CFRP薄壁件超聲波檢測(cè)中延遲塊與零件表面狀態(tài)影響研究

付玉鵬，張海兵

1.海翔機(jī)械廠 河北邯鄲 057150

2.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 山東青島 266041

1 序言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的服役損傷主要有分層、脫沾、沖擊損傷、鋪層開(kāi)裂、壓坑、鼓包及燒傷等。局部損傷將導(dǎo)致CFRP結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降，而分層損傷是碳纖維復(fù)合材料較為常見(jiàn)的損傷之一，CFRP在工作過(guò)程中，時(shí)常受到壓力作用，由于分層損傷的存在，容易使整體結(jié)構(gòu)在一定的壓力作用下發(fā)生分層擴(kuò)展，從而導(dǎo)致其他形式的缺陷出現(xiàn)，致使其整體結(jié)構(gòu)提前發(fā)生失效[1]。檢測(cè)CFRP分層和缺陷深度位置至關(guān)重要。因此，本文對(duì)超聲波檢測(cè)過(guò)程中對(duì)影響分層和缺陷深度判定的延遲塊與零件表面狀態(tài)兩個(gè)因素進(jìn)行了分析。

2 CFRP檢測(cè)方法

CFRP常用的無(wú)損檢測(cè)方法有UT、X射線、紅外熱波等。由于復(fù)合材料構(gòu)件多為薄板類結(jié)構(gòu)（本文分析的厚度為5mm），分層缺陷多與零件上下表面平行，而UT的縱波脈沖反射法可以測(cè)定缺陷的深度位置。因此，UT方法是復(fù)合材料檢測(cè)中常用的、相對(duì)有效的檢測(cè)方法之一[2]。

在CFRP超聲波檢測(cè)時(shí)，為避免缺陷相位丟失，采用脈沖反射法A型顯示的未檢波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖1）[2]。

圖1 射頻波形（未檢波）

3 檢測(cè)方法及探頭的選擇

某CFRP為碳纖維、層壓結(jié)構(gòu)，試件尺寸為200mm×150mm×5mm，單層厚度約為0.125mm，內(nèi)部預(yù)埋6個(gè)尺寸相同、深度不同的缺陷（見(jiàn)圖2）。根據(jù)試件特點(diǎn)，選擇的檢測(cè)設(shè)備為GE Phasor XS超聲波檢測(cè)儀，設(shè)備具有RF功能，測(cè)量分辨力為5ns，測(cè)量范圍為5～2500mm，聲速為1000～16000m/s，增益為0～110dB，接收器延遲為0～10.24μs（見(jiàn)圖3）。

圖2 CFRP試件

圖3 超聲波檢測(cè)儀

檢測(cè)過(guò)程中不允許存在表面檢測(cè)盲區(qū)，而超聲波檢測(cè)的缺點(diǎn)之一就是存在檢測(cè)盲區(qū)。為了避免檢測(cè)盲區(qū)的存在，提高探頭檢測(cè)的分辨力，選用水囊探頭或帶延遲塊的直探頭來(lái)避免盲區(qū)的存在，而采用有機(jī)玻璃制作的延遲塊，相比水囊探頭價(jià)格便宜、更換方便。因此，選擇帶延遲塊的直探頭進(jìn)行檢測(cè)。

4 參數(shù)的確定

對(duì)于某CFRP，由于其結(jié)構(gòu)厚度小，因此超聲波衰減因素可不考慮，而是主要考慮檢測(cè)靈敏度、分辨力和定位精度。

（1）檢測(cè)頻率的選擇 查閱GJB 1038.1A—2004《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方法 第1部分 超聲波檢驗(yàn)》，對(duì)于薄板（厚度＜10mm）接觸式脈沖反射法聚焦探頭的頻率推薦采用2.5～20MHz，超聲波頻率高時(shí)，有波長(zhǎng)短、聲束窄等特點(diǎn)，因而發(fā)現(xiàn)小缺陷能力強(qiáng)，缺陷定位準(zhǔn)確。而頻率越高，衰減越大，因此選擇頻率為5MHz的聚焦探頭[3]。

（2）延遲塊厚度的選擇 采用A掃描時(shí)，延遲塊厚度的設(shè)計(jì)理論上應(yīng)滿足以下兩方面要求：①使超聲波在延遲塊中的傳輸時(shí)間必須大于在被檢材料中的傳輸時(shí)間，即應(yīng)保證延遲塊的第二次底波位于被檢材料的第一次底波之后。②厚度應(yīng)大于超聲波在延遲塊中的盲區(qū)。

例如，某CFRP的厚度為5mm，超聲波的傳播時(shí)間為：t＝s/c＝5×10-3/3200μs＝1.56μs。

延遲塊的最小厚度為：T＝2640×1.56×10-3mm＝4.1mm。

綜上所述，選用頻率5MHz、延遲塊直徑7.5mm、厚度9.5mm，對(duì)某CFRP進(jìn)行檢測(cè)（見(jiàn)圖4），結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 聚焦探頭及有機(jī)玻璃延遲塊

圖5 無(wú)缺陷波形

圖6 有缺陷波形

由試驗(yàn)結(jié)果可知，所選擇的參數(shù)以及延遲塊檢測(cè)靈敏度較高，可用于對(duì)某CFRP的檢測(cè)（見(jiàn)表1）。

表1 超聲波檢測(cè)工藝卡

5 影響檢測(cè)分層缺陷和缺陷深度的分析

在使用帶延遲塊的直探頭過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在延遲塊表面磨損和零件表面未耦合不良情況，下面對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究分析。

5.1 延遲塊表面磨損對(duì)檢測(cè)缺陷的影響

脈沖反射法的優(yōu)點(diǎn)之一就是可以利用傳播時(shí)間與距離的線性關(guān)系，通過(guò)A掃描時(shí)間基線的精確定標(biāo)或者根據(jù)已知聲速，由脈沖波在時(shí)間基線上的位置可對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。

由于被檢測(cè)零件為圓弧面且表面較為粗糙，因此在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)對(duì)延遲塊探頭表面造成磨損，磨損情況如圖7所示。

圖7 磨損延遲塊與正常延遲塊對(duì)比

從圖7可看出，磨損延遲塊與未磨損延遲塊相比，表面已經(jīng)與水平面形成了一定的角度，造成這種情況的原因是操作者在工作過(guò)程中用力不均勻。

由于所檢測(cè)CFRP構(gòu)件為薄板類結(jié)構(gòu)，分層缺陷多與表面平行，沿平面延伸分布，因此在復(fù)合材料檢測(cè)中應(yīng)使延遲塊與被檢測(cè)零件表面平行，即主平面與聲速軸線垂直。未磨損延遲塊波形如圖8所示。

圖8 接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法（有缺陷）

而當(dāng)延遲塊磨損后，缺陷波與底波都受到了不同程度的干擾，這是由于延遲塊磨損后，入射聲波在進(jìn)入被測(cè)零件后發(fā)生了折射現(xiàn)象，對(duì)探頭接收缺陷回波信號(hào)有一定影響，容易造成缺陷漏檢和定位不準(zhǔn)，其波形如圖9所示。

按照工藝要求，底波應(yīng)達(dá)到滿屏刻度的80%。通過(guò)未磨損延遲塊與磨損延遲塊波形對(duì)比（見(jiàn)圖10）發(fā)現(xiàn)，未磨損的延遲塊需要的增益為34.2dB，磨損的延遲塊底波高度為了達(dá)到工藝要求，只能通過(guò)加大增益來(lái)滿足，磨損的延遲塊需要的增益為46.2dB。

圖10 未磨損延遲塊與磨損延遲塊波形對(duì)比

未磨損延遲塊與磨損延遲塊缺陷波形對(duì)比如同圖11所示，圖11可看到，當(dāng)增益增大時(shí)顯示的雜波較多，會(huì)直接影響到對(duì)缺陷以及缺陷位置的判斷。

圖11 未磨損延遲塊與磨損延遲塊缺陷波形對(duì)比

5.2 零件表面耦合情況

CFRP超聲波檢測(cè)通常采用無(wú)氣泡的水作為耦合劑，當(dāng)零件表面粗糙或有油污時(shí)，耦合劑與零件表面之間會(huì)存在一層薄薄的氣膜，如圖12所示。

圖12 氣泡及存在氣膜的超聲波透射示意

由于空氣的聲阻抗可以忽略，因此幾乎沒(méi)有透射聲能，超聲波因不能進(jìn)入零件而直接被反射回來(lái)，就會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況：一是不能檢測(cè)出缺陷；二是在儀器上底波很小，這樣就不能很好地檢測(cè)出內(nèi)部缺陷。

由于零件表面耦合不良，在相同的增益下，底波減小，如圖13a所示。而當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)，缺陷波信號(hào)減小，如圖13b所示。

圖13 表面有氣膜的波形

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，CFRP在超聲波檢測(cè)過(guò)程中，延遲塊與被測(cè)零件表面的角度、零件的表面狀態(tài)都會(huì)對(duì)缺陷的檢測(cè)結(jié)果造成影響，因此提出以下建議。

1）操作者在工作過(guò)程中要時(shí)刻觀察延遲塊表面的情況，保持延遲塊表面與零件表面平行。

2）操作者在工作過(guò)程中不要按一個(gè)方向使用探頭，應(yīng)在使用一段時(shí)間后將延遲塊旋轉(zhuǎn)90°，再繼續(xù)使用，使探頭在各個(gè)方向上均勻受力。

3）在檢測(cè)前用干凈的棉布去除被檢測(cè)零件表面的油污，防止出現(xiàn)耦合不良的情況。