薄型層壓復(fù)合材料的大視場(chǎng)激光超聲檢測(cè)研究*

曾呂明，龍柏年，廖為圣，程中文，紀(jì)軒榮

（廣東工業(yè)大學(xué)精密電子制造技術(shù)與裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510006）

層壓復(fù)合材料是一種由兩種或兩種以上材料按照一定順序疊合，經(jīng)過黏合、壓合等工藝制成的多功能復(fù)合材料[1]。由于其具有加工周期短、比重小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、阻燃和耐沖擊等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、火箭和衛(wèi)星等航空航天領(lǐng)域[2]。例如，飛機(jī)的機(jī)翼、尾翼和機(jī)身蒙皮主要采用層壓復(fù)合材料[3]，空客A380客機(jī)的機(jī)身蒙皮壁板大量使用層壓復(fù)合材料[4]。然而在加工和服役過程中，層壓復(fù)合材料不可避免地受到?jīng)_擊、載荷等影響導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)不可視的損傷，這影響材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性，造成材料在使用過程中易發(fā)生形變、斷裂等不可預(yù)見的損失。

目前，對(duì)于層壓復(fù)合材料的檢測(cè)技術(shù)主要包括聲發(fā)射檢測(cè)法[5-6]、超聲波檢測(cè)法[7-8]、射線檢測(cè)法[9-10]。聲發(fā)射技術(shù)是利用材料內(nèi)部變形而產(chǎn)生聲信號(hào)，并不能適配主動(dòng)檢測(cè)[11-13]。傳統(tǒng)超聲檢測(cè)由于要使用耦合劑，不適用于檢測(cè)環(huán)境惡劣、被測(cè)對(duì)象對(duì)耦合劑敏感等場(chǎng)合。此外，超聲檢測(cè)中盲區(qū)的存在加大了對(duì)淺層區(qū)域缺陷的識(shí)別難度[14-17]。X射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)于體積缺陷 （如孔隙和空洞缺陷）非常敏感，但對(duì)于分層和脫黏等非體積缺陷檢測(cè)靈敏度則會(huì)降低[18-19]。此外，對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)的樣品 （如蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)），若X射線照相角度不合理，則會(huì)出現(xiàn)投影重疊的情況，可能導(dǎo)致缺陷無法被成功檢測(cè)[20]。

激光超聲作為一種新興的非接觸檢測(cè)技術(shù)，具有長(zhǎng)距離、頻帶寬和空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[21-23]，擺脫了常規(guī)超聲檢測(cè)的耦合劑限制。當(dāng)前，對(duì)激光產(chǎn)生的超聲信號(hào)的接收方式主要有接觸式與非接觸式兩種[21]。劉松平等[24]使用超聲換能器接收激光產(chǎn)生的超聲信號(hào)，識(shí)別出碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂基復(fù)合材料中的分層缺陷。朱倩等[25]采用日本富士公司生產(chǎn)的中心頻率為350 kHz的低頻聲發(fā)射傳感器接收激光超聲信號(hào)，檢測(cè)出由碳纖維復(fù)合材料和鋁板組成的雙層層壓材料的表面缺陷。Lee等[26]使用振鏡控制激光偏轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片表面進(jìn)行掃查，使用聲發(fā)射傳感器接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片的遠(yuǎn)距離檢測(cè)。然而，接觸式傳感器必須固定在樣品的表面，無法發(fā)揮激光超聲檢測(cè)非接觸的優(yōu)勢(shì)。非接觸式檢測(cè)主要采用光學(xué)方法檢測(cè)超聲信號(hào)。周正干等[27]利用激光干涉儀搭建完全非接觸激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料層壓板表面鉆孔缺陷的激光超聲C掃描。Ji等[28-29]采用TWM干涉儀檢測(cè)激光超聲信號(hào)，成功檢測(cè)出銅-鋁、不銹鋼-碳鋼兩種層壓復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷。全光學(xué)非接觸激光超聲系統(tǒng)，需要結(jié)合干涉儀實(shí)現(xiàn)完全非接觸檢測(cè)。然而，干涉儀成本高昂，對(duì)檢測(cè)對(duì)象表面要求苛刻，限制其發(fā)展[30]?？振畛晸Q能器靈敏度高、成本效益好、抗干擾能力強(qiáng)，具備實(shí)現(xiàn)完全非接觸激光超聲檢測(cè)技術(shù)的潛力。劉旭[31]和Zeng[32]等利用空耦超聲換能器搭建空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂編織復(fù)合材料表面和內(nèi)部的缺陷，但其采用機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)掃描，效率低下。

為解決以往激光超聲檢測(cè)技術(shù)存在的不足，本文提出采用陣列式空耦超聲換能器接收激光產(chǎn)生的超聲信號(hào)，搭建一套非接觸的大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在降低檢測(cè)成本的前提下，保證檢測(cè)靈敏度并增加單次檢測(cè)范圍，搭配二維掃描振鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的快速掃描，極大地提高檢測(cè)效率。本文研究了陣列式空耦超聲換能器的性能和陣列式空耦激光超聲對(duì)鋁-碳纖維薄型層壓復(fù)合材料與鋁-不銹鋼板薄型層壓復(fù)合材料脫黏表征性能，并通過對(duì)比高頻相控陣超聲與X射線檢測(cè)技術(shù)驗(yàn)證大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度，為薄型層壓復(fù)合材料脫黏缺陷檢測(cè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)原理

本研究搭建的空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要組成部分包括脈沖激光器、掃描振鏡和八陣元空耦超聲換能器等。激光器采用雙波長(zhǎng)調(diào)Q激光器PD-1064-1-KD（蘇州帕沃激光公司生產(chǎn)），波長(zhǎng)為532 nm，脈沖寬度為8.7 ns，單次脈沖能量最大為0.72 mJ；掃描振鏡為UltraScan（A）10（深圳市大族思特公司），掃描角度為±12.5°，掃描速度最高可達(dá)2 m/s，場(chǎng)鏡焦距為500 mm；八陣元空耦超聲換能器是基于1-3型壓電復(fù)合材料自主研制的，中心頻率為250 kHz；控制卡為NI 9263型的4通道電壓輸出模塊 （美國(guó)National Instruments公司）；放大器為5662型的超聲前置放大器 （日本奧林巴斯公司），放大倍數(shù)為54 dB；濾波器為BLP-1.9+型的1.9 MHz低通濾波器 （美國(guó)Mini-Circuits公司）；采集卡為NI PXIe-5105型的八通道高速采集卡 （美國(guó)National Instruments公司），采樣率可達(dá)50 MHz。

該系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，計(jì)算機(jī)通過控制卡分別發(fā)送方波信號(hào)至激光控制器控制激光觸發(fā)、鋸齒波信號(hào)至掃描振鏡控制鏡片偏轉(zhuǎn)。激光控制器在接收方波信號(hào)后向激光器發(fā)送指令，激光器隨即產(chǎn)生光束。光束在經(jīng)過振鏡偏轉(zhuǎn)與場(chǎng)鏡聚焦后，激勵(lì)樣品表面產(chǎn)生超聲波并往樣品內(nèi)部傳播過程中，遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射、折射、透射和衍射等現(xiàn)象，使信號(hào)幅值出現(xiàn)改變。超聲波穿透樣品與空氣耦合，被放置在樣品另一側(cè)的空耦超聲換能器接收。接收的信號(hào)依次經(jīng)過放大器、低通濾波器后被采集卡所采集。在完成信號(hào)采集后，激光束通過振鏡偏轉(zhuǎn)移動(dòng)至下一個(gè)位置激發(fā)超聲波，并重復(fù)上述過程。通過逐點(diǎn)激發(fā)激光超聲信號(hào)完成對(duì)樣品的掃查，最后將所得激光位置及聲信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行重建成像。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 System working principle diagram

1.2 八陣元空耦超聲換能器參數(shù)與測(cè)試

八陣元空耦超聲換能器的實(shí)物如圖2（a）所示，長(zhǎng)×寬×高為220 mm×48 mm×38 mm，單個(gè)陣元孔徑面積為25 mm×20 mm，相鄰兩個(gè)陣元間的間距為1 mm。中心頻率為250 kHz附近的發(fā)射型空耦超聲換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，八陣元空耦超聲換能器中每個(gè)陣元單獨(dú)接收，8個(gè)陣元實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)超聲信號(hào)響應(yīng)的中心頻率如圖2（b）所示，最小值為242 kHz，最大值為249 kHz，平均值為245 kHz。8個(gè)陣元的中心頻率都較為接近，標(biāo)準(zhǔn)差為2.45 kHz；-6 dB帶寬參數(shù)最小值為19.47%，最大值為24.74%，平均值為22.02%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.84%。

圖2 250 kHz 空耦超聲換能器實(shí)物與參數(shù)Fig.2 Picture and parameters of 250 kHz air-coupled ultrasonic transducer

為獲得空耦超聲換能器對(duì)激光超聲信號(hào)實(shí)際響應(yīng)頻率，采用單點(diǎn)脈沖激光激發(fā)空耦超聲換能器透射式接收方式測(cè)量。測(cè)量步驟如下：將激光照射在厚度為3.2 mm的鋁-碳纖維層壓材料表面，采用透射式接收激光超聲信號(hào)，時(shí)域信號(hào)如圖3（a）中黑色曲線所示，藍(lán)色曲線為對(duì)黑色曲線進(jìn)行傅里葉變換的結(jié)果，可得空耦超聲換能器對(duì)激光超聲信號(hào)實(shí)際響應(yīng)的中心頻率約為270 kHz。

圖3 250 kHz 空耦超聲換能器性能表征Fig.3 Performance characterization of 250 kHz air-coupled ultrasonic transducer

超聲波在空氣中傳播會(huì)發(fā)生衰減并影響空耦超聲換能器接收到的信號(hào)幅值[33]。因此，分別研究空耦超聲換能器與樣品之間的最大工作距離和最大接收角度。測(cè)量0～60 mm范圍內(nèi)空耦超聲換能器接收到的信號(hào)幅值隨兩者間垂直距離增加的變化趨勢(shì)，測(cè)量間距為1 mm，具體變化關(guān)系如圖3（b）所示。隨著距離的增加，換能器接收到的信號(hào)幅值呈下降趨勢(shì)，在距離為0～10 mm之間信號(hào)幅值下降較急??；當(dāng)距離大于10 mm時(shí)，信號(hào)幅值的下降逐漸趨于平緩。以信號(hào)幅值下降-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)，有效接收距離為13 mm。為測(cè)量空耦超聲換能器最大的接收角度，將空耦超聲換能器與樣品之間的相對(duì)垂直距離固定為5 mm，通過改變軸向與橫向激光的照射位置，得到空耦超聲換能器在兩個(gè)方向的最大接收角度，如圖3（c）和 （d）所示?？芍S向范圍接收的信號(hào)變化趨勢(shì)比較急劇，而橫向范圍變化則比較平滑。以信號(hào)幅值下降-6 dB為標(biāo)準(zhǔn)，并與陣元尺寸進(jìn)行比較，得到空耦超聲換能器的最大接收角度，與孔徑面積幾乎一致。

2 試驗(yàn)

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，制作兩種類型的薄型層壓復(fù)合材料，分別為金屬與碳纖維粘接而成的薄型層壓復(fù)合材料和金屬與金屬粘接而成的薄型層壓復(fù)合材料，如圖4（a）和（b）所示。金屬-碳纖維層壓復(fù)合材料的制作方法為：將長(zhǎng)和寬均為160 mm×34 mm，厚度分別為0.2 mm的1060鋁板和0.5 mm的碳纖維板，通過厚度為0.1 mm的膠層進(jìn)行粘接；金屬-金屬層壓復(fù)合材料的制作方法為：將長(zhǎng)和寬均為150 mm×30 mm，厚度分別為0.1 mm的1060鋁箔和 0.08 mm的304H不銹鋼箔，通過厚度為0.1 mm的膠層進(jìn)行粘接。兩種復(fù)合材料均在膠層中去除邊長(zhǎng)25 mm的三角形、邊長(zhǎng)25 mm的正方形和直徑25 mm的圓形區(qū)域，以模擬層壓復(fù)合材料內(nèi)部的脫黏缺陷，如圖4（c）和（d）所示。兩種材料通過膠層粘接時(shí)，膠層中被去除的部分則為空氣，超聲波在傳播過程中會(huì)由于聲阻抗的差異使信號(hào)幅值出現(xiàn)差異。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為激光能量0.25 mJ、激光重復(fù)頻率10 kHz、振鏡掃描兩點(diǎn)間的步距0.2 mm。使用LabVIEW程序控制激光的觸發(fā)與掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)。根據(jù)先前測(cè)試的激光超聲信號(hào)對(duì)接收距離的變化趨勢(shì)，樣品與空耦超聲換能器之間的距離設(shè)置為5 mm。為提高信號(hào)的信噪比，平均次數(shù)設(shè)置為40次。

圖4 兩種類型薄型層壓復(fù)合材料Fig.4 Two types of thin layer laminated composite materials

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬與碳纖維薄型層壓復(fù)合材料

金屬-碳纖維薄型層壓復(fù)合材料的空耦激光超聲成像效果如圖5（a）所示，結(jié)果顯示，人為制作的3個(gè)脫黏缺陷均被精確地定位并清晰地成像，信噪比高達(dá)35 dB。為驗(yàn)證本文所搭建的空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，還對(duì)該樣品進(jìn)行20 MHz相控陣超聲檢測(cè) （ROBUST 32-128（64）_TOFD），探頭晶元數(shù)為64，晶元虛擬孔徑為8，晶元步距為 1。為增強(qiáng)信號(hào)的信噪比，將增益設(shè)置為20 dB。此外，為消除界面處產(chǎn)生的雜波影響，將閘門閾值設(shè)置為10%，成像效果如圖5（b）所示?？芍嗽烊毕蓦m然能被成功地檢測(cè)出，但缺陷的形狀則發(fā)生明顯的改變。這是由于相控陣超聲檢測(cè)采用的是線性探頭，每個(gè)陣元在長(zhǎng)度方向與寬度方向（步進(jìn)方向）的聚焦聲束焦斑大小不同，導(dǎo)致兩個(gè)方向上的分辨率產(chǎn)生差異，引起缺陷的形狀發(fā)生變化[34]。此外，受限于相控陣探頭在長(zhǎng)度方向的掃描范圍，圓形與正方形缺陷無法被掃查完整。并且由于使用的水槽尺寸較小，相控陣超聲在檢測(cè)過程中相比空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)需將樣品分開兩次掃查。在相控陣檢測(cè)結(jié)果中，左上角處幅值較高的原因是樣品不平整導(dǎo)致相控陣超聲無法一直保持聚焦在缺陷所處的平面。

圖5 鋁-碳纖維薄型層壓復(fù)合材料檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Testing results of Al-CFRP thin layer laminated composite materials

3.2 金屬與金屬薄型層壓復(fù)合材料

金屬-金屬薄型層壓復(fù)合材料的空耦激光超聲成像效果如圖6（a）所示?？芍?，除人造缺陷能被成功檢測(cè)出外，在樣品制作過程中內(nèi)部膠層出現(xiàn)的壓痕以及氣泡均能被成功識(shí)別，如圖6（a）中白色箭頭所示。20 MHz相控陣超聲檢測(cè)的結(jié)果如圖6（b）所示，高頻相控陣同樣能成功檢測(cè)出人造的脫黏缺陷，但3個(gè)缺陷在寬度上同樣無法被檢測(cè)完整。高頻相控陣無法成功識(shí)別樣品內(nèi)部膠層出現(xiàn)的壓痕及氣泡，這表明空耦激光超聲檢測(cè)具有更高的分辨率且對(duì)微小缺陷檢測(cè)更敏感。受限于水槽的大小，樣品同樣需分開兩次檢測(cè)。此外，還對(duì)該樣品進(jìn)行X射線檢測(cè)（Sanying Precision nanoVoxel3000D的微焦CT，天津三英精密儀器股份有限公司）。檢測(cè)所用電壓和電流分別為70 kV和50 μA，曝光時(shí)間為0.6 s，結(jié)果如圖6（c）所示，X射線能夠檢測(cè)出人造缺陷，但相比空耦激光超聲檢測(cè)與高頻相控陣檢測(cè)，其信噪比較差，僅有約1 dB。原因是膠層的厚度太薄導(dǎo)致對(duì)X射線的吸收較小，與無膠層的區(qū)域 （缺陷區(qū)域）的差異不明顯，最終在圖像中呈現(xiàn)對(duì)比度較差[35]。此外，內(nèi)部膠層出現(xiàn)的壓痕及氣泡也無法被X射線識(shí)別。同時(shí)受限于設(shè)備的檢測(cè)范圍，X射線也無法一次完成對(duì)樣品的檢測(cè)。為驗(yàn)證檢測(cè)的可靠性，在對(duì)樣品進(jìn)行二次加熱后，將兩種金屬剝離以驗(yàn)證內(nèi)部的粘接狀況，如圖6（d）所示。通過與空耦激光超聲成像結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了空耦激光超聲成像結(jié)果中出現(xiàn)的幅值異常區(qū)域?qū)儆谀z層壓痕和空氣微孔缺陷，如圖6（d）中白色箭頭處所示，同時(shí)二次加熱也導(dǎo)致部分原有微孔缺陷出現(xiàn)不一致。

試驗(yàn)對(duì)比表明，本研究所搭建的大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)與其余兩種檢測(cè)系統(tǒng)相比，擁有更大的檢測(cè)范圍?？振罴す獬暀z測(cè)相較于相控陣超聲檢測(cè)更能反映薄型層壓復(fù)合材料內(nèi)部脫黏缺陷的真實(shí)尺寸。與X射線檢測(cè)相比，空耦激光超聲檢測(cè)更適合非體積類的缺陷檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果具有更好的信噪比。此外，空耦激光超聲檢測(cè)能更好地識(shí)別薄型層壓復(fù)合材料內(nèi)部天然形成的微小缺陷，這表明空耦激光超聲檢測(cè)具有更好的檢測(cè)分辨率。因此，本文所搭建的大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)有望在檢測(cè)薄型層壓復(fù)合材料內(nèi)部缺陷上得到應(yīng)用。

4 結(jié)論

本文使用脈沖激光器、掃描振鏡及中心頻率為250 kHz的八陣元空耦超聲換能器搭建一套大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)，掃查范圍最大可達(dá)220 mm。

（1）測(cè)試隨著空耦超聲換能器與樣品之間接收距離與接收角度的變化，空耦超聲換能器對(duì)于激光超聲信號(hào)接收的變化趨勢(shì)，并得到空耦超聲換能器對(duì)于激光超聲信號(hào)的最大接收距離為13 mm，最大接收角度與孔徑面積幾乎一致。

（2）制作兩種不同類型的薄型層壓復(fù)合材料樣品，分別為厚度0.8 mm的鋁-碳纖維薄型層壓復(fù)合材料與厚度0.3 mm的鋁-不銹鋼薄型層壓復(fù)合材料。采用大視場(chǎng)空耦激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)兩種樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)不僅可以清晰地顯示出人造缺陷，還能檢測(cè)出樣品制作過程中內(nèi)部膠層出現(xiàn)的壓痕及氣泡。

（3）與X射線檢測(cè)法和相控陣超聲檢測(cè)法進(jìn)行對(duì)比可得，相比相控陣檢測(cè)，空耦激光超聲檢測(cè)更能準(zhǔn)確反映缺陷的真實(shí)尺寸且非接觸；與X射線檢測(cè)相比，空耦激光超聲檢測(cè)對(duì)脫黏缺陷的檢測(cè)結(jié)果信噪比更好且成像視場(chǎng)更大。

在后續(xù)的工作中，將改進(jìn)使用陣元數(shù)量更多、陣元尺寸更小的陣列式空耦超聲換能器，并配合相控陣和機(jī)械手的方式來接收激光超聲信號(hào)，以提高對(duì)復(fù)雜形狀樣品的檢測(cè)能力。