碳纖維復(fù)合材料分層缺陷的超聲相控陣檢測(cè)方法研究

朱濱海，王佳，付國，李怡琳，程夢(mèng)婷

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106；2.成都國營錦江機(jī)器廠，四川 成都 610043）

在對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，通常會(huì)遇到各種各樣不同類型的問題。例如：（1）由于受到多種因素影響而導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)了一些不規(guī)則的孔洞；（2）當(dāng)碳纖維復(fù)合材料中含有較多的雜質(zhì)或是存在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)，就很容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象；（3）當(dāng)碳纖維復(fù)合材料被應(yīng)用到飛機(jī)上后，如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的分層情況，也可能造成嚴(yán)重后果。而目前針對(duì)這種缺陷主要采用目視檢查或破壞性檢驗(yàn)來進(jìn)行檢測(cè)，但其存在效率低、成本高等缺點(diǎn)，因此迫切需要一種新的無損檢測(cè)方法來解決這一難題。近年來，出現(xiàn)了許多新型無損檢測(cè)方法，例如，超聲波C 掃描成像法、射線照相法、紅外熱像法以及聲發(fā)射檢測(cè)法等，都能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同類型的缺陷進(jìn)行有效的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

1 超聲相控陣檢測(cè)原理及探頭參數(shù)選取

1.1 超聲相控陣檢測(cè)原理

利用惠更斯原理，超聲波的形狀可以被描述為一系列的子波源，每個(gè)都會(huì)發(fā)出一系列的相關(guān)信號(hào)，這些信號(hào)會(huì)被傳播到彈性介質(zhì)（試件）中，從而形成一種機(jī)械振動(dòng)。而相控陣成像技術(shù)則是利用控制陣列換能器中每個(gè)陣元的激勵(lì)（或接收）脈沖的時(shí)間延遲來實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的檢測(cè)和分析。我們將通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該理論的正確性以及可行性。首先，需要選擇合適的聲束入射角θ0，使得聲波以一定角度進(jìn)入待測(cè)區(qū)域；其次，還要確定一個(gè)合理的焦點(diǎn)位置X0，保證所發(fā)射出的所有波束能量集中于此點(diǎn)處，并且不至于發(fā)生散射現(xiàn)象。

1.2 探頭參數(shù)選取

在進(jìn)行檢測(cè)前，首先，要對(duì)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)要求有一個(gè)全面、深入的認(rèn)識(shí)。通過分析可知，該檢測(cè)項(xiàng)目中需要用到的設(shè)備主要包括超聲波探傷儀(TOPDIA)、相控陣檢測(cè)儀等，而這些設(shè)備都是由不同類型的換能器組成的。因此，為了保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，就必須選擇合適的探頭參數(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)復(fù)合材料分層缺陷的檢測(cè)已經(jīng)做出了大量工作，并且也提出了很多有效的檢測(cè)方法。但是，每種檢測(cè)方法均存在一定的局限性，并不適用于所有情況。所以，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體問題來確定最佳的檢測(cè)方案。本文所采用的檢測(cè)方法屬于無損檢測(cè)范疇，故無須考慮檢測(cè)效率這一指標(biāo)；同時(shí)，由于該項(xiàng)檢測(cè)涉及多個(gè)方面，如檢測(cè)精度、檢測(cè)速度以及成本等，因而不能僅憑某一標(biāo)準(zhǔn)或某單一因素進(jìn)行判斷。基于此，本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行分析和討論。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和試件部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

該實(shí)驗(yàn)使用了奧林巴斯Olympls MX2 相控陣檢測(cè)儀和一個(gè)線性陣列探頭，它的頻率為5MHz，陣元數(shù)量為64 個(gè)，陣元間的距離為0.6mm，陣元的長度為10mm。這個(gè)探頭被安裝在一個(gè)厚度為20mm 的零度楔塊SD3-N0L上，以減小近場(chǎng)效應(yīng)。對(duì)于每種不同類型的缺陷，都可以通過改變掃查方式來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用常規(guī)的縱波垂直入射時(shí)，就會(huì)形成沿著深度方向傳播的反射波；而當(dāng)用橫波斜入射時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生與之相反的情況。因此，只要將探頭移動(dòng)到合適位置并且使其對(duì)準(zhǔn)需要檢查的區(qū)域即可。由于超聲波具有很好的指向性，所以能夠非常容易地確定缺陷所在的具體位置以及大小。但是，如果想得到更加準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，還必須保證聲束足夠集中，這樣才能獲得較高質(zhì)量的圖像。

2.2 實(shí)驗(yàn)試件

為了驗(yàn)證本文提出的相控陣檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，選取某型號(hào)飛機(jī)上使用的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。該類型的碳纖維復(fù)合材料由于其特殊性，需要對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析才能夠確定具體的分層情況，因此本次實(shí)驗(yàn)采用無損檢測(cè)方式來完成。通過對(duì)該類型的復(fù)合材料內(nèi)部不同位置的分層情況進(jìn)行檢測(cè)，可以得到較準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，從而能夠更加全面地掌握該類復(fù)合材料的質(zhì)量狀況，并且也有利于后續(xù)工作的開展。此外，針對(duì)該類型的碳纖維復(fù)合材料，還要選擇合適的檢測(cè)設(shè)備以及相應(yīng)的檢測(cè)工藝參數(shù)等，以保證最終獲得的檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的可靠度。為了使所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方案能夠順利實(shí)施，首先，應(yīng)當(dāng)建立一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，然后再利用相關(guān)的檢測(cè)儀器對(duì)其實(shí)施檢測(cè)操作。在這個(gè)過程中，主要是將超聲波換能器安裝到試塊上，同時(shí)使用螺栓固定住探頭，最后再把它們放到指定的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)。需要注意的是，在實(shí)際的檢測(cè)操作前，一定要提前做好準(zhǔn)備工作，比如，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行清理、碳纖維不打磨和除銹等，這樣才能夠確保檢測(cè)效果符合要求。另外，在正式開始檢測(cè)前，也可以先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，通過多次反復(fù)地調(diào)整來確定最佳的檢測(cè)位置以及檢測(cè)角度等，從而提高最終的檢測(cè)質(zhì)量與效率。在完成這些準(zhǔn)備工作后，就可以開展具體的檢測(cè)操作，并且還要保證每次都按照同樣的步驟來進(jìn)行，以便更好地控制誤差問題。一般來說，如果檢測(cè)對(duì)象為碳纖維復(fù)合材料，那么就應(yīng)該采用線掃描方式；但如果是金屬材料焊縫時(shí)，則最好還是扇掃描方式。一般情況下，在檢測(cè)時(shí)會(huì)采用相控陣技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的檢測(cè)，但是由于該種技術(shù)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，所以要經(jīng)過大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，才可以獲得良好的應(yīng)用效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

通過零度線性聚焦法則，我們將從第一個(gè)晶片開始激活，并在第64 個(gè)晶片結(jié)束時(shí)進(jìn)行電子掃描，每個(gè)陣元的聚焦深度為二毫米，并使用3000m/s 的縱波進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)所有晶片都被激發(fā)后，對(duì)于每層的厚度，可以計(jì)算出其聲速，然后再用這種方式確定該區(qū)域內(nèi)是否存在缺陷。如果發(fā)現(xiàn)了缺陷，那么就要繼續(xù)沿著垂直方向逐漸移動(dòng)探頭來檢查缺陷的位置、大小以及形狀等信息。最后，還需要利用超聲波C 掃成像系統(tǒng)來進(jìn)一步確認(rèn)缺陷的具體情況。

在實(shí)際的操作過程中，首先，按照上述所提到的方法分別制備好含有不同類型缺陷的試樣；接著，把這些試樣放入專用的模具中，并且保證各個(gè)試塊表面上沒有任何多余的雜質(zhì)；隨后，啟動(dòng)超聲檢測(cè)儀器，開始對(duì)試樣進(jìn)行掃描檢測(cè)；在完成一次完整的檢測(cè)過程后，便可以將探頭從試樣表面移開；最后，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理。此外，為了更加直觀地觀察超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料分層缺陷時(shí)的效果，本文也制作了相應(yīng)的對(duì)比試塊。其中，第一組試塊只存在一個(gè)孔隙缺陷，第二組則包括兩個(gè)相同的孔洞缺陷。需要注意的是，由于這兩組試塊都屬于同一種型號(hào)的碳纖維復(fù)合材料，因此它們具有一定程度上的相似性。具體的操作步驟如下所示：首先，利用超聲波無損檢測(cè)設(shè)備分別對(duì)上述兩種類型的試塊進(jìn)行檢測(cè)，然后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；其次，在完成所有檢測(cè)工作后，再使用CT 掃描儀對(duì)試塊內(nèi)部的情況進(jìn)行檢查；再次，結(jié)合圖像處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，對(duì)檢測(cè)過程中所出現(xiàn)的各種問題展開深入探究與討論。最后，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷區(qū)域，可以借助相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的掃查功能來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的定位，從而為后續(xù)工藝加工提供必要的參考依據(jù)。通過以上一系列的分析可知，該項(xiàng)技術(shù)不僅能夠有效解決傳統(tǒng)超聲檢測(cè)方式存在的不足，同時(shí)還能夠顯著提升最終的檢測(cè)效果。因此，這就要求操作人員要充分掌握相應(yīng)的檢測(cè)技巧及知識(shí)點(diǎn)，并且嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來開展各項(xiàng)工作。此外，在實(shí)際應(yīng)用過程中，也要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：首先，是合理選擇掃查位置、角度以及深度等參數(shù)信息；其次，就是應(yīng)當(dāng)選擇合適型號(hào)的探頭設(shè)備。除此以外，對(duì)于一些特殊情況下出現(xiàn)的分層現(xiàn)象來說，則更加適合采用相控陣超聲波檢測(cè)法。

3 結(jié)語

綜上所述，本次試驗(yàn)采用了超聲相控陣技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損傷檢測(cè)。首先，通過實(shí)驗(yàn)確定出不同層數(shù)和厚度的試樣；然后，利用超聲相控陣技術(shù)分別在0、2 ～6mm 以及7 ～10mm 這3 個(gè)深度范圍內(nèi)采集信號(hào)；最后，根據(jù)所獲取到的數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)層之間的相對(duì)誤差并以此來判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

本文主要介紹了碳纖維復(fù)合材料分層缺陷的超聲相控陣檢測(cè)原理及具體操作步驟，但是實(shí)際上還有很多影響因素需要考慮，如探頭與被檢工件的距離、聲束入射角等都會(huì)直接影響最終的檢測(cè)結(jié)果。在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中，我們還會(huì)繼續(xù)對(duì)這些問題進(jìn)行深入的探討，爭(zhēng)取使得本次研究所提出的相關(guān)理論更加完善。但是由于該方法只能檢測(cè)出表層的缺陷，而無法探測(cè)深層次的缺陷。因此，還需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善相關(guān)的檢測(cè)工藝及方法。本文提出了一種新的檢測(cè)方法，即在同一塊碳纖維板上沿著長軸方向依次設(shè)置多個(gè)掃查點(diǎn)，這樣就使得整個(gè)檢測(cè)過程變得更加方便快捷。這對(duì)今后開展類似的無損檢測(cè)工作有一定的借鑒意義。此外，文中提到的檢測(cè)方案雖然簡(jiǎn)單易行，但仍需不斷優(yōu)化才能得到最佳結(jié)果。