復(fù)雜曲面粘接結(jié)構(gòu)的陣列成像檢測(cè)

陸銘慧，劉 洋，陳祎婷，劉勛豐，黃嘉誠(chéng)，董星宇

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

隨著材料需求的擴(kuò)大，簡(jiǎn)單復(fù)合材料已經(jīng)很難滿足多性能要求，多層粘接復(fù)合材料憑借其組合性能多樣、綜合性能優(yōu)越、設(shè)計(jì)研發(fā)經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，成為研究最為活躍、應(yīng)用更為廣泛的新材料。直升機(jī)槳葉前緣加熱組件是由不銹鋼和橡膠粘接制成，橡膠中夾有加熱阻絲[1]，整體厚度為毫米級(jí)，屬于薄壁多層粘接結(jié)構(gòu)[2-4]。加熱組件整體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜曲面，截面呈“U”形，槳根到槳尖位置的截面形狀變化緩慢，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在制造、使用過(guò)程中，直升機(jī)旋翼前緣因制作工藝特殊，其加熱組件復(fù)合層易出現(xiàn)脫粘缺陷。脫粘缺陷的產(chǎn)生有以下兩方面原因[5]：① 加熱組件生產(chǎn)加工過(guò)程中，容易受到粘接劑和工藝影響，粘接處可能會(huì)出現(xiàn)空氣層，即脫粘缺陷；② 直升機(jī)旋翼在服役時(shí)，會(huì)因?yàn)檩d荷作用出現(xiàn)疲勞損傷，進(jìn)而產(chǎn)生脫粘缺陷。脫粘缺陷會(huì)造成加熱組件的剝離及損壞，導(dǎo)致槳葉得不到良好的保護(hù)，嚴(yán)重影響直升機(jī)的整體安全，因此對(duì)旋翼前緣加熱組件復(fù)合層的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)極為必要。

圖1 加熱組件結(jié)構(gòu)示意

目前超聲方法是粘接缺陷的主要無(wú)損檢測(cè)方法，可準(zhǔn)確地檢測(cè)出材料粘接界面的脫粘缺陷，保證粘接質(zhì)量[6]。YONATHAN等[7]利用空氣耦合超聲換能器，提出了一種損傷可視化的同步掃描策略，用于脫粘和弱粘檢測(cè)。ROTH 等[8]利用壓電晶片主動(dòng)傳感器測(cè)量脫粘周?chē)Y(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗變化來(lái)檢測(cè)脫粘缺陷，結(jié)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以在早期階段檢測(cè)到脫粘缺陷的出現(xiàn)。 SHANG等[9]采用電磁超聲方法對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和保溫層的粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確判斷缺陷的位置。LI 等[10]提出了一種利用導(dǎo)波檢測(cè)復(fù)合材料脫粘的方法，并通過(guò)E-X(能量-位置)曲線定量計(jì)算出脫粘的尺寸。王昌盛等[11]針對(duì)風(fēng)電葉片前緣粘接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了窄脈沖高分辨率的超聲波雙晶探頭進(jìn)行檢測(cè)，能夠獲得明顯的缺陷回波。李建存[12]針對(duì)Cf/PA6復(fù)合材料和AA6061鋁合金板材的粘接缺陷進(jìn)行檢測(cè)，提出了超聲連續(xù)檢測(cè)和步進(jìn)式兩點(diǎn)靜態(tài)檢測(cè)方法。陸銘慧等[13]使用非線性超聲評(píng)價(jià)纖維-金屬層板的粘接質(zhì)量，并提出運(yùn)用2階和3階非線性系數(shù)進(jìn)行纖維-金屬粘接層的評(píng)價(jià)。盛濤等[14]針對(duì)復(fù)合殼體膠接質(zhì)量的檢測(cè)開(kāi)發(fā)了一套自動(dòng)化超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，成功檢測(cè)出φ5 mm及以上的脫粘缺陷。但是針對(duì)直升機(jī)槳葉前緣加熱組件粘接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷檢測(cè)的研究還比較少。由于直升機(jī)槳葉前緣加熱組件為特殊的復(fù)雜曲面粘接結(jié)構(gòu)，常規(guī)超聲方法較難保證穩(wěn)定的連續(xù)檢測(cè)，所以目前應(yīng)用較多的檢測(cè)方法是電加熱法和加熱組件與槳葉復(fù)合后的 敲擊檢測(cè)法，前者缺陷檢出能力較低，后者檢測(cè)效率較低且對(duì)檢測(cè)人員要求極高。

文章研究了聲波在多層介質(zhì)中的傳播規(guī)律，設(shè)計(jì)制作了加熱組件人工脫粘缺陷試樣及加熱組件專用陣列掃查探頭，對(duì)加熱組件進(jìn)行了超聲陣列成像檢測(cè)，成功檢出加熱組件不銹鋼-橡膠層中的脫粘缺陷，成像結(jié)果與實(shí)際缺陷形貌高度一致。

1 聲波在多層介質(zhì)中的傳播規(guī)律

以三層介質(zhì)為例，假設(shè)存在一個(gè)聲壓P0=1的超聲波從介質(zhì)1垂直入射到薄層介質(zhì)2中，其內(nèi)部聲壓的傳播過(guò)程如圖2所示，為了更好地表現(xiàn)超聲波在層間的反射透射過(guò)程，圖中將實(shí)際垂直反射的路徑轉(zhuǎn)化為曲線。

圖2 聲波在三層介質(zhì)中的傳播示意圖

圖2中P0為入射波聲壓，Pn(n=1,2,3，…)為介質(zhì)1、2界面的多次反射回波聲壓，Tn(n=1,2,3，…)為介質(zhì)2、3界面的多次透射波聲壓。通過(guò)計(jì)算可得到界面I位置的反射回波聲壓Pm(m=2，3，4,…)的表達(dá)式[見(jiàn)式(1)]，由式(1)可知每次反射的回波幅值逐漸遞減。在界面I處全部反射回波疊加的表達(dá)式和在界面Ⅱ處全部透射波疊加的表達(dá)式分別如式(2)、(3)所示。

Pm=t12r23t21e-2jk2l(r23r21e-2jk2l)m-2

(1)

(2)

(3)

式中:l為介質(zhì)2的厚度;rij和tij(i，j=1,2,3)分別為由介質(zhì)i入射到介質(zhì)j的聲壓反射率和聲壓透射率；k2為介質(zhì)2的波數(shù)。

多層介質(zhì)中的反射回波聲壓公式可以由三層介質(zhì)中的反射回波聲壓公式推導(dǎo)得出。對(duì)于四層介質(zhì)，探頭接收到的回波是由3部分疊加而成的，分別為：① 在介質(zhì)1、2界面反射的回波；② 在介質(zhì)1、2界面透射，介質(zhì)2、3界面反射，最終返回介質(zhì)1中被接收的回波；③ 在介質(zhì)1、2和2、3界面都透射，介質(zhì)3、4界面反射，返回到介質(zhì)1中被接收的回波。整理三層介質(zhì)的反射透射回波聲壓公式，得到四層介質(zhì)的回波聲壓公式如式(4)所示。

(4)

式中：第一項(xiàng)為介質(zhì)1、2界面的反射回波；第二項(xiàng)為介質(zhì)2、3界面的總反射回波；第三項(xiàng)為介質(zhì)3、4界面的總反射回波;d為介質(zhì)的厚度;k3為介質(zhì)3的波數(shù)。

在槳葉前緣加熱組件的實(shí)際檢測(cè)中，由于其結(jié)構(gòu)為緩慢變化的復(fù)雜曲面，常規(guī)探頭的硬接觸不能保證每個(gè)檢測(cè)位置的良好耦合，無(wú)法滿足整體檢測(cè)需求。為了提升耦合效果，可采用軟接觸的方式，如在探頭前端加裝橡膠儲(chǔ)水囊作為水膜。所以在該檢測(cè)模型中介質(zhì)1為橡膠，介質(zhì)2為不銹鋼，介質(zhì)3為橡膠，介質(zhì)4為空氣。橡膠的聲阻抗只有1.9X106kg·m-2·s-1,而不銹鋼的聲阻抗卻高達(dá)46X106kg·m-2·s-1，不銹鋼與橡膠的聲阻抗差距大，所以不銹鋼層的上下兩個(gè)界面都是高反射界面，入射波從不銹鋼層入射到II界面或者反射波從不銹鋼層返回I界面都會(huì)產(chǎn)生高反射，即r23和r21較大，而橡膠層的衰減極大，穿過(guò)橡膠層后反射并回到介質(zhì)1中的超聲波聲壓很低，因此公式(4)的第三項(xiàng)數(shù)值很小，探頭接收到的回波主要是水膜層的反射波和不銹鋼層中的多次反射波，且不銹鋼層中的多次反射波幅值隨著反射次數(shù)增加迅速下降。當(dāng)工件出現(xiàn)脫粘缺陷時(shí)，介質(zhì)3變?yōu)榭諝?，聲阻抗僅為440 kg·m-2·s-1，r23增大到接近1，超聲波在不銹鋼層中形成的多次反射波幅值下降較慢。為了避免水膜層的反射波對(duì)缺陷識(shí)別的影響，應(yīng)采取排空水膜中的微氣泡、涂抹適量耦合劑保持探頭與工件的可靠耦合、操作探頭檢測(cè)時(shí)保證用力均勻等措施，保證水膜層的反射波不變，實(shí)際超聲信號(hào)的變化只反映不銹鋼-橡膠層的粘接質(zhì)量變化。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用5077PR型脈沖發(fā)射接收儀、數(shù)字示波器和超聲探頭搭建A掃描試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，采用直接接觸的方式進(jìn)行耦合，探頭垂直耦合在加熱組件工件表面。

圖3 A掃描試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，選用中心頻率為10 MHz、晶片直徑為3 mm的超聲平探頭，探頭分別置于無(wú)缺陷處和脫粘缺陷處的檢測(cè)信號(hào)如圖4所示(幅值無(wú)量綱)。由圖4波形圖可見(jiàn)，超聲波多次反射且幅值逐漸下降，與理論分析基本一致。對(duì)比正常位置和脫粘缺陷位置的檢測(cè)信號(hào)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱組件不銹鋼-橡膠層出現(xiàn)脫粘缺陷時(shí)，超聲波信號(hào)在不銹鋼-橡膠層的反射增大，入射超聲波在不銹鋼層中多次反射的波幅幅值下降緩慢。超聲波在不銹鋼層中多次反射后，有缺陷和無(wú)缺陷位置的超聲波幅值差異明顯，因此可根據(jù)該特征來(lái)評(píng)估加熱組件的粘接質(zhì)量。

圖4 無(wú)缺陷處及脫粘缺陷處的檢測(cè)信號(hào)

單探頭脈沖反射法的檢測(cè)操作較為簡(jiǎn)單，對(duì)檢測(cè)人員的要求不高，但加熱組件整體展向長(zhǎng)度約6 m，檢測(cè)面積較大，單探頭檢測(cè)效率較低，檢測(cè)人員長(zhǎng)期集中精力觀察波形容易疲勞導(dǎo)致漏檢，且該方法無(wú)法直觀成像。

針對(duì)單探頭超聲反射法無(wú)法成像且效率極低的情況，提出了超聲陣列成像檢測(cè)方法。采用特制陣列探頭，改變耦合方式，通過(guò)特定的聚焦法則對(duì)特制陣列探頭陣元進(jìn)行激發(fā)，利用相控陣波束的合成，形成成像掃描線，進(jìn)行線形掃描；輔以?shī)A持工裝及編碼器掃查，利用聲波在脫粘缺陷處的多次反射特性，框選多次反射波信號(hào)進(jìn)行C掃描成像，實(shí)現(xiàn)加熱組件的脫粘缺陷成像檢測(cè)。

3 檢測(cè)及結(jié)果

3.1 探頭設(shè)計(jì)

3.1.1 側(cè)邊陣列探頭設(shè)計(jì)

由于加熱組件的截面一直在變化，且都帶有一定的弧度，采用常規(guī)的有機(jī)玻璃楔塊難以保證探頭與工件的可靠耦合，給成像帶來(lái)極大的困難。根據(jù)加熱組件的變化曲面設(shè)計(jì)水膜探頭，向水膜內(nèi)充水，水膜接觸而不是平面時(shí)能自適應(yīng)改變耦合面，保證探頭與工件的可靠耦合。由于側(cè)邊結(jié)構(gòu)近似平面，所以采用平面線陣探頭加裝水膜設(shè)計(jì)，側(cè)邊加裝編碼器滑輪及扶手，在便于滑動(dòng)的同時(shí)也能獲取實(shí)時(shí)位置信息。探頭頻率為5 MHz、陣元數(shù)為128、陣元間距為1.5 mm、陣元長(zhǎng)度為10 mm。側(cè)邊掃查探頭如圖5所示。

圖5 側(cè)邊掃查陣列探頭

3.1.2 R角陣列探頭設(shè)計(jì)

由于R角曲率過(guò)大，用平面探頭難以保證聲波垂直入射工件，所以采用3D掃描建模方法獲取R角的特殊尺寸信息，根據(jù)加熱組件展向R角尺寸的變化取均值設(shè)計(jì)曲面探頭。陣元晶片沿曲面排列，可保證任意位置的超聲波近似垂直入射。配以?shī)A持工裝輔助探頭在R角上穩(wěn)定移動(dòng)，再配以編碼器和滑輪，保證探頭的移動(dòng)流暢性。由于R角的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且檢測(cè)精度要求較高，故設(shè)計(jì)探頭頻率為7.5 MHz、陣元數(shù)為64、陣元間距為0.6 mm、陣元長(zhǎng)度為10 mm。R角掃查陣列探頭如圖6所示。

圖6 R角掃查陣列探頭

3.2 試樣制備

設(shè)計(jì)制作加熱組件人工脫粘缺陷試樣，試樣尺寸為200 mmX100 mmX2.5 mm(長(zhǎng)×寬×厚)。在加熱組件試樣的不銹鋼和橡膠粘接過(guò)程中，在試樣中心30 mm×30 mm(長(zhǎng)×寬)區(qū)域內(nèi)涂抹脫粘劑，其他位置正常涂抹膠水進(jìn)行真空加壓粘接，制成人工脫粘缺陷試樣，試樣結(jié)構(gòu)如圖7所示，圖中白色區(qū)域?yàn)轭A(yù)制脫粘區(qū)域。

圖7 人工缺陷試樣結(jié)構(gòu)示意

受限于試樣制作工藝，實(shí)際脫粘缺陷形狀較難控制，所以試樣制作完成后，通過(guò)高精度超聲水浸特征掃描系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行掃描獲得缺陷的形貌，得到的掃描結(jié)果如圖8所示，圖中白色區(qū)域?yàn)樵嚇用撜橙毕荨?/p>

圖8 人工試樣水浸特征掃描形貌

3.3 檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 試樣檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)設(shè)備為PA32型超聲相控陣檢測(cè)儀，使用探頭為側(cè)邊掃查陣列探頭，采用線性掃查方式進(jìn)行電子掃描，激發(fā)孔徑設(shè)置為9陣元，即按照陣元排列順序依次激勵(lì)9陣元進(jìn)行一組聚焦發(fā)射接收，每組陣元聚焦發(fā)射時(shí)聲束聚焦于該組陣元中心的正下方，聲束將以恒定的角度和聚焦深度沿著陣列方向掃查。電壓為90 V，掃描步進(jìn)為1 mm，成像顏色為彩色成像。按照預(yù)置檢測(cè)參數(shù)對(duì)缺陷試樣進(jìn)行檢測(cè)，得到C掃描圖像如圖9所示,可見(jiàn)，與高精度超聲水浸特征掃描結(jié)果對(duì)比，該方法能夠準(zhǔn)確地掃描出預(yù)置缺陷的形貌。

圖9 試樣脫粘缺陷的陣列C掃描成像

測(cè)量陣列成像結(jié)果中缺陷的長(zhǎng)度方向與寬度方向的最大尺寸，得到的結(jié)果與實(shí)際尺寸的對(duì)比如表1所示。由表1可知，成像結(jié)果的尺寸與實(shí)際缺陷的尺寸誤差較小。

表1 試樣缺陷的成像尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比

3.3.2 實(shí)際產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果

使用特制R角掃查陣列探頭對(duì)實(shí)際加熱組件R角進(jìn)行掃查，掃查方向?yàn)榧訜峤M件展向，R角掃查示意如圖10所示。

圖10 實(shí)際加熱組件R角掃查示意

將加熱組件R角朝上，豎直放置于支架上，在加熱組件待檢區(qū)域內(nèi)噴涂上適量耦合劑，保證足夠的透聲性和滑動(dòng)能力；傾斜探頭，將探頭水膜出水口置于比入水口更高的高度位置，通過(guò)注水裝置給水膜內(nèi)持續(xù)注入純凈水，并振動(dòng)探頭，使附著于探頭上的氣泡以及懸浮的氣泡隨著水流從出水口流出，排空水膜內(nèi)的氣泡，保證水膜層的反射波不變。將R角掃查陣列探頭夾持于加熱組件R角區(qū)的起點(diǎn)位置，確認(rèn)滾輪、編碼器以及探頭與工件表面可靠耦合。在檢測(cè)設(shè)備中輸入對(duì)應(yīng)的探頭預(yù)制參數(shù)，開(kāi)啟設(shè)備數(shù)據(jù)采集，人工勻速推動(dòng)探頭在加熱組件R角上運(yùn)動(dòng)，由槳根運(yùn)行到槳尖，完成R角區(qū)的陣列成像檢測(cè)。翻轉(zhuǎn)加熱組件，使加熱組件的側(cè)面朝上，更換側(cè)邊陣列探頭，掃查方向?yàn)檠丶訜峤M件弦向。

圖11 實(shí)際加熱組件R角脫粘缺陷的陣列成像

完成加熱組件的成像檢測(cè)后，打開(kāi)數(shù)據(jù)回放，得到加熱組件R角和側(cè)邊脫粘缺陷的陣列成像分別如圖11，12所示，從圖中可以直觀地觀察到脫粘缺陷的形貌。為了驗(yàn)證成像的準(zhǔn)確性，將加熱組件與槳葉進(jìn)行復(fù)合，再通過(guò)剝離裝置將不銹鋼層剝離，觀察層間的脫粘缺陷，得到的對(duì)應(yīng)缺陷位置剖面圖如圖13、14所示，其中橢圓框中為脫粘缺陷。

圖12 實(shí)際加熱組件側(cè)邊脫粘缺陷的陣列成像

圖13 實(shí)際加熱組件R角脫粘缺陷剖面圖

圖14 實(shí)際加熱組件側(cè)邊脫粘缺陷剖面圖

從解剖圖可以看出明顯的脫粘缺陷，與陣列成像圖對(duì)比，實(shí)際缺陷區(qū)域與檢測(cè)結(jié)果形貌高度一致，說(shuō)明該方法能夠有效地檢測(cè)出實(shí)際加熱組件的脫粘缺陷。

對(duì)成像圖中的缺陷進(jìn)行尺寸測(cè)量，得到缺陷長(zhǎng)度方向與寬度方向的最大尺寸，并在解剖工件上對(duì)實(shí)際缺陷進(jìn)行相應(yīng)的尺寸測(cè)量，得到R角及側(cè)邊處的缺陷尺寸，成像尺寸與實(shí)際尺寸的對(duì)比分別如表2，3所示。由對(duì)比結(jié)果可知，缺陷成像尺寸與實(shí)際尺寸誤差較小，均小于4%，可見(jiàn)該檢測(cè)方法定量較為準(zhǔn)確。

表2 加熱組件R角缺陷的成像尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比

表3 加熱組件側(cè)邊缺陷的成像尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比

由成像結(jié)果可以看出缺陷邊界不夠清晰，分析認(rèn)為，脫粘缺陷的邊界區(qū)域呈現(xiàn)一種弱粘接的狀態(tài)，聲波在傳播至弱粘接界面時(shí)，產(chǎn)生的多次反射波的幅值下降與正常位置聲波幅值下降的差異較小，成像精度不夠，所以缺陷邊界不清晰。在后續(xù)研究中可通過(guò)引入信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理超聲陣列數(shù)據(jù)，提高成像精度，使脫粘缺陷顯示更完整清晰。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 通過(guò)對(duì)薄壁多層介質(zhì)聲波傳播規(guī)律的理論分析，找到了聲波在不銹鋼層中有缺陷和無(wú)缺陷位置多次反射波的幅值降低存在差異的特征，并通過(guò)試驗(yàn)證明了理論的正確性。

(2) 針對(duì)加熱組件粘接結(jié)構(gòu)的陣列成像檢測(cè)，設(shè)計(jì)了加熱組件專用陣列探頭，實(shí)現(xiàn)了加熱組件各區(qū)域的成像檢測(cè)。

(3) 試驗(yàn)結(jié)果表明，采用陣列成像檢測(cè)方法能夠檢出試樣中的人工缺陷，且可有效地檢測(cè)出實(shí)際前緣加熱組件不銹鋼-橡膠層中的脫粘缺陷，檢出圖像與實(shí)際缺陷形貌高度一致，成像清晰準(zhǔn)確。