率10 MHz時，林狀回波相對較少，但波形已經(jīng)發(fā)生畸變，起跳點上移，缺陷定量精度下降；超聲換能器在使用頻率5 MHz時，傳播能力強，聲波的繞射強，銅網(wǎng)對聲波的干擾降低，林狀回波少，因此，選擇5 MHz的換能器效果最佳。聲束變鈍和脈沖寬度增加，限制了檢測靈敏度的提高，因此使用定制低頻窄帶探頭。為了防止表面及其近表面的缺陷漏檢，可在探頭前端加入一定厚度的楔塊，保證界面波相對較窄，同時使用層析成像方法，有效的避免結(jié)構(gòu)回波的干擾。

圖5 不同探頭、同一位置材料中的波形圖

3 結(jié)果與討論

對分層缺陷試樣進(jìn)行超聲特征掃描成像檢測，如圖6所示。

圖6 分層缺陷特征成像

通過調(diào)節(jié)閘門的高度和閘門的范圍，選擇合適的位置。使用缺陷波進(jìn)行成像，圖中無缺陷的位置幅值低，呈現(xiàn)為黑色，有缺陷的位置幅值高，自動用顏色標(biāo)注出來，從而獲得清晰的圖像。上圖為有銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)分層缺陷試樣，從圖中可知，超聲波經(jīng)過銅網(wǎng)時，波形發(fā)生散射衰減，一部分聲波無法被接收，因此缺陷成像中有局部缺失，從波形圖中可知(a)波形圖為無缺陷處的波形，底波明顯，幅值較高，(b)波形圖為缺陷處的波形，缺陷波較高，聲波大部分在到達(dá)底面之前進(jìn)行反射接收，因此底波降低明顯，幅值較低；下圖為無銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)分層缺陷試樣，從圖中可知，缺陷圖像信息完整，聲波衰減小，幅值較高。通過超聲層析能自動判斷缺陷的大小以及缺陷的深度。

對沖擊損傷試樣進(jìn)行超聲特征掃描成像檢測，如圖7所示。

圖7 沖擊損傷特征成像

通過調(diào)節(jié)閘門的高度和閘門的范圍，選擇合適的位置。使用深度信息進(jìn)行成像，從圖中可知，沖擊部位纖維斷裂，聲波傳播過程中散射強，同時由于聲波方向發(fā)生改變，反射波無法被接收，因此底波幅值降低嚴(yán)重，無沖擊部位，底波清晰，幅值較高，通過超聲層析，獲得清晰的特征掃描圖像，從圖中可知，沖擊缺陷深度方向上每一層開裂的大小和方向，沖擊缺陷的整體形貌特征和最大的沖擊損傷面積。

黏接劑選擇不當(dāng)或固化不完全此種材料容易出現(xiàn)泡沫與基體材料的脫粘缺陷，進(jìn)行檢測時發(fā)現(xiàn)無聚四氟乙烯薄膜處泡沫與碳纖維板之間的界面波很低，大部分甚至消失。證明母材與泡沫之間粘接性能良好。放置聚四氟乙烯薄膜處，波形明顯，證明母材與泡沫之間存在脫粘缺陷，泡沫本身屬于吸波材料，如果不存在缺陷無界面回波，出現(xiàn)缺陷存在界面回波，因此可以很容易地判斷。對脫粘缺陷試樣進(jìn)行超聲特征掃描成像檢測，如圖8所示，母材和泡沫之間的聲阻抗差異較大，同時泡沫屬于吸波材料。

圖8 脫粘缺陷特征成像

超聲波到達(dá)泡沫之后，只有很少的一部分反射回來被探頭接收，大部分都被泡沫吸收無法反射回來，因此界面波會較低。通過調(diào)節(jié)閘門的高度和閘門的范圍，選擇合適的位置。使用界面波進(jìn)行成像，由(a)波形圖可知，泡沫區(qū)域，聲波衰減較大，無界面波出現(xiàn)，(c)波形圖可知，母材區(qū)域，底波明顯，幅值較高，(b)波形圖可知，脫粘區(qū)域，界面波明顯，幅值較高。通過超聲層析，獲得清晰的特征掃描圖像，從圖中可知，圓形區(qū)域為脫粘缺陷，密密麻麻的黑白區(qū)域為泡沫，外圍純色為母材區(qū)域。脫粘缺陷大小和深度可自動識別。

4 結(jié)論

(1)超聲特征成像層析成像方法可以有效的對表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP泡沫夾層中分層缺陷、沖擊缺陷和脫粘缺陷進(jìn)行識別并精確定位和定量。

(2)設(shè)計并制作的低頻窄帶超聲換能器傳播能力強，聲波的繞射強，銅網(wǎng)對聲波的干擾降低，林狀回波少，減小銅網(wǎng)對聲波的衰減和畸變。

(3)便攜式成像系統(tǒng)可適用于曲面等不規(guī)則面的檢測，定量精度達(dá)到0.1 mm。

(4)檢測方法快捷準(zhǔn)確，檢測結(jié)果重復(fù)性好、可靠性高。

[1] 王杰.復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)低速沖擊與沖擊后壓縮性能研究[D].上海交通大學(xué),2013.

[2] 龔佑宏,韓舒,楊霓虹,等.表面銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)CFRP銑削加工性能研究[J].航空制造技術(shù),2015(19):40-42.

[3] 朱健健,李夢.航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)雷擊損傷與雷擊防護(hù)的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報,2015,29(17):37-42.

[4] 徐穎.復(fù)合材料層合板沖擊損傷及沖擊后疲勞壽命研究[D].南京航空航天大學(xué),2007.

[5] 王蕾.在用壓力容器無損檢測技術(shù)的原理和應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2011(7):170-171.

[6] 吳偉.基于PLC和觸摸屏的磁粉探傷控制器研制[D].南昌航空大學(xué),2007.

[7] 劉勛豐,朱毅.特殊結(jié)構(gòu)的超聲特征成像檢測[C]∥全球華人無損檢測高峰論壇.2011.

[8] 鄧延.先進(jìn)復(fù)合材料超聲C掃描檢測技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2006.

Ultrasonic Feature Imaging Testing of CFRP Sandwich Structure

LU Minghui FENG Junwei LIU Xunfeng CHEN Wei

(Key Laboratory of Nondestructive Testing of Ministry of Education, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063)

Using the portable ultrasonic feature imaging testing system of full wave acquisition of test signal,can be realize through the extraction and reconstruction of defect feature signal, automatic identification of defects,which can be applied to the surface and irregular surface detection with quantitative accuracy of 0.1 mm. The experimental results show that the low-frequency narrowband ultrasonic transducer can reduce the copper net on the acoustic attenuation and distortion, ultrasonic feature imaging tomography method can identify layered surface copper net structure of CFRP foam sandwich defects effectively,accurate recognige the location of impact of defects and debonding defects and quantification. The detection method is fast, accurate, reproducible and reliable

Ultrasonic feature imaging, Surface copper mesh CFRP foam sandwich, Delamination defect, Impact damage, Debonding defect

2016-11-11；

2017-04-14

陸銘慧，1963年出生，博士后，教授，主要從事超聲檢測研究及教學(xué)。E-mail：lunara@163.com

馮君偉，1991年出生，碩士，主要從事超聲檢測研究。E-mail：376692682@qq.com

TB553

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.03.018