基于超聲相控陣的機織層合復(fù)合薄板試件內(nèi)部缺陷檢測方法

肖志濤， 郭永敏， 耿 磊， 吳 駿， 張 芳， 王 雯， 劉彥北

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 天津 300387)

機織層合板復(fù)合材料具有優(yōu)良的層間性能，在可設(shè)計性、整體成型性等方面具有明顯優(yōu)勢，在航空航天、船舶、汽車、建筑和醫(yī)療器械等方面具有廣泛的應(yīng)用[1]。在復(fù)合材料成型過程中，由于存在人為因素和工藝質(zhì)量的不穩(wěn)定性，產(chǎn)品很可能出現(xiàn)孔隙、疏松、夾雜、纖維不平直、樹脂固化不良等缺陷。當(dāng)這些缺陷單獨或者綜合起作用時，會影響構(gòu)件的性能。為保證生產(chǎn)使用過程的安全性，必須對材料內(nèi)部的缺陷有清楚的認(rèn)識，因此，除了采用嚴(yán)格的工藝以盡量避免產(chǎn)生缺陷之外，對缺陷進行有效檢測是保證材料可靠應(yīng)用的重要手段。

從20世紀(jì)60年代開始，國外已有研究機構(gòu)在超聲檢測、超聲C掃描檢測、微波及熱像技術(shù)等方面進行研究[2]。在此基礎(chǔ)上，Kalms等[3]利用激光超聲檢測方法對碳纖維復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了無損檢測研究，但激光設(shè)備復(fù)雜，敏感度較低，對于輕質(zhì)的復(fù)合材料不適用。Tomasz等[4]對復(fù)合材料缺陷檢測建立了有限元模型，該方法在分析工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況時需要耗費大量計算資源，不僅包括計算時間，還包括計算的內(nèi)存以及磁盤的空間等。國內(nèi)對復(fù)合材料的缺陷檢測方面的研究起步相對較晚，從20世紀(jì)70年代開始，劉松平等[5]研究了自動超聲掃描成像檢測、超聲T掃描成像，相比超聲相控陣的自動檢測，傳統(tǒng)的超聲掃描檢測速度慢，缺陷定位不準(zhǔn)確，檢測靈敏度不高；李懷富等[6]在超聲相控陣技術(shù)對復(fù)合材料檢測方面作了一定的研究；白小寶等[7]在檢測蜂窩復(fù)合材料方面給出了實驗案例，對復(fù)合材料進行沖擊缺陷檢測分析，但未對分布型缺陷進行檢測；天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所在聲發(fā)射方面也有一定的研究[8-10]，但聲發(fā)射需要對測試對象施加負(fù)載，難以確定缺陷類型；謝岳[11]將超聲檢測技術(shù)應(yīng)用到復(fù)合材料構(gòu)件的缺陷分析上；萬振凱等[12]研究了基于磁通圖像的三維編織復(fù)合材料試件內(nèi)部缺陷檢測方法，磁通成像方法對實驗環(huán)境有比較高的要求，需要低溫實驗，對環(huán)境噪聲敏感。這些研究在檢測復(fù)合材料方面都取得一定的成果，但是與發(fā)達國家相比，我國復(fù)合材料無損檢測技術(shù)的研究深度還有很大差距。

超聲波最初在第一次世界大戰(zhàn)時用于偵查水下目標(biāo)[14]，又從早期主要在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸到工業(yè)無損領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，國內(nèi)外已經(jīng)利用超聲相控陣技術(shù)分析復(fù)合材料缺陷，但是用超聲相控陣對機織復(fù)合材料進行無損檢測的研究很少。

基于上述問題，本文首先分析機織層合板復(fù)合材料試件分別同時激發(fā)超聲相控陣4、8、16個晶片得到相應(yīng)的超聲檢測結(jié)果圖。根據(jù)機織層合板復(fù)合材料各向異性的特點，在相控陣參數(shù)設(shè)置為最優(yōu)條件下對薄板機織層合板復(fù)合材料在橫縱向方向進行掃描檢測。采用超聲相控陣檢測法系統(tǒng)地對薄板機織層合板復(fù)合材料進行缺陷超聲掃描，得到超聲定位的缺陷區(qū)域并進行分析。最后掃描機織層合板復(fù)合材料得到超聲回波A掃描波形、B掃描圖像以及C掃描圖像，分析材料內(nèi)部缺陷情況，并對檢測到的缺陷進行定量分析及評價。

1 超聲相控陣檢測

1.1 實驗材料

本文選用北京Olympus 有限公司提供的Omni Scan MX2相控陣超聲探傷儀(32∶128通道)和5L64-NW1相控陣探頭，SNM1-OL-WP5的垂直楔塊，18 m×18 m的掃查器以及編碼器，對試件進行缺陷檢測；探頭共64個晶片，頻率為5 MHz，為了實現(xiàn)良好的耦合，在探頭和楔塊之間均勻抹上耦合劑，如圖1所示。參數(shù)設(shè)置依據(jù)向?qū)е甘疽徊酵瓿?，主要檢測參數(shù)的設(shè)置如表1所示。薄板機織層合板復(fù)合材料試件在天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所制備，試件尺寸為344 mm×153 mm×2 mm。

圖1 實驗圖Fig.1 Experimental figures. (a) Encoder; (b) Probe and matching straight wedge; (c) Experimental platform; (d) Horizontal scanning; (e) Vertical scanning; (f) Thin specimen

名稱參數(shù)名稱參數(shù)材料聲速2 330.0 m/s聲波類型 縱波法則配置0°線性掃查方式 掃查器掃查 聚焦深度2 mm成像顯示 A-B、A-C第一晶片1個掃查速度 30.0 mm/s最后晶片64個編碼器分辨率13步距/mm晶片步距1

1.2 實驗過程

檢測時，采用楔塊和試件直接接觸，作噴水耦合并對試件作100%掃查。相控陣探頭通過掃查器移動在薄板機織復(fù)合材料表面進行B掃描及C掃描，先粗掃確定缺陷的大致位置，根據(jù)得到的圖像分析其大小、形狀及位置。掃描過程中先對試件進行橫向掃查，再對試件進行縱向掃查，根據(jù)掃描結(jié)果比較2種情況下缺陷顯示圖像，分析同一位置的缺陷顯示。檢測過程中還需要根據(jù)具體情況調(diào)整閘門、增益等，在A掃描顯示中將閘門置于始波與底波之間，這樣由閘門采集到的信號就轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的C掃描圖像，使用掃查器對試件進行100%掃查，以獲得比較清晰的檢測圖像。成像顯示方面主要是A-B-C成像方式顯示缺陷信息。得到薄板機織復(fù)合材料掃描圖像后，通過TomoView 2.10軟件來顯示得到的A、B、C掃描圖，并通過移動參考光標(biāo)和測量光標(biāo)得出缺陷的相關(guān)信息。在超聲無損檢測中，通過分析超聲相控陣掃查得到的A掃描圖的波形以及對應(yīng)的B掃描圖和C掃描圖獲得缺陷的自身大小、性質(zhì)和形狀等信息。

圖2 0°聲束聲場圖Fig.2 0°beam sound field diagram. (a) 4 elements; (b) 8 elements; (c) 16 elements

2 實驗結(jié)果分析

2.1 激發(fā)陣元數(shù)對聲場的影響

在利用超聲相控陣系統(tǒng)檢測機織復(fù)合材料時，聲束是由各個陣元發(fā)射聲波相干所得，由于1次同時激發(fā)探頭中陣元的數(shù)量不同，會通過不同的聚焦法則達到聲束的偏轉(zhuǎn)，則不同的陣元數(shù)量一定會影響著聲場的效果，因此，為了改善成像效果，對設(shè)置同時激發(fā)陣元的數(shù)量進行了分析比較。首先，通過MatLab 軟件進行相應(yīng)的聲場仿真，以對比3組陣元(4、8、16陣元)的聲場效果，得到的聲場圖像如圖2所示。

對比圖2中3個聲場圖可以看出：16陣元產(chǎn)生的聲束能量集中，匯聚效果最好；同時激發(fā)4陣元時形成的聲束最為發(fā)散；而8陣元合成的聲束性能介于4陣元和16陣元之間，聲束能量匯聚的深度范圍大于4陣元而小于16陣元的范圍。因此，聲束的指向性和能量匯聚程度與參與合成聲束的陣元數(shù)量有關(guān)，1組陣元數(shù)被激發(fā)的越多，合成的聲束指向性就越好，聲束能量匯聚的深度范圍越大。

本文選用的相控陣系統(tǒng)包含32個通道，則最大同時激發(fā)陣元數(shù)為32個。分別就4、8、16陣元為1組的探頭陣列的成像效果進行了對比。圖像檢測數(shù)據(jù)是經(jīng)過Tomoview 2.10軟件濾波處理的，同時A掃數(shù)據(jù)也是檢波后的整流數(shù)據(jù)。圖3～5分別是對試件進行超聲相控陣掃查1次同時激發(fā)4、8、16個陣元時得到的A、B、C掃描圖。

圖3中A掃描圖的左圖無缺陷波形圖表示的是C掃描圖左圖無缺陷圖像中直線交點位置的波形變化，B掃描圖的左圖(無缺陷)對應(yīng)的是C掃描圖的左無缺陷圖像。同樣A掃描圖的右圖有缺陷波形圖也是對應(yīng)B、C掃描有缺陷圖；圖4、5中的A、B、C掃描圖也表示同樣的意義。

注：左為定位無缺陷點；右為定位有缺陷點。圖3 同時激發(fā)4個陣元掃查圖Fig.3 Scanning figures by firing 4 elements at the same time.(a) A-scan; (b) B-scan; (c) C-scan

注：左為定位無缺陷點；右為定位有缺陷點。圖4 同時激發(fā)8個陣元掃查圖Fig.4 Scanning figures by firing 8 elements at the same time. (a) A-scan; (b) B-scan; (c) C-scan

注：左為定位無缺陷點；右為定位有缺陷點。圖5 同時激發(fā)16個陣元掃查圖Fig.5 Scanning figures by firing 16 elements at the same time. (a) A-scan; (b) B-scan; (c) C-scan

一般來講，在其他設(shè)置相同的情況下，被激發(fā)陣元數(shù)量越多聚焦能力越好，輻射超聲波的能量也就越大，發(fā)現(xiàn)遠距離缺陷的能力就越強。但是就本文所選的厚度為2 mm的薄板機織層合板復(fù)合材料來說，一方面是由于材料的厚度比較薄，另一方面該試件的衰減性比較強。由圖3～5可知，并不是被激發(fā)陣元的數(shù)量越多實驗效果越好，在同時激發(fā)4個陣元時B掃描圖中顯示更多的二次回波的干擾并且在C掃描圖中顯示更多的噪聲；在同時激發(fā)8個陣元時可以看出B掃描圖和C掃描圖都有比較好的效果；而在同時激發(fā)16個陣元時同樣可以看到，C掃描圖是有較多的噪聲并且出現(xiàn)了誤檢和漏檢點。

實驗表明，為了保證最佳成像效果，探頭陣列每組陣元數(shù)量越多，聲束的能量匯聚效果越好，成像結(jié)果越佳[15]，但是，圖3～5同時表明，針對不同的檢測深度和所選試件材質(zhì)，每組被同時激發(fā)的數(shù)目并不是數(shù)量越多越好。陣元數(shù)量較少時，對于檢測厚度比較薄的板以及缺陷距離探頭較近處成像效果較好；陣元數(shù)量較多時，距離探頭較遠處的成像效果較好。由此應(yīng)該根據(jù)被檢試件的厚度和缺陷的具體位置來確定每組被激發(fā)陣元的數(shù)量。由上述實驗可以看出，正確的選擇陣元的數(shù)量是缺陷檢測的關(guān)鍵因素。對于本文所選試件以及選取的探頭型號，最終選取同時激發(fā)8陣元以達到最佳成像效果。

2.2 試件橫縱向掃查

根據(jù)選取的試件將超聲相控陣設(shè)置為1次同時激發(fā)8個陣元時能夠得到最優(yōu)結(jié)果。針對1次同時激發(fā)8個陣元時對試件橫縱向掃查結(jié)果進行分析比較，觀察得到的Tomoview軟件的橫向和縱向掃查圖發(fā)現(xiàn)，縱向掃查圖幾乎分辨不出缺陷，結(jié)果如圖6所示。

圖6 橫縱方向掃查圖Fig.6 Scanning figures at horizontal and vertical direction. (a) Tomoview (horizontal scanning); (b) Tomoview (vertical scanning); (c) Horizontal scanning of same position (A-C-S); (d) Vertical scanning of same position (A-C-S)

在實驗過程中，通過調(diào)整相控陣設(shè)備的設(shè)置參數(shù)(一次激發(fā)陣元數(shù)量、聚焦深度等)來判斷出現(xiàn)這種現(xiàn)象的影響因素。一般的復(fù)合材料在平面方向具有各向同性，而機織復(fù)合材料在制作過程中，增強纖維在復(fù)合材料中呈空間多向分布，這樣的結(jié)構(gòu)使纖維表現(xiàn)各向異性等特征。而本文選取的試件由于機織工藝的不同呈現(xiàn)的狀態(tài)也是各向異性的。移動探頭掃查的方向能夠改變底面波的波形，由圖6(c)中同一位置橫向掃查圖可以看到探頭在橫向放置掃查時底面波是連續(xù)的，在縱向放置掃描圖6(d)得到的底面波是離散的，且可以看到表面波向下凸出的點正好與底面波斷點處相對應(yīng)?？紤]到探頭的工作原理和選取的試件的機織工藝，主要影響因素可歸結(jié)為2類：一是探頭的排布實現(xiàn)的聚焦；二是材料的各向異性。

以上主要是針對探頭在被檢試件上放置的方向展開討論并進行實驗。實驗結(jié)果表明，對于本文選取的試件是采用特殊的機織工藝得到的機織復(fù)合材料，具有各向異性以及探頭陣元排布聚焦的特性，在橫向放置掃查時呈現(xiàn)出最佳的成像效果。

2.3 缺陷的定量分析

為了正確評價圖像中缺陷的個數(shù)、大小和特征，研究超聲C掃描圖像是非常有意義的。一般情況下，超聲C掃描成像就是把掃描點位的超聲缺陷波信號大小轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的顏色，用不同的顏色填充掃描點位周圍區(qū)域來描述其信號特性，反映工件在這一點的狀態(tài)[16]。

通過以上實驗分析，在對被檢試件進行超聲相控陣掃查時，同時激發(fā)探頭8個陣元能夠?qū)崿F(xiàn)很好的成像效果，最后對缺陷進行確定以及定量分析。掃查復(fù)合材料得到的掃描圖如圖7所示?？梢钥闯鲱伾臼蔷鶆蚍植嫉?，對應(yīng)的B掃描圖大概看到存在3處缺陷(圖中標(biāo)注)，在Tomoview軟件中移動光標(biāo)在C掃描圖像中的位置，綜合參考A掃描波形的變化以及波幅的大小，可以確定3處缺陷存在2處偽缺陷，當(dāng)光標(biāo)移動到缺陷1、2、3處時分別對應(yīng)的波形圖如圖8所示。

圖7 掃查復(fù)合材料得到的C掃描圖和B掃描圖Fig.7 C-scan(a)and B-scan(b)diagram by scanning of composite material

從波形圖可以看出，在這點只存在表面波和底面波，閘門內(nèi)不包括缺陷波。缺陷1類似缺陷的點狀圖像，實為界面波偽缺陷；缺陷2處所對應(yīng)的波形圖在閘門內(nèi)除了有表面波和底面波，還包括缺陷波，雖然包含缺陷波，但是一般對材料中直徑小于2 mm的缺陷不作研究；對于缺陷3，從此位置的A掃描波形圖可以看出，除了存在表面波和底面波外，還存在波幅很強的缺陷波，并且在Tomoview軟件中隨著光標(biāo)的移動此區(qū)域都存在缺陷波，可判斷此處形成的缺陷可歸為密集氣孔(形狀不規(guī)則的成群氣孔呈區(qū)域化分布)，一般情況下，對于密集氣孔超聲相控陣掃查的時候一般是根據(jù)A掃描波形圖的底波和C掃描共同來判斷，但是對于圖7中的缺陷3來講，在反復(fù)掃查過程中可觀察到此缺陷介于小缺陷和一般缺陷中間，觀察A掃描圖(見圖8(c))可以發(fā)現(xiàn)此區(qū)域都有缺陷波存在，因此，缺陷3可歸結(jié)為形成的形狀為圓孔的密集氣孔。

圖8 缺陷1，2，3對應(yīng)的波形圖Fig.8 Corresponding waveform diagram of defects 1(a), 2(b) and 3(c)

通過以上對缺陷1、2、3的分析，可以判斷缺陷3在試件中是真實存在的，在超聲相控陣掃查試件時將探頭移動到缺陷3的位置，計算參考光標(biāo)和測量光標(biāo)之間的距離，測出的是1個直徑為2.02 mm的圓孔缺陷，如圖9所示。

圖9 缺陷3成像圖Fig.9 Figure of defect 3

3 結(jié) 論

1)應(yīng)用超聲相控陣檢測法掃描得到的超聲A掃描波形、B掃描圖像以及C掃描圖像分析試件內(nèi)部缺陷情況，這說明超聲相控陣檢測技術(shù)能夠?qū)C織層合板復(fù)合材料內(nèi)部缺陷進行實時成像檢測。

2)在相控陣參數(shù)設(shè)置為最優(yōu)條件下對試件進行橫縱不同方向的掃描得到不同的掃描結(jié)果，這說明機織層合板復(fù)合材料的各向異性會影響超聲的傳播。

3)應(yīng)用超聲相控陣檢測法準(zhǔn)確顯示了機織層合板復(fù)合材料試件內(nèi)部缺陷的位置、形狀和大小。

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