復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的超聲相控陣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

張冬梅 于 光

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436)

周正干 徐 娜

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維、玻璃纖維等纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比模量及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛應(yīng)用，并已在某些關(guān)鍵部位代替金屬［1］.然而，復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生分層、脫粘、夾雜等缺陷，這些缺陷將嚴(yán)重影響復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和整體完整性［2］，各種無(wú)損檢測(cè)方法是保證復(fù)合材料可靠使用的重要手段［3-4］.

為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求和降低制造成本，越來(lái)越多整體成型的復(fù)合材料構(gòu)件被廣泛使用，而這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中普遍存在R過(guò)渡區(qū)［5］.R過(guò)渡區(qū)為曲面且空間尺寸狹小，十分不利于缺陷的檢測(cè).同時(shí)，R區(qū)多為應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)缺陷的容忍度較小，且在制造過(guò)程中極易出現(xiàn)缺陷.因此，對(duì)R區(qū)的質(zhì)量控制就顯得非常重要.

近年來(lái)，超聲檢測(cè)方法作為一種方便、有效的檢測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)［6］.其中，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種新興的超聲檢測(cè)方法，采用由多個(gè)相互獨(dú)立的陣元晶片組成的陣列換能器，通過(guò)電子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則和時(shí)序控制激勵(lì)各個(gè)陣元晶片，從而可以靈活、便捷、有效地控制聲束角度、焦距位置和尺寸［7-9］.因此，常規(guī)超聲需要移動(dòng)探頭完成的掃查，采用相控陣檢測(cè)技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)通過(guò)各陣元晶片的電子掃描完成.目前Olympus公司的J.Habermehl等人設(shè)計(jì)了專門(mén)的弧形陣列換能器［10-11］，為R區(qū)的檢測(cè)提供了可行的檢測(cè)工具，但尚無(wú)采用線陣換能器檢測(cè)R區(qū)的相關(guān)報(bào)道.

本文在分析R區(qū)超聲檢測(cè)技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用弧形和線形陣列換能器的兩種R區(qū)檢測(cè)方法;以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)L型構(gòu)件的R區(qū)為檢測(cè)對(duì)象，分別采用所提出的兩種檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn);并與常規(guī)超聲檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)歸納了超聲相控陣檢測(cè)R區(qū)的技術(shù)優(yōu)勢(shì).

1 R區(qū)超聲檢測(cè)難點(diǎn)分析

典型的復(fù)合材料T型加筋壁板如圖1所示.根據(jù)復(fù)合材料的成型工藝特點(diǎn)，其R過(guò)渡區(qū)的缺陷類型主要有分層、氣孔和夾雜等，缺陷取向多沿層間分布［12］，其缺陷分布情況如圖2所示.

圖1 典型的復(fù)合材料T型加筋壁板試樣

圖2 R過(guò)渡區(qū)的缺陷分布示意圖

由于R區(qū)受形狀和空間尺寸的限制，存在圓弧區(qū)域曲率半徑小，不利于超聲探頭耦合，不能保證入射聲束與圓弧區(qū)域的檢測(cè)表面垂直，聲束不能覆蓋整個(gè)圓弧區(qū)域等問(wèn)題，從而會(huì)影響檢測(cè)的靈敏度、缺陷檢出率等.

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)采用陣列換能器，通過(guò)控制各陣元發(fā)射激勵(lì)脈沖的延遲時(shí)間，達(dá)到合成波束聚焦、偏轉(zhuǎn)等多種相控效果.根據(jù)波束合成的情況，相控陣檢測(cè)可以進(jìn)行線形掃描、扇形掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦掃描［13］.并且可以根據(jù)被檢試樣的形狀和檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)不同形狀的相控陣探頭和聲束掃描方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè).

2 相控陣檢測(cè)方案制定

2.1 弧陣換能器檢測(cè)方案

為了保證發(fā)射聲束垂直入射到R區(qū)的每個(gè)位置，采用相控陣弧形陣列換能器，檢測(cè)方式如圖3所示，保證弧陣換能器的圓弧圓心與R區(qū)的圓心重合.由于各陣元按照?qǐng)A弧方式排列，掃描時(shí)各陣元直接激勵(lì)，不做任何延時(shí)處理，各陣元發(fā)射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場(chǎng)能量在該處最強(qiáng).掃描時(shí)采用順序掃查方式，即若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，通過(guò)一個(gè)掃描周期，即可實(shí)現(xiàn)各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束對(duì)試樣不同位置的檢測(cè)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R區(qū)檢測(cè)面的全覆蓋掃描，減小了檢測(cè)盲區(qū).

如圖3所示，當(dāng)采用弧形換能器檢測(cè)R區(qū)時(shí)，由于弧陣換能器與工件的R區(qū)為同心圓，弧陣換能器的圓弧半徑R、陣元間距d、一個(gè)陣列孔徑的陣元個(gè)數(shù)n等參數(shù)與被檢工件的厚度T和圓弧半徑r等幾何參數(shù)之間，滿足如下表達(dá)式:

其中l(wèi)s為檢測(cè)區(qū)域的弧長(zhǎng).

圖3 弧陣換能器檢測(cè)R區(qū)的示意圖

2.2 線陣換能器檢測(cè)方案

利用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)可以靈活控制聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦的優(yōu)勢(shì)，采用相控陣線形陣列換能器檢測(cè)R區(qū)，檢測(cè)方式如圖4所示.采用順序掃描方式，若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，同時(shí)通過(guò)控制各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束以不同的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度垂直入射到R區(qū)檢測(cè)面的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R區(qū)的全覆蓋掃描.

采用線陣換能器檢測(cè)R區(qū)時(shí)，各陣列孔徑所發(fā)射的合成波束以不同角度偏轉(zhuǎn)聚焦，由于聲束的指向性，會(huì)造成不同角度合成波束能量的不一致，則所獲得的回波信號(hào)也會(huì)不均勻.因此，需要根據(jù)聲束的指向性函數(shù)，對(duì)不同陣列孔徑接收的回波信號(hào)進(jìn)行指向性補(bǔ)償來(lái)解決不同偏轉(zhuǎn)角度能量不一致的問(wèn)題.其中，發(fā)射和接收陣元的指向性函數(shù)［14］可表示為

其中，a是陣元大小;θ為偏轉(zhuǎn)角度;λ為超聲波的波長(zhǎng).

圖4 線陣換能器檢測(cè)R區(qū)的示意圖

3 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)及對(duì)象

超聲相控陣檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括:超聲相控陣發(fā)射/接收設(shè)備、相控陣換能器及楔塊、編碼器、工控機(jī)等.工控機(jī)中安裝相控陣控制軟件，用于控制相控陣發(fā)射/接收設(shè)備、采集回波數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)成像等.

以CFRP的L型試樣R區(qū)為檢測(cè)對(duì)象，試樣厚4mm，R區(qū)圓弧半徑5mm.試樣中有預(yù)埋缺陷，埋深2 mm，長(zhǎng)度10 mm，寬度5 mm.試樣的縱波聲速為2870 m/s.同時(shí)根據(jù)R區(qū)和換能器的幾何形狀，設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形楔塊，以解決換能器和被檢試樣的耦合問(wèn)題.

3.2 弧陣換能器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用中心頻率5 MHz，陣元個(gè)數(shù)32個(gè)，陣元間距0.8 mm，圓弧半徑16 mm的相控陣弧陣換能器，對(duì)L型試樣進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖5所示.采用每4個(gè)陣元為一個(gè)陣列孔徑的檢測(cè)方式，依次發(fā)射超聲波束，則一個(gè)掃描周期共有29個(gè)陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設(shè)置閘門(mén)繪制C型圖，如圖6所示.圖6中預(yù)埋缺陷清晰可見(jiàn)，測(cè)得缺陷長(zhǎng)度為10.8 mm，缺陷寬度為5.8 mm.取C型圖中一個(gè)含缺陷信息的機(jī)械掃描位置，如第38個(gè)機(jī)械掃描位置為例，進(jìn)行缺陷回波信號(hào)分析，圖7為該位置第15個(gè)陣列孔徑的A型圖.取該位置第3，9，15，21，27 個(gè)陣列孔徑的 A 型回波信號(hào)，可獲得缺陷埋深和試樣厚度值見(jiàn)表1.可見(jiàn)，不同陣列孔徑接收的回波信號(hào)測(cè)得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.157 mm和0.2 mm，測(cè)得的缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實(shí)際試樣信息的相對(duì)誤差僅為1.4%和1.6%，取得了良好的檢測(cè)結(jié)果.

圖5 弧陣檢測(cè)實(shí)物圖

圖6 弧陣檢測(cè)的C型展開(kāi)圖

圖7 弧陣檢測(cè)機(jī)械掃描位置38陣列孔徑15的A型圖

表1 弧陣換能器檢測(cè)結(jié)果

采用弧陣換能器對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，各陣列孔徑所發(fā)射的超聲合成波束在弧陣的圓心位置匯合，能量在R區(qū)的不同檢測(cè)位置基本一致，所獲得的回波信號(hào)也比較均勻，保證了缺陷檢測(cè)的可靠性和一致性.但是，弧陣換能器制造工藝復(fù)雜，價(jià)格比線陣換能器昂貴.

3.3 線陣換能器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

采用中心頻率5 MHz，陣元個(gè)數(shù)32個(gè)，陣元間距0.6mm的相控陣線陣換能器，對(duì)該L型試樣進(jìn)行線陣換能器檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖8所示.

圖8 線陣檢測(cè)實(shí)物圖

采用每8個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，則一個(gè)掃描周期共有25個(gè)陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設(shè)置閘門(mén)繪制C型圖，如圖9所示，可測(cè)得缺陷長(zhǎng)度為9.7 mm，缺陷寬度為5.3 mm.

圖9 線陣檢測(cè)的C型展開(kāi)圖

取C型圖中第38個(gè)機(jī)械掃描位置，進(jìn)行缺陷回波信號(hào)分析，圖10為該位置第13個(gè)陣列孔徑的A 型圖.取該位置第5，9，13，17，21 個(gè)陣列孔徑的A型回波信號(hào)，可獲得缺陷埋深和試樣厚度如表2所示.可見(jiàn)，不同陣列孔徑接收回波信號(hào)測(cè)得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.215 mm和0.2 mm，缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實(shí)際試樣信息的相對(duì)誤差分別為5.8%和6.7%，取得了良好的檢測(cè)結(jié)果.

10 線陣檢測(cè)機(jī)械掃描位置38陣列孔徑13的A型圖

表2 線陣換能器檢測(cè)結(jié)果

采用線陣換能器對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的R區(qū)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，各陣列孔徑發(fā)射的聲束需要偏轉(zhuǎn)于不同角度以保證聲束垂直入射到R區(qū)的檢測(cè)面，最大偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)45°，造成不同偏轉(zhuǎn)角度發(fā)射超聲波束的能量不一致.然而，通過(guò)對(duì)每個(gè)偏轉(zhuǎn)角度上的回波信號(hào)做指向性補(bǔ)償，可以解決不同偏轉(zhuǎn)方向能量不一致的問(wèn)題，且與弧陣換能器相比，線陣換能器應(yīng)用范圍廣，造價(jià)便宜.因此，采用線陣換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的檢測(cè)具有廣闊的發(fā)展空間.

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將采用弧陣換能器和線陣換能器檢測(cè)L型試樣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，線陣換能器的檢測(cè)結(jié)果略差于弧陣換能器，但兩種檢測(cè)方法各有利弊，均取得了良好的檢測(cè)結(jié)果.

在對(duì)L型試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，也分別對(duì)復(fù)合材料T型加筋壁板試樣和飛機(jī)機(jī)翼縮比件的翼肋R區(qū)進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，均取得了良好的檢測(cè)結(jié)果.

4 相控陣檢測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

采用常規(guī)超聲檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)放的R區(qū)的檢測(cè)，且對(duì)不同尺寸的R區(qū)具有較好的適應(yīng)性.但其探頭聲束截面小，檢測(cè)范圍窄，當(dāng)采用如圖11所示的檢測(cè)方法時(shí)，僅能檢測(cè)R區(qū)的一個(gè)位置，聲束無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的全覆蓋，存在漏檢現(xiàn)象.當(dāng)對(duì)圓弧半徑較大的R區(qū)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要多次旋轉(zhuǎn)探頭的角度來(lái)保證入射聲束與R區(qū)不同位置垂直.

圖11 常規(guī)超聲檢測(cè)R區(qū)的示意圖

采用超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)分辨率比常規(guī)聚焦探頭更有優(yōu)勢(shì).超聲檢測(cè)分辨率主要包括橫向分辨率和縱向分辨率，橫向分辨率與超聲波束的寬度有關(guān)，聲束寬度越窄橫向分辨率越高.對(duì)于常規(guī)聚焦探頭，其焦點(diǎn)處的聲束直徑Φ與聲波波長(zhǎng)λ、探頭聚焦長(zhǎng)度F及探頭晶片直徑D之間滿足如下關(guān)系:

當(dāng)聲波波長(zhǎng)固定時(shí)，其聚焦位置和焦點(diǎn)直徑都是固定的.對(duì)于超聲相控陣探頭，其焦點(diǎn)處的聲束直徑Φ滿足:

其中D為相控陣換能器的陣列孔徑.由于超聲相控陣檢測(cè)可以通過(guò)電子方式靈活控制陣列孔徑D和聲束的聚焦長(zhǎng)度F，所獲得的焦點(diǎn)直徑可比常規(guī)聚焦探頭小，因此，超聲相控陣檢測(cè)的橫向分辨率更有優(yōu)勢(shì).超聲檢測(cè)的縱向分辨率與超聲發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，持續(xù)時(shí)間越短縱向分辨率越高，超聲相控陣檢測(cè)可以靈活控制脈沖的持續(xù)時(shí)間，因此在縱向分辨率方面也具有優(yōu)勢(shì).

與常規(guī)超聲檢測(cè)方法相比，采用超聲相控陣技術(shù)檢測(cè)R區(qū)時(shí)可以不旋轉(zhuǎn)探頭便能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射聲束對(duì)整個(gè)R區(qū)的全覆蓋掃描，檢測(cè)效率高，適用性強(qiáng)，檢測(cè)分辨率高，其檢測(cè)優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下:

1)采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)R區(qū)的檢測(cè)，可以控制換能器各陣元發(fā)射的超聲波束垂直入射到R區(qū)的檢測(cè)表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，保證了缺陷檢測(cè)的可靠性;

2)相控陣換能器的一次多角度掃描，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射的超聲波束對(duì)R區(qū)整個(gè)檢測(cè)面的全覆蓋掃查，減小了檢測(cè)盲區(qū);

3)采用超聲相控陣檢測(cè)時(shí)，其檢測(cè)分辨率比常規(guī)聚焦探頭更有優(yōu)勢(shì);

4)通過(guò)更換不同尺寸的楔塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓弧半徑在一定范圍內(nèi)的R區(qū)的檢測(cè)，因此某一種尺寸的換能器可適應(yīng)一定范圍的R區(qū)圓弧半徑，降低了使用成本;

5)超聲相控陣檢測(cè)可實(shí)時(shí)顯示A型、S型、C型和3D圖像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R區(qū)的可視化掃查.

5 結(jié)論

針對(duì)常規(guī)超聲檢測(cè)方法難以完全勝任復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的檢測(cè)問(wèn)題，開(kāi)展了超聲相控陣檢測(cè)應(yīng)用研究，取得以下研究結(jié)論:

1)提出的采用相控陣弧形陣列換能器和線形陣列換能器的兩種檢測(cè)方法，可以滿足復(fù)合材料R區(qū)的檢測(cè)要求;

2)以復(fù)合材料L型試樣為檢測(cè)實(shí)例，進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，取得了良好的檢測(cè)結(jié)果;

3)將相控陣超聲與常規(guī)超聲的檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明所提出的相控陣檢測(cè)方法具有適用性強(qiáng)，成像直觀，檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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