大型曲面復(fù)合材料超聲檢測(cè)技術(shù)

王燕 劉艷珍

摘 要：超聲檢測(cè)技術(shù)作為當(dāng)前重要檢測(cè)技術(shù)之一，在多種材料的檢測(cè)中有著廣泛應(yīng)用。大型曲面復(fù)合材料一般來(lái)說(shuō)具有較多缺陷例如孔洞、分層以及夾雜等，利用超聲檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出曲面符合材料內(nèi)部所有的缺陷，從而為材料的分級(jí)和豐谷提供參考。本文主要通過(guò)對(duì)大型曲面復(fù)合材料超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探討，研發(fā)了無(wú)損超聲檢測(cè)系統(tǒng)，希望能夠給材料檢測(cè)工作提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：大型曲面；復(fù)合材料；超聲檢測(cè)技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.016

1 前言

復(fù)合材料同時(shí)具備多種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗腐蝕性能和較高的強(qiáng)度，在多種領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在復(fù)合材料制備過(guò)程中，由于復(fù)合工藝問(wèn)題以及技術(shù)不足等原因往往會(huì)造成符合材料成品出現(xiàn)缺陷，直接影響材料的質(zhì)量。因此，采取有效的方法對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)是十分必要的。目前來(lái)看，超聲檢測(cè)方法是復(fù)合材料檢測(cè)過(guò)程中常用的方法之一，利用超聲波的變化特點(diǎn)能夠較為準(zhǔn)確的反映材料缺陷，且對(duì)材料本身的損傷較小，十分有利于發(fā)展復(fù)合材料領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)[1]。

2 復(fù)合材料超聲檢測(cè)

2.1 超聲透射檢測(cè)法

當(dāng)超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)，材料會(huì)對(duì)超聲波進(jìn)行反射或者吸收造成超聲波的衰減，且衰減強(qiáng)度隨著傳播距離的增加而越發(fā)加大。在材料內(nèi)部，聲波的散射、擴(kuò)散以及材料介質(zhì)的吸收是超聲波衰減的主要原因，當(dāng)超聲波傳播過(guò)程中遇見(jiàn)復(fù)合材料的缺陷例如夾雜和孔洞時(shí)，會(huì)造成超聲波不斷散射而明顯衰減。[2]由于超聲波衰減的強(qiáng)度與材料內(nèi)部缺陷的種類和程度有關(guān)，因此利用超聲波衰減的數(shù)據(jù)可以初步判斷缺陷的數(shù)量以及缺陷類型。相對(duì)來(lái)說(shuō)，超聲透射檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，成本較低，耗費(fèi)的材料也相對(duì)較少，但精度不高，適用于精度要求不高的工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 測(cè)量理論

利用耦合劑和發(fā)射探頭將超聲波入射到被測(cè)材料的內(nèi)部，并將入射截面為零界面，得到入射波超聲波在材料內(nèi)部的傳播關(guān)系。當(dāng)超聲波在不同介質(zhì)之間傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生透射和反射，根據(jù)能量守恒定律可以得到超聲波的透射系數(shù)和反射系數(shù)。隨著距離的不斷增加，超聲波在介質(zhì)傳播中會(huì)伴隨衰減，通過(guò)相應(yīng)計(jì)算我們可以得到聲壓的衰減規(guī)律。

2.3 C掃描檢測(cè)原理

假設(shè)復(fù)合材料內(nèi)部沒(méi)有任何缺陷，材料另一側(cè)的接收探頭能夠接受到更強(qiáng)的超聲波信號(hào)。當(dāng)材料內(nèi)部存在較小的缺陷時(shí)，被缺陷反射出部分超聲波，而造成接收位置處聲波衰減，當(dāng)復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷較大時(shí)，入射的超聲波會(huì)完全被缺陷反射，從而無(wú)法在接收位置處檢測(cè)到超聲波信號(hào)。在實(shí)際超聲檢測(cè)過(guò)程中，可以使用脈沖波或者連續(xù)波進(jìn)行超聲檢測(cè)，連續(xù)波的使用方法比較簡(jiǎn)單，但是由于使用過(guò)程中很可能在工件內(nèi)部產(chǎn)生駐波而造成透射量不穩(wěn)定，因此大多使用脈沖波，保證檢測(cè)的效率。

超聲C掃描是指在水平面內(nèi)利用超聲探頭進(jìn)行逐行掃查而得到透射波圖像的一種成像方式。在C掃描系統(tǒng)工作中，計(jì)算機(jī)利用觸發(fā)裝置和脈沖裝置得到激勵(lì)信號(hào)，并刺激相關(guān)晶片產(chǎn)生超聲波，然后聲波由復(fù)合材料另一側(cè)的晶片接收，接收到的超聲波經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并經(jīng)由放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)字處理工作。計(jì)算機(jī)掃描平臺(tái)對(duì)樣品進(jìn)行水平面二維掃描控制，得到二維圖像并傳輸?shù)诫娔X中得到超聲圖像。

3 曲面復(fù)合材料雙機(jī)械手測(cè)量技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)大型曲面符合材料測(cè)量中，雙關(guān)節(jié)機(jī)械手發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。相對(duì)于普通檢測(cè)方式來(lái)說(shuō)，雙關(guān)節(jié)機(jī)械手的重復(fù)性更高，檢測(cè)速度更快且成本相對(duì)較低。利用雙機(jī)械手不僅能夠極大地提高測(cè)量精度，而且在很大程度上解放了人力，更為自動(dòng)化和技術(shù)化。

3.1 空間任意曲面超聲透射檢測(cè)路徑規(guī)劃技術(shù)

大型曲面復(fù)合材料具有一定的表面曲率，因此在對(duì)其進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的散射、反射以及折射等光學(xué)行為，造成超聲波信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確入射到工件內(nèi)部。在實(shí)際檢測(cè)中，可以應(yīng)用超聲探頭追蹤工件形狀變化，要求曲面發(fā)現(xiàn)方向與超聲波入射方向一致，從而保障超聲波信號(hào)能夠較強(qiáng)的入射到工件之中。另外，在外表面法線矢量與探頭實(shí)際位置出現(xiàn)偏差之時(shí)，聲波的散射受到缺陷以及構(gòu)件形狀的影響更大，造成實(shí)際由探頭接收到的聲波更少，而無(wú)法精確檢測(cè)試件內(nèi)部的缺陷情況。所以，需要保證探頭指向能夠被檢測(cè)設(shè)備精確控制，使得檢測(cè)方向能夠與探頭指向完全一致。在自動(dòng)化檢測(cè)進(jìn)程中，獲得相關(guān)曲面坐標(biāo)數(shù)據(jù)是自動(dòng)化檢測(cè)的前提，在檢測(cè)系統(tǒng)中，由于工具坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系是相互獨(dú)立的，因此首先需要完成公共坐標(biāo)系的建立，以保證兩個(gè)機(jī)械手的同步機(jī)械檢測(cè)。

3.2 雙機(jī)械手超聲透射檢測(cè)控制系統(tǒng)

雙機(jī)械手的檢測(cè)控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是對(duì)機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制，高端機(jī)械手靈活性好、機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)且工作速度快，被廣泛應(yīng)用在雙機(jī)械手控制系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，我們采用的上下位機(jī)控制結(jié)構(gòu)形式可以更好的保證系統(tǒng)的控制精度和實(shí)時(shí)控制。工控機(jī)是一臺(tái)上位機(jī)，主要是進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控、任務(wù)分配以及路徑規(guī)劃等?？刂破骼肞C控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)字和總線控制方案，并通過(guò)DSI實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)編碼，完成傳感器的信號(hào)采集和處理。在檢測(cè)過(guò)程中，機(jī)械手同時(shí)夾持換能器在大型曲面復(fù)合材料表面運(yùn)動(dòng)，使得發(fā)射換能器與接收換能器的平面位置保持一致，同時(shí)保證超聲波可以垂直入射。兩個(gè)機(jī)械手要根據(jù)工作的實(shí)際情況合理調(diào)整位置，保證超聲波入射的效率和有效性，從而能夠得到更為精確的檢測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超聲波檢測(cè)技術(shù)在大型曲面復(fù)合材料檢測(cè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，本文從超聲波檢測(cè)技術(shù)的原理入手，重點(diǎn)介紹了無(wú)損超聲波檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的構(gòu)造方法，從而實(shí)現(xiàn)大型曲面復(fù)合材料缺陷的精確檢測(cè)，提高檢測(cè)的效率，減少檢測(cè)成本，為相關(guān)的復(fù)合材料檢測(cè)行業(yè)提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]Li C，Crosky JA.The effect of carbon fabric treatment on delamination of 2D-C /C composites[J].Compos Sci Tech， 2006，66（15）：2633-2638.

[2]Jeong H，Hsu DK.Experimental analysis of porosity-induced ultrasonic attenuation and velocity change in carbon composites[J].Ultrasonics，1995，33（03）：195-203.