基于重疊預(yù)埋物的超聲縱向精度檢測(cè)方法

傅天航，劉松平，李樂(lè)剛

(中國(guó)航空制造技術(shù)研究院復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 101300)

超聲檢測(cè)是一門綜合技術(shù)，集傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、模式識(shí)別和圖像顯示等技術(shù)于一體，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、航空航天、冶金等領(lǐng)域[1]。在超聲檢測(cè)技術(shù)眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)一直都是研究的熱點(diǎn)，是工業(yè)生產(chǎn)中保證產(chǎn)品質(zhì)量與使用性能的重要手段。當(dāng)今世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都越來(lái)越重視超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。國(guó)外無(wú)損檢測(cè)的文獻(xiàn)資料中，有關(guān)超聲無(wú)損檢測(cè)內(nèi)容的比例約占45%[2]。

近些年，我國(guó)在飛機(jī)制造領(lǐng)域有了很大進(jìn)展，突破性成果是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上大量應(yīng)用，這也是衡量飛機(jī)先進(jìn)程度的重要指標(biāo)。與金屬結(jié)構(gòu)相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRC)的強(qiáng)度–質(zhì)量比更高，可大大降低飛機(jī)質(zhì)量[3–6]。具有不同檢測(cè)靈敏度的多種無(wú)損檢測(cè)方法可用于CFRC無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，如渦流[7]、X 射線[8–9]、超聲[10–14]、聲發(fā)射[15]、紅外熱成像[16]。對(duì)于CFRC，在眾多無(wú)損檢測(cè)方法中，超聲無(wú)損檢測(cè)方法是最有效和應(yīng)用最廣的檢測(cè)方法[17–22]。超聲無(wú)損檢測(cè)是使用超聲換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波將傳播并與介質(zhì)相互作用，會(huì)因缺陷、分層或界面分離引起的材料密度變化而被反射，從而實(shí)現(xiàn)超聲無(wú)損檢測(cè)。

超聲無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，需要超聲檢測(cè)儀和超聲換能器匹配使用，匹配后的檢測(cè)能力直接影響CFRC 的內(nèi)部質(zhì)量和使用安全。因此，國(guó)內(nèi)外針對(duì)超聲檢測(cè)儀和超聲換能器，發(fā)布了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)試檢測(cè)能力。國(guó)內(nèi)如《JB／T 9214–2010 無(wú)損檢測(cè)A 型脈沖反射式超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作性能測(cè)試方法》、《JJG 746 超聲探傷儀檢定規(guī)程》、《GB／T 18694–2002 無(wú)損檢測(cè)超聲檢驗(yàn)探頭及其聲場(chǎng)的表征》、《GB／T 11345–2013 焊縫無(wú)損檢測(cè)超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》等。國(guó)外如《ASTM E317-16不使用電子測(cè)量?jī)x器評(píng)估超聲脈沖回波檢測(cè)儀器和系統(tǒng)性能特性的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程》等。

超聲縱向精度是指分辨超聲波傳播方向上兩個(gè)缺陷的能力。對(duì)于CFRC，內(nèi)部為層結(jié)構(gòu)，每層厚度約為0.13 mm，常見(jiàn)的分層、孔隙和夾雜等缺陷一般位于層與層之間。因此，對(duì)超聲檢測(cè)儀搭配超聲換能器使用時(shí)的超聲縱向精度有很高的要求，需能夠分辨兩個(gè)相鄰鋪層的缺陷，即超聲縱向精度能夠達(dá)到單層預(yù)浸料厚度。上述這些標(biāo)準(zhǔn)均使用專用的電子儀器或金屬試塊，但CFRC 在材料性質(zhì)、成型工藝、成品制件狀態(tài)、幾何尺寸加工以及無(wú)損檢測(cè)要求等方面均與金屬材料有很大的不同，使用上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的測(cè)試無(wú)法代表所使用的超聲檢測(cè)儀和超聲換能器在CFRP 中的檢測(cè)能力。針對(duì)此問(wèn)題，筆者提出了一種專門用于CFRC 超聲無(wú)損檢測(cè)儀縱向檢測(cè)精度的階梯式嵌入物的CFRC 試塊，并基于此CFRC 試塊，測(cè)了不同超聲檢測(cè)儀搭配不同超聲換能器情況下的超聲縱向精度和超聲脈沖周期數(shù)。

1 聲學(xué)檢測(cè)原理

1.1 聲學(xué)原理

超聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，在超聲波傳播路徑上的質(zhì)點(diǎn)，會(huì)在超聲波到達(dá)時(shí)在平衡位置附近振動(dòng)。超聲波在固體中進(jìn)行傳播時(shí)，會(huì)由于介質(zhì)的粘滯性造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，造成聲波的衰減；同時(shí)，超聲波在固體中傳播也滿足反射和透射原理。超聲無(wú)損檢測(cè)主要是基于超聲波在液體或固體中傳播時(shí)發(fā)生的反射和透射特性，通過(guò)測(cè)量介質(zhì)中某一點(diǎn)的聲壓實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測(cè)。

如圖1 所示，超聲波在入射到兩介質(zhì)界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和透射。

圖1 超聲波的入射、反射和折射

當(dāng)入射角為θi時(shí)，入射聲壓沿x 方向的分量Pi為：

式(1)、(2)、(3)中，ω 為聲源簡(jiǎn)諧振動(dòng)的圓頻率；C1為介質(zhì)1 中的聲速，C2為介質(zhì)2 中的聲速。

由此可知兩介質(zhì)分界面上反射聲壓和入射聲壓的之比rp為：

兩介質(zhì)分界面上透射聲壓和入射聲壓之比tp為：

由式(4)、(5)可知，反射聲壓和透射聲壓僅與聲波的入射角度、透射角度以及介質(zhì)1 的密度、介質(zhì)2密度、介質(zhì)1 中的聲速、介質(zhì)2 中的聲速有關(guān)。

1.2 CFRC 聲學(xué)特性分析

CFRC 為層結(jié)構(gòu)，缺陷延伸方向基本與表面平行。因此，在進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)時(shí)，通常要求入射波垂直于CFRC 表面，即== 0。則式(4)、(5)可簡(jiǎn)化為：

由此可知，反射聲壓強(qiáng)度和透射聲壓強(qiáng)度僅與兩種介質(zhì)的密度和聲速有關(guān)。

CFRC 中常見(jiàn)的缺陷為分層，其密度與空氣接近，即ρ2≈340 m／s，c2≈1.29 kg／m3。CFRC 密度ρ1≈1.60 kg／m3，聲速c1≈3 000 m／s，則超聲波傳播到CFRP 與缺陷的界面時(shí)：

這表示入射聲波會(huì)反射大約83%。式(8)中的負(fù)號(hào)表示缺陷反射回波信號(hào)的相位與入射聲波相位相反。

因此，可在CFRC 內(nèi)預(yù)埋密度和聲速與CFRC差異很大的異物，用于模擬CFRC 中分層缺陷，從而對(duì)超聲檢測(cè)儀及超聲換能器的檢測(cè)性能進(jìn)行評(píng)估。

2 超聲縱向精度檢測(cè)方法

針對(duì)CFRC 的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌重疊預(yù)埋物的檢測(cè)試塊，用于超聲縱向精度的檢測(cè)，如圖2 所示。試塊長(zhǎng)L=100 mm，寬W=80 mm，厚度H=5 mm。

圖2 檢測(cè)試塊設(shè)計(jì)圖

試塊中預(yù)埋了2 個(gè)部分重疊的圓形預(yù)埋物I1和I2，直徑D=10 mm，預(yù)埋物I1和I2在垂直于鋪層方向間隔層數(shù)n=1，預(yù)埋物I1和I2在平行于鋪層方向間隔Δd=D／2=5 mm。預(yù)埋物I1距試塊表面的距離。

根據(jù)上述CFRC 聲學(xué)檢測(cè)原理，移動(dòng)超聲換能器至任意預(yù)埋物I1上方，使預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)R1幅值達(dá)到最大；調(diào)節(jié)超聲檢測(cè)儀增益，使預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)R1幅值達(dá)到滿屏刻度的80%；向I2方向緩慢移動(dòng)超聲換能器，使預(yù)埋物I1和I2反射回波信號(hào)R1和R2幅值相近且達(dá)到最高，如圖3 所示。圖3 中，N 為試塊表面回波信號(hào)，F(xiàn) 為底面回波信號(hào)。

圖3 超聲縱向精度檢測(cè)方法

當(dāng)預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，視為能夠區(qū)分預(yù)埋物I1和I2。此時(shí)，若hl為CFRC 單層厚度，則超聲縱向精度AL為：

當(dāng)預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置沒(méi)有與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，視為無(wú)法區(qū)分預(yù)埋物I1和I2，則超聲檢測(cè)儀及匹配使用的超聲換能器的超聲縱向精度無(wú)法達(dá)到一層預(yù)浸料厚度，不建議進(jìn)行CFRC 的超聲無(wú)損檢測(cè)。

3 超聲縱向精度檢測(cè)條件

3.1 超聲檢測(cè)儀

使用的超聲檢測(cè)儀為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀(如圖4 所示)和FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀(如圖5 所示)，以及英國(guó)聲納公司生產(chǎn)的700M 超聲檢測(cè)儀(如圖6 所示)。其中，F(xiàn)CC–B–1 為模擬式超聲檢測(cè)儀，F(xiàn)CC–D–1 和700M 為數(shù)字式超聲檢測(cè)。

圖4 FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀

圖5 FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀

圖6 M 超聲檢測(cè)儀

3.2 超聲換能器

超聲換能器為中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FJ–1 超聲換能器和FJ–1W 超聲換能器以及美國(guó)通用電氣公司生產(chǎn)的ALPHA 超聲換能器，見(jiàn)圖7。其中，F(xiàn)J–1 和ALPHA 頻率為5MHz，F(xiàn)J–1W 頻率為2.25MHz。

圖7 超聲換能器

3.3 檢測(cè)試塊

根據(jù)前述內(nèi)容制備了檢測(cè)試塊，如圖8 所示。材料為碳纖維復(fù)合材料，單層厚度hl=0.13 mm。

圖8 檢測(cè)試塊

4 超聲縱向精度檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析

4.1 超聲縱向精度檢測(cè)

(1) FCC–B–1 搭配FJ–1 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖9 所示。圖9 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖9 可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器時(shí)的超聲縱向精度為：

圖9 FCC–B–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號(hào)

(2) FCC–B–1 搭配ALPHA 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖10 所示。圖10 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖10 中可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2沒(méi)有分離，則FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器的超聲縱向精度沒(méi)有達(dá)到一層預(yù)浸料厚度。

圖10 FCC–B–1／ALPHA 典型超聲A–顯示信號(hào)

(3) FCC–B–1 搭配FJ–1W 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖11 所示。

圖11 FCC–B–1／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號(hào)

從圖11 可以看到，預(yù)埋物I1 反射回波信號(hào)R1已經(jīng)與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2基本重合，無(wú)法區(qū)分R1和R2，則FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W超聲換能器的超聲縱向精度沒(méi)有達(dá)到一層預(yù)浸料厚度。

(4) FCC–D–1 搭配FJ–1 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖12 所示。

圖12 FCC–D–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號(hào)

圖12 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖12 可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器時(shí)的超聲縱向精度為：

(5) FCC–D–1 搭配ALPHA 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖13 所示。圖13 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖13 中可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器時(shí)的超聲縱向精度為：

圖13 FCC–D–1／FJ–1 典型超聲A–顯示信號(hào)

(6) FCC–D–1 搭配FJ–1W 檢測(cè)結(jié)果。

使用FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖14 所示。

圖14 FCC–D–1／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號(hào)

從圖14 可看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1已經(jīng)與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2基本重合，無(wú)法區(qū)分R1和R2，F(xiàn)CC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度沒(méi)有達(dá)到一層預(yù)浸料厚度。

(7) 700M 搭配FJ–1 檢測(cè)結(jié)果。

使用700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖15 所示。

圖15 M／FJ–1 典型超聲A–顯示信號(hào)

圖15 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖15 可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，根據(jù)式(9)可得700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器時(shí)的超聲縱向精度為：

(8) 700M 搭配ALPHA 檢測(cè)結(jié)果。

使用700M 超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖16 所示。圖16 中，R1為預(yù)埋物I1的反射回波信號(hào)，R2為預(yù)埋物I2的反射回波信號(hào)。從圖16 中可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1在滿屏刻度20%位置明顯與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2分離，根據(jù)式(9)可得FCC–D–1超聲檢測(cè)儀搭配ALPHA 超聲換能器時(shí)的超聲縱向精度為：

圖16 M／ALPHA 典型超聲A–顯示信號(hào)

(9) 700M 搭配FJ–1W 檢測(cè)結(jié)果。

使用700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W 超聲換能器的典型超聲A–顯示信號(hào)如圖17 所示。從圖17可以看到，預(yù)埋物I1反射回波信號(hào)R1已經(jīng)與預(yù)埋物I2反射回波信號(hào)R2基本重合，無(wú)法區(qū)分R1和R2，則700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度沒(méi)有達(dá)到一層預(yù)浸料厚度。

圖17 M／FJ–1W 典型超聲A–顯示信號(hào)

4.2 數(shù)據(jù)分析

表1 是對(duì)不同超聲檢測(cè)儀搭配不同超聲換能器進(jìn)行超聲縱向精度檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比。從表1 可以看出，F(xiàn)J–1 超聲換能器具有0.13 mm 的超聲縱向檢測(cè)精度，并且搭配3 種型號(hào)的超聲檢測(cè)儀均能夠達(dá)到0.13 mm 的超聲縱向檢測(cè)精度。FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測(cè)儀的超聲縱向檢測(cè)精度均大于0.13 mm，無(wú)法有效區(qū)分相鄰兩層的缺陷。

表1 超聲縱向精度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比 mm

觀察圖9～圖17 可以發(fā)現(xiàn)，超聲脈沖寬度也會(huì)影響超聲縱向檢測(cè)精度。超聲脈沖寬度需要通過(guò)專門的電子儀器進(jìn)行測(cè)量，但超聲脈沖寬度最直觀的表現(xiàn)形式是超聲脈沖周期數(shù)。圖18 為通過(guò)分析圖9～圖11 得到的FCC–B–1 超聲檢測(cè)儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖18 FCC–B–1 超聲脈沖周期數(shù)

圖19 為通過(guò)分析圖12～圖14 得到的FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖19 FCC–D–1 超聲脈沖周期數(shù)

圖20 為通過(guò)分析圖15～圖17 得到的700M超聲檢測(cè)儀搭配不同超聲換能器的超聲脈沖周期數(shù)。

圖20 700M 超聲脈沖周期數(shù)

通過(guò)圖18～圖20 中的數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)CC–B–1 和FCC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器具有很好的超聲脈沖周期數(shù)，能夠達(dá)到1 個(gè)周期，因此在延超聲波傳播方向具有很好的檢測(cè)能力。FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測(cè)儀的超聲脈沖周期數(shù)均在2 周以上，因此在延超聲波傳播方向的檢測(cè)能力較弱。這和超聲縱向檢測(cè)精度的試驗(yàn)結(jié)果一致。

5 結(jié)論

針對(duì)CFRC 的材料特點(diǎn)和無(wú)損檢測(cè)要求，制備了一種專門用于超聲縱向精度檢測(cè)的試塊，并使用該檢測(cè)試塊，依據(jù)筆者提出的超聲縱向精度檢測(cè)方法，測(cè)試了FCC–B–1、FCC–D–1 和700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1、ALPHA 和FJ–1W 超聲換能器的超聲縱向精度。測(cè)試結(jié)果表明：

(1) FJ–1 超聲換能器搭配3 種超聲檢測(cè)儀均能達(dá)到0.13 mm 的超聲縱向精度和1 周的超聲脈沖周期數(shù)；

(2) FCC–D–1 和700M 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1和ALPHA 超聲換能器時(shí)能夠達(dá)到0.13 mm 的超聲縱向精度；

(3) FJ–1W 超聲換能器搭配3 種超聲檢測(cè)時(shí)均無(wú)法達(dá)到0.13 mm 的超聲縱向精度，并且超聲脈沖周期數(shù)均大于2 周，無(wú)法分辨兩相鄰層的缺陷；

(4)綜合超聲縱向精度的測(cè)試結(jié)果和超聲脈沖周期數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，F(xiàn)CC–D–1 超聲檢測(cè)儀搭配FJ–1 超聲換能器時(shí)具有最好的檢測(cè)性能。