復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁缺陷的超聲表征與評(píng)估

王 松,劉菲菲,劉松平,3,戶(hù)迎燦,楊玉森,李治應(yīng)

(1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,青島 266111;2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院 復(fù)合材料中心,北京 101300;3.中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司,北京 101300)

為了減輕軌道車(chē)輛質(zhì)量,提高能源利用率,增加軌道交通車(chē)輛舒適性,降低其制造成本,利用復(fù)合材料及其成形工藝制造軌道交通車(chē)輛關(guān)鍵零部件,已成為近年來(lái)重要的發(fā)展方向。軌道交通車(chē)輛中的超長(zhǎng)梁已經(jīng)開(kāi)始采用碳纖維復(fù)合材料拉擠工藝制造。與熱壓罐或液體成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝方法不同是,拉擠成型采用了快速固化樹(shù)脂,擠壓過(guò)程和固化行為是在局部完成的,纖維的牽引、樹(shù)脂浸潤(rùn)、加壓、固化、拉擠移動(dòng)時(shí)機(jī)等需要高度協(xié)調(diào)互動(dòng),在這一復(fù)雜拉擠成型過(guò)程中,意外因素或工藝細(xì)節(jié)的偏離可能會(huì)引入缺陷,而且缺陷行為和特征又與拉擠工藝密切有關(guān)。因此,為了保證復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁的質(zhì)量,進(jìn)行拉擠工藝優(yōu)化,首先需要研究和建立反映復(fù)合材料拉擠工藝特點(diǎn)的缺陷表征與評(píng)價(jià)方法,然后,按照產(chǎn)品質(zhì)量控制要求,對(duì)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)。

目前有關(guān)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方面文獻(xiàn)報(bào)道比較多,包括超聲[1-3]、X 射線[4]、紅外[5]、激光電子散斑(ESPI)[6]、高頻脈沖渦流[7]、微波[8]等方法。然而,這些研究沒(méi)有涉及復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估。從檢測(cè)原理上看,紅外、ESPI、渦流、微波等檢測(cè)方法不適用于復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁缺陷準(zhǔn)確表征與評(píng)估及檢測(cè),X射線檢測(cè)需要專(zhuān)門(mén)的輻射防護(hù),也不適用于復(fù)合材料超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的全覆蓋無(wú)損檢測(cè)。相比而言,超聲檢測(cè)是一種比較可行的檢測(cè)方法,因?yàn)閺?fù)合材料超聲評(píng)估與超聲波在其內(nèi)部的傳播行為密切有關(guān)[9],復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部細(xì)節(jié)變化(如擠壓層)及缺陷的存在會(huì)改變?nèi)肷渎暡ㄔ谄鋬?nèi)部的傳播行為,基于此變化可以進(jìn)行復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁缺陷表征與評(píng)估[10-12]。但該方法需要針對(duì)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁的特點(diǎn),研究建立相應(yīng)的缺陷表征與超聲評(píng)估方法。在絕大部分情況下,需要采用超聲反射法才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)(如超長(zhǎng)梁)的檢測(cè),這就對(duì)超聲檢測(cè)的分辨率和表面檢測(cè)盲區(qū)提出了非常高的要求,因此,超聲反射法檢測(cè)分辨率和表面缺陷檢出能力一直是復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域廣受關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題[13-14]。

針對(duì)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁特征、成型工藝特點(diǎn)以及拉擠造成的表面不平整狀態(tài)和缺陷,開(kāi)展了基于單脈沖超聲波在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生反射行為的缺陷表征與評(píng)估方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用超聲反射法可以得到高質(zhì)量的時(shí)域可分辨回波信號(hào),顯著改善了入射聲波在拉擠長(zhǎng)梁中形成的超聲信號(hào)時(shí)域的可分辨性,有利于提高復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁缺陷檢出和定性定量能力;通過(guò)超聲信號(hào)的時(shí)域特征及其成像特征可以有效地進(jìn)行復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁中缺陷表征與識(shí)別及評(píng)估;表面檢測(cè)盲區(qū)達(dá)到1 個(gè)復(fù)合材料鋪層厚度(約0.125 mm);檢出缺陷大小偏差,最大不超過(guò)1 mm,為復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁提供了一種有效的缺陷檢測(cè)與評(píng)估方法。

1 超聲檢測(cè)和試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 超聲檢測(cè)

復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁?jiǎn)蚊}沖超聲檢測(cè)方法示意如圖1所示,圖中,ui表示入射聲波;uf表示拉擠長(zhǎng)梁表面反射聲波;ub表示拉擠長(zhǎng)梁底面反射聲波;ud表示拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷反射聲波。采用超聲反射法,利用探頭向被檢測(cè)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁發(fā)射單脈沖周期超聲波,此超聲通過(guò)耦合介質(zhì)水,傳播到復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁表面,并與長(zhǎng)梁表面相互作用后,在其內(nèi)部形成反射聲波,由于是來(lái)自蒙皮-加強(qiáng)筋接頭區(qū)內(nèi)部材料對(duì)u i的彈性響應(yīng),當(dāng)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)、層間界面結(jié)合行為發(fā)生變化或者出現(xiàn)缺陷時(shí),會(huì)影響復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁對(duì)u i的彈性響應(yīng),當(dāng)這種彈性響應(yīng)足夠明顯時(shí),就會(huì)引起顯著的聲波反射行為,進(jìn)而在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁形成,經(jīng)探頭壓電轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖回波信號(hào),如果能夠使每個(gè)脈沖回波信號(hào)在時(shí)域上可分辨,就可確定發(fā)生彈性響應(yīng)變化的區(qū)域和位置,進(jìn)而用于拉擠長(zhǎng)梁缺陷的表征與評(píng)估。影響時(shí)域可分辨行為的因素主要有:①的脈沖回波信號(hào)響應(yīng)寬度;②構(gòu)成的單個(gè)脈沖回波信號(hào)的寬度;③構(gòu)成的脈沖個(gè)數(shù),即脈沖周期數(shù)。

圖1 復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁?jiǎn)蚊}沖超聲檢測(cè)方法示意

對(duì)于垂直入射超聲縱波檢測(cè),采用單脈沖超聲技術(shù)可以顯著改善超聲反射法表面檢測(cè)盲區(qū)和縱向分辨率[15-16]。在單脈沖超聲條件下,當(dāng)缺陷面積小于探頭聲束面積時(shí),來(lái)自復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁的超聲回波信號(hào)可以表示為

式(1)中的vf反映入射聲波在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁表面的耦合效果,vd與拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷有關(guān),vb反映長(zhǎng)梁底面的超聲波大小,與長(zhǎng)梁是否存在缺陷、缺陷類(lèi)型、長(zhǎng)梁內(nèi)部聲衰減特性等有關(guān)。利用式(1)中超聲信號(hào)之間的時(shí)域關(guān)系,可以確定檢出缺陷的深度位置和拉擠長(zhǎng)梁的局部厚度分布。

在單脈沖條件下,可以提取到來(lái)自不同復(fù)合材料層可能存在缺陷的超聲反射信號(hào)[15-16],從而實(shí)現(xiàn)拉擠長(zhǎng)梁缺陷的準(zhǔn)確表征和評(píng)估。

1.2 超聲系統(tǒng)

采用劉松平等研制的超聲掃描成像檢測(cè)系統(tǒng)和MUT-1型復(fù)合材料檢測(cè)儀器[17],構(gòu)建復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng),其基本組成如圖1(b)所示。使用FJ-1和FJ-2高分辨率復(fù)合材料超聲探頭(焦點(diǎn)約0.8 mm,焦距為50 mm,頻率為5 MHz),采用水膜耦合和噴水耦合方式,可進(jìn)行不同場(chǎng)景的復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁的超聲檢測(cè)。利用MUT-1型復(fù)合材料檢測(cè)儀器對(duì)拉擠長(zhǎng)梁試樣進(jìn)行掃查,獲取試樣中與每個(gè)檢測(cè)位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的超聲特征信號(hào)及實(shí)際位置,構(gòu)建基于單脈沖超聲回波信號(hào)特征的拉擠長(zhǎng)梁缺陷表征與評(píng)估方法。

1.3 試樣

為了利用單脈沖超聲行為進(jìn)行復(fù)合材料蒙皮-加強(qiáng)筋界面缺陷的超聲表征與評(píng)估,設(shè)計(jì)了3類(lèi)復(fù)合材料試樣。

第一組試樣(1#)為復(fù)合材料平板試樣,模擬復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁中蒙皮區(qū)分層,在該試樣中,分別在距離上(近表面第1個(gè)鋪層和第2個(gè)鋪層界面之間)、下表面第一個(gè)鋪層深度位置(近底面第1個(gè)鋪層和第2個(gè)鋪層界面之間,即近表面第39個(gè)鋪層和第40個(gè)鋪層界面之間)和二分之一深度位置(即近表面第19個(gè)鋪層和第20個(gè)鋪層界面之間)預(yù)置有?3 mm 的分層,以驗(yàn)證在單脈沖條件下的超聲波表面檢測(cè)盲區(qū)極限和不同深度分層的檢出能力。復(fù)合材料1#試樣及缺陷分布如圖2所示,圖中C1缺陷為位于試樣近表面第一至第二鋪層界面的分層;C2缺陷為位于試樣二分之一厚度處(對(duì)應(yīng)第19～20鋪層界面位置)的分層;C3缺陷為位于試樣近底面(對(duì)應(yīng)第39～40鋪層界面位置)第一至第二鋪層界面的分層。試樣厚度約5 mm(40個(gè)預(yù)浸料鋪層),試樣的尺寸為150 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬)。該試樣主要用于分析和驗(yàn)證單脈沖超聲波在不同深度位置的缺陷周?chē)a(chǎn)生回波信號(hào)的時(shí)域可分辨性和缺陷的檢出能力。

圖2 復(fù)合材料1#試樣及缺陷分布

第二組試樣(2#,3#)為典型的復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁制件,長(zhǎng)梁的截面形狀如圖1(b)所示,長(zhǎng)梁的實(shí)際厚度為7.5～9.5 mm,長(zhǎng)度分別為1.2 m 和2 m,在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部沒(méi)有預(yù)置缺陷。該組試樣主要用于驗(yàn)證所建立的單脈沖超聲方法對(duì)實(shí)際復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷表征與評(píng)估的檢測(cè)效果,得到長(zhǎng)梁內(nèi)部實(shí)際工藝缺陷及其對(duì)應(yīng)的單脈沖超聲信號(hào)特征,以便建立面向?qū)嶋H復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁成型工藝的單脈沖超聲表征與評(píng)估方法及缺陷判據(jù)。

1.4 試驗(yàn)方法

采用圖1所示的單脈沖超聲縱波方法和超聲系統(tǒng),針對(duì)1#,2#,3#試樣,將探頭放置在復(fù)合材料1#試樣一側(cè)進(jìn)行單脈沖超聲A掃描檢測(cè)試驗(yàn),記錄來(lái)自1#試樣中好區(qū)和不同深度缺陷區(qū)的單周脈沖超聲回波特征信號(hào),分析其時(shí)域行為和不同深度分層的檢出能力,確定最佳的超聲A 掃描試驗(yàn)參數(shù)。然后,利用此試驗(yàn)參數(shù),分別對(duì)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁2#,3#試樣進(jìn)行單周脈沖超聲A 掃描和超聲斷面成像(B掃描)檢測(cè)分析,分析單脈沖超聲回波信號(hào)和B掃描成像特征所展現(xiàn)的規(guī)律,驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果,進(jìn)行復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁中的分層、樹(shù)脂區(qū)、微氣孔、孔隙表征與評(píng)估及識(shí)別。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同深度分層的超聲反射行為

1#試樣的單脈沖超聲波A 掃描回波信號(hào)及其時(shí)域特征如圖3所示(vf為來(lái)自試樣表面聲波反射,vb為來(lái)自試樣底面聲波反射,'vb為vb的二次反射,vc1、vc2、vc3分別為來(lái)自分層C1、C2和C3的聲波反射,v'c2來(lái)自vc2的二次反射),其中:圖3(a)為1#試樣中1/2深度(20個(gè)鋪層厚度,約2.5 mm)的分層(C2分層)的單脈沖超聲回波信號(hào)vr;圖3(b)為1#試樣中深度為距離試樣底面單個(gè)鋪層厚度(0.125 mm)的分層(C3分層)的單脈沖超聲回波信號(hào)vr;圖3(c)為1#試樣中深度為單個(gè)鋪層厚度(0.125 mm)的分層(C1分層)的單脈沖超聲回波信號(hào);圖3(d)為1#試樣中好區(qū)的單脈沖超聲回波信號(hào)vr。

圖3 1#試樣的單脈沖超聲波A掃描回波信號(hào)及其時(shí)域特征

從圖3(d)中可以看出:①入射聲波u i在1#試樣中形成了非常清晰,且幅值足夠大的回波信號(hào)vr,vr包括vf、vb以及v'b,且沒(méi)有出現(xiàn)其他的額外聲波信號(hào),這表明,入射聲波在1#試樣內(nèi)部具有很好的穿透行為;②從vr的時(shí)域特性可以非常清晰地看出,vf和vb具有非常好的單周特性,用vf|{N≈1,tT≈0.26μs,vpp≈4.51 V}、vb|{N≈1,tT≈0.34μs,vpp≈3.19 V,tb-0≈3.22μs}表示vf和vb的時(shí)域特性,其中vpp為vf和vb的峰峰幅值,N為vf和vb的周期數(shù);tT為回波信號(hào)脈沖寬度;tb-0為底波與界波之間的時(shí)間差;③vb的時(shí)域?qū)挾?0.34μs)比vf的時(shí)域?qū)挾?0.26μs)明顯要寬,這主要來(lái)是受了波在復(fù)合材料中頻散現(xiàn)象的影響。利用tb-0≈3.22μs和1#試樣的厚度(約5mm),可以得出單脈沖超聲在復(fù)合材料中的傳播速度約為3 106m·s-1。

從圖3(c)中可以看出:①當(dāng)分層(C1)出現(xiàn)在近表面第1和第2個(gè)鋪層界面時(shí),來(lái)自分層的單脈沖超聲信號(hào)在時(shí)域上仍然清晰可分辨,如vc1所標(biāo)示的回波信號(hào)所示。②vb仍然可見(jiàn),同樣也具有很好的時(shí)域單周行為,vb|{N≈1,tT≈0.44μs,vpp≈0.61 V,tb0≈3.22μs},但相比圖3(d)中的vb,其幅值明顯減小,約減小14 d B。③vf|{N≈1,tT≈0.22μs,vpp≈4.76 V}附近出現(xiàn)了vc1,因?yàn)関c1與vf之間僅相差一個(gè)復(fù)合材料鋪層(約0.125 mm,即0.08μs),所以vc1與vf在時(shí)域上非常緊貼,甚至難以確定vc1與vf之間的tc1-0,進(jìn)而難以估測(cè)分層的深度。不過(guò),這完全不影響對(duì)近表面第1和第2個(gè)鋪層界面之間的分層(C1)的判別,也沒(méi)有改變其時(shí)域單周特性。

從圖3(b)中可以看出:①當(dāng)分層(C3)出現(xiàn)在近底表面第1和第2個(gè)鋪層界面時(shí),來(lái)自分層C3的單脈沖超聲信號(hào)在時(shí)域上清晰可分辨,如vc3所標(biāo)示的回波信號(hào)所示,此時(shí)有vc3|{N≈1,tT≈0.22μs,vpp≈1.65 V,tc3-0≈3.12μs},tc3-0為C3分層與試樣表面信號(hào)波間的時(shí)間差;②vb消失;③相比圖3(d)中的vf,此處的vf幅值有輕微下降,但其他時(shí)域特性未出現(xiàn)明顯變化,即此時(shí)有vf|{N≈1,tT≈0.24μs,vpp≈4.37 V};④根據(jù)tb0(3.22μs)和tc3-0(3.12μs)以及所測(cè)量的聲速(3 106 m·s-1),分層距離1#試樣底面的深度約為0.155 mm,約合1.24個(gè)鋪層,非常接近單個(gè)復(fù)合材料的標(biāo)稱(chēng)厚度0.125 mm。

從圖3(a)中可以看出:①當(dāng)分層(C2)出現(xiàn)在1#試樣1/2深度位置時(shí),來(lái)自分層的單脈沖超聲信號(hào)vc2和部分來(lái)自試樣底面的vb在時(shí)域上清晰可分辨,如圖中vc2和vb所標(biāo)示的回波信號(hào)所示,此時(shí)有vc2|{N≈1,tT≈0.20μs,vpp≈3.72 V,tc2-0≈1.54μs,vb|{N≈1,tT≈0.40μs,vpp≈1.04 V,tb-0≈3.18μs},tc2-0為C2分層和試樣表面信號(hào)回波之間的時(shí)間差,vc2和vb在時(shí)域上相差tb-c2≈1.54μs;②相比圖3(d)中的vb(vpp≈3.19 V),此處vb(vpp≈1.04 V)明顯減小,這是因?yàn)榇蟛糠致暡ㄔ诜謱覥2處產(chǎn)生了反射;③vr時(shí)域特性與圖3(b),(c),(d)中的完全一致,且vf|{N≈1,tT≈0.26μs,vpp≈4.45 V}幾乎與圖3(d)中的vf相同;④根據(jù)tc2-0(1.54μs)以及所測(cè)量的聲速(3 106 m·s-1)可得分層C2距離1#試樣表面的深度約為2.392 mm,約合19.132個(gè)鋪層,與實(shí)際預(yù)置的分層深度(19個(gè)鋪層)僅相差約0.132個(gè)鋪層。因此,在單周超聲波條件下,可以準(zhǔn)確地確定檢出分層所在的鋪層位置,這對(duì)準(zhǔn)確找出分層產(chǎn)生原因、進(jìn)行工藝優(yōu)化和分析分層對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響等都具有指導(dǎo)作用;⑤根據(jù)tb-0(3.18μs),可以得到vb距離試樣表面約4.939 mm,約合39.508個(gè)鋪層,與3#試樣的40個(gè)鋪層厚度僅相差0.492個(gè)鋪層。結(jié)合vb中的tT(≈0.40μs)及其波形特征可知vb是來(lái)自試樣底面的反射,而不是vc2的二次反射。因此,利用單脈沖超聲技術(shù)可以幫助確定檢出缺陷的深度和判別來(lái)自缺陷的多次反射行為,非常有利于提高缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確性。

圖3中結(jié)果還表明,來(lái)自分層的單脈沖超聲信號(hào)的相位與vb相同,與vf相反,而且來(lái)自分層的單脈沖超聲信號(hào)的tT要比來(lái)自試樣底面超聲信號(hào)tT小0.14～0.24μs,可見(jiàn)在單周超聲波條件下,可以根據(jù)超聲信號(hào)的時(shí)域?qū)挾扰袆e是來(lái)自近底面的分層還是底面反射,從而為近底面缺陷的可靠檢出提供了一種有效識(shí)別機(jī)制。

因此,利用單周超聲技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)近表面和近底面一個(gè)鋪層深度分層的準(zhǔn)確檢出,還可以準(zhǔn)確給出實(shí)際分層所在的鋪層深度,其最大偏差為0.492個(gè)鋪層,最小偏差為0.132個(gè)鋪層,均小于1個(gè)鋪層,有利于確定缺陷所在的鋪層位置。這將非常有利于揭示超聲波在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁中的反射行為,進(jìn)行不同深度缺陷的準(zhǔn)確檢出和拉擠工藝的優(yōu)化。

2.2 拉擠長(zhǎng)梁中超聲反射行為與信號(hào)特征

來(lái)自實(shí)際復(fù)合材料拉擠制件的典型超聲回波信號(hào)vr如圖4所示,其中,圖4(a)為拉擠長(zhǎng)梁2#制件的典型超聲回波信號(hào),圖4(b),(c)為來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁3#制件中不同位置的典型超聲回波信號(hào)。從圖4中的vf可以清晰地看出,盡管實(shí)際復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁表面出現(xiàn)了凹凸不平的情況,但采用所提超聲檢測(cè)系統(tǒng)和耦合方法,可以在拉擠長(zhǎng)梁表面形成穩(wěn)定的聲波耦合狀態(tài),這可以從圖4中vf的變化得到驗(yàn)證,例如,圖4(a)中的vf≈14.4 d B,圖4(b)中的vf≈14.4 d B,圖4(c)中的vf≈14.8 d B,可見(jiàn)其變化約為0.8 d B,屬于穩(wěn)定的信號(hào)變化效果。從圖4可以看出,入射聲波在復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁的底面均形成了底面反射,如圖4中vb所指示的回波信號(hào)所示,但vb的大小有所變化,圖4(a)中vb≈-4.2 dB,圖4(b)中vb≈-5.1 dB,圖4(c)中vb≈-3.7 dB,這與拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部產(chǎn)生的聲波反射有關(guān),顯然,在圖4(b)中來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部的聲波反射信號(hào)vp比圖4(a)中vp和圖4(c)中vp都要明顯,導(dǎo)致圖4(b)中vb最小。圖4的vp與圖3中vd明顯不同,表明vp不是來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部的分層聲波反射。而圖4中vb則與圖3中vb特征非常一致,表明利用vp的特征和變化規(guī)律,可以揭示復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部反射行為,進(jìn)而構(gòu)建缺陷識(shí)別方法。

圖4 復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁2#和3#制件的回波信號(hào)v r

此外,利用圖4中的vb和vf的時(shí)域特性還可以確定拉擠長(zhǎng)梁各個(gè)位置的局部厚度,對(duì)應(yīng)圖4(a)中2#制件的厚度約為7.36 mm(tb-f≈2.37μs),對(duì)應(yīng)圖4(b),(c)中3#制件厚度約為8.95 mm(tb-f≈2.88μs)和8.87 mm(tb-f≈2.86μs),可見(jiàn),即使是采取同樣的拉擠工藝,在拉擠長(zhǎng)梁的不同位置,其厚度也存在一定波動(dòng),采用所提超聲方法可以準(zhǔn)確地得到拉擠長(zhǎng)梁每個(gè)位置的局部厚度分布,非常有利于拉擠工藝優(yōu)化。

2.3 微氣孔與孔隙的超聲反射行為與判別

一組來(lái)自實(shí)際復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁3#制件中不同檢測(cè)位置的典型超聲回波信號(hào)vr如圖5所示,圖中,vf,vb所指示的回波信號(hào)分別來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁表面和底面聲波反射;vp指示的回波信號(hào)來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部聲波反射。其中,圖5(a)為拉擠長(zhǎng)梁3#制件的不同深度微氣孔的典型超聲回波信號(hào),可以清晰地看出不同深度微氣孔產(chǎn)生的聲波反射信號(hào),如vp所指示的回波信號(hào),而且此時(shí),不同深度微氣孔的存在使得聲波不能到達(dá)3#制件的底部,進(jìn)而導(dǎo)致vb消失;相比圖5(a),圖5(b)中vr最大的不同是,在vf附近和3#制件內(nèi)部出現(xiàn)了兩個(gè)微氣孔反射回波信號(hào),而且,此時(shí)vb仍然存在,這表明當(dāng)拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部微氣孔較少時(shí),入射聲波仍然可以傳播到拉擠長(zhǎng)梁底部,形成反射聲波;同樣的情況還出現(xiàn)在圖5(b)中的vr特征變化上,圖中來(lái)自不同深度的微氣孔的vp變?nèi)?因此,vb比圖5(b)中更明顯;根據(jù)vp的分布和大小變化特征,可以看出圖5(d)中除了來(lái)自單個(gè)近表面微氣孔形成的vp外,沒(méi)有出現(xiàn)其他明顯的聲波反射信號(hào)。因此,利用vp和vb變化特征可以進(jìn)行拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部微氣孔的識(shí)別。針對(duì)圖5中微氣孔,通常將其視為復(fù)合材料孔隙,利用孔隙含量進(jìn)行量化評(píng)估[17]。

圖5 復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁3#制件不同位置的回波信號(hào)v r

2.4 孔隙和樹(shù)脂區(qū)及分層超聲反射行為與識(shí)別

一組來(lái)自實(shí)際復(fù)合材料3#拉擠制件中不同檢測(cè)位置的典型超聲回波信號(hào)vr如圖6所示,在圖6(a)中除了看到來(lái)自3#制件內(nèi)部微氣孔的超聲回波信號(hào)vp外,還可以看到其內(nèi)部樹(shù)脂區(qū)的聲波反射信號(hào)ve,其中vp和ve的時(shí)域主要體現(xiàn)在相位和波形及幅值的變化上[15-16],同時(shí),當(dāng)孔隙含量不高(或孔隙不嚴(yán)重)時(shí)會(huì)出現(xiàn)vb。

圖6 復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁3#制件不同位置的回波信號(hào)v r

來(lái)自復(fù)合材料3#制件中檢出分層位置的vr如圖6(b),(c)所示,圖中vf,vb,vp同圖5中所描述;ve所指示的回波信號(hào)來(lái)自拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部樹(shù)脂區(qū)聲波反射。與圖4,5和圖6(a)顯著的區(qū)別是,除了出現(xiàn)vp和ve外,還出現(xiàn)了來(lái)自檢出分層的聲波反射信號(hào)vd,不難發(fā)現(xiàn),此時(shí)來(lái)自實(shí)際分層的回波信號(hào)特征與圖3中的分層信號(hào)特征非常一致。此外,在vr的信號(hào)特征上,當(dāng)長(zhǎng)梁內(nèi)部出現(xiàn)分層時(shí)vb會(huì)消失,這是分層的存在會(huì)導(dǎo)致入射聲波不能傳播到長(zhǎng)梁底部。但此時(shí),出現(xiàn)在分層前邊的孔隙和樹(shù)脂區(qū)的反射仍然可見(jiàn),如圖6(b)、(c)中vp和ve所指示的信號(hào)。因此,利用vd,vp,ve,vb變化特征可以進(jìn)行長(zhǎng)梁內(nèi)部孔隙、分層、樹(shù)脂區(qū)的識(shí)別。

2.5 拉擠長(zhǎng)梁超聲斷面成像與缺陷判別

通過(guò)對(duì)來(lái)自復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁中不同位置的超聲回波信號(hào)vr進(jìn)行重構(gòu),可以進(jìn)一步揭示其內(nèi)部孔隙、分層、樹(shù)脂區(qū)在深度方向的分布特征。來(lái)自復(fù)合材料2#拉擠長(zhǎng)梁的斷面超聲成像(B掃描)結(jié)果如圖7所示。從圖7中的灰度分布可以清晰地看出,來(lái)自2#拉擠長(zhǎng)梁表面和底面,如圖中vf和vb所指示的水平白色灰度帶區(qū),表面入射聲波在2#拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部經(jīng)過(guò)傳播后,在其底面形成了明顯的反射聲波,盡管此時(shí),在vf和vb之間出現(xiàn)了大量的白色灰度顯示vp,如圖中白色箭頭所指示的白色短條帶區(qū)灰度分布,這種白色短條帶區(qū)灰度反映來(lái)自長(zhǎng)梁內(nèi)部孔隙和樹(shù)脂區(qū)的聲波反射情況,與圖4,5中vr所對(duì)應(yīng)的信號(hào)規(guī)律完全一致,只不過(guò)圖7中的成像方式更加直觀和便于判別。3#拉擠長(zhǎng)梁的斷面超聲成像結(jié)果如圖8所示,比較圖7和圖8可以看出,3#拉擠長(zhǎng)梁表面質(zhì)量(即平整性)明顯不如2#制件,3#長(zhǎng)梁中不同位置的厚度變化明顯,因?yàn)関f和vb所指示的白色灰度條帶出現(xiàn)了不同程度的波浪變化,這種變化反映了拉擠長(zhǎng)梁的厚度變化。復(fù)合材料3#拉擠長(zhǎng)梁另一位置的斷面超聲成像結(jié)果如圖9所示,可以看出,除了vf所指示的白色灰度條帶區(qū)可以揭示3#長(zhǎng)梁表面平整性質(zhì)量明顯不如2#拉擠長(zhǎng)梁的外,圖中沒(méi)有出現(xiàn)反映拉擠長(zhǎng)梁底面的成像灰度,這表明在該位置區(qū),3#拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部存在明顯的分層、氣孔等缺陷,導(dǎo)致入射聲波不能傳播到拉擠長(zhǎng)梁底面,這可從圖中白色箭頭所指示的水平白色灰度短條帶看出,在3#拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部出現(xiàn)了大量的缺陷反射。這與圖6(b),(c)中所展示的缺陷信號(hào)vd完全一致,即當(dāng)拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部存在分層和嚴(yán)重孔隙時(shí),除了對(duì)應(yīng)的vb(信號(hào)和圖像)特征消失外,還會(huì)在拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部產(chǎn)生大量的白色灰度指示,從而可以直接根據(jù)成像顯示特征進(jìn)行缺陷判別和確定其在厚度方向的分布。圖7,8,9中vf所指示的灰度對(duì)應(yīng)拉擠長(zhǎng)梁的表面,vb所指示的灰度對(duì)應(yīng)拉擠長(zhǎng)梁的底面,vp所指示的灰度對(duì)應(yīng)其內(nèi)部(孔隙和樹(shù)脂區(qū))反射。

圖7 復(fù)合材料2#拉擠長(zhǎng)梁的斷面超聲成像結(jié)果

圖8 復(fù)合材料3#拉擠長(zhǎng)梁的斷面超聲成像結(jié)果一

圖9 復(fù)合材料3#拉擠長(zhǎng)梁的斷面超聲成像結(jié)果二(存在明顯分層和孔隙時(shí))

3 結(jié)論

在垂直縱波條件下,利用單脈沖超聲波與復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁相互作用產(chǎn)生的反射行為,可以獲得高質(zhì)量回波信號(hào),在此條件下,入射聲波在拉擠長(zhǎng)梁中微氣孔、孔隙、分層、樹(shù)脂區(qū)周?chē)a(chǎn)生的回波信號(hào)具有不同的幅值、相位、波形等時(shí)域特征,依據(jù)這些時(shí)域信號(hào)特征及其變化,可以有效進(jìn)行復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷表征、識(shí)別和準(zhǔn)確定性定量評(píng)估。

超聲檢測(cè)結(jié)果表明,在單脈沖超聲條件下,超聲檢測(cè)表面和底面盲區(qū)可以達(dá)到單個(gè)鋪層厚度(0.125 mm),利用超聲回波信號(hào)時(shí)域變化可以得到被檢測(cè)拉擠長(zhǎng)梁的局部厚度變化,利用超聲斷面成像可以直觀地得到拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷在厚度方向上的分布,二者結(jié)合,可以較好地實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料拉擠長(zhǎng)梁內(nèi)部缺陷表征與識(shí)別及檢測(cè),目前已經(jīng)得到了較好地實(shí)際應(yīng)用。