蜂窩共固化結(jié)構(gòu)高分辨率超聲C掃描方法及應(yīng)用

，，，，

(1.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司技術(shù)基礎(chǔ)研究院， 北京 101300;2.北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院， 北京 100083)

共固化是一種較為高效的復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)制造方法，目前已廣泛用于復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的制造中。與多次膠接固化成型的復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)相比，共固化蜂窩結(jié)構(gòu)在成型過程中，不同部件之間的連接在一次固化過程中就可完成。因此，通常要求對此結(jié)構(gòu)中的各部件及其連接部位進(jìn)行無損檢測。對于工程應(yīng)用中的蜂窩結(jié)構(gòu)，特別是鋁蜂窩膠接結(jié)構(gòu)，敲擊和聲振檢測方法是兩種廉價(jià)的無損檢測方法[1-4]，這類檢測方法是基于聲波在被測蜂窩結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)特性對缺陷進(jìn)行判別的，對蒙皮-蜂窩芯界面較大的空隙脫粘敏感，比較適合金屬蜂窩結(jié)構(gòu)中較大的空隙脫粘的檢測。隨著各種復(fù)材蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在飛機(jī)工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，對其的檢測要求也不斷提高，除了要求檢出蒙皮-蜂窩芯膠界面較大的空隙脫粘外，還要求檢出蒙皮中的分層、夾雜、疏松、貧膠等缺陷，而且要求給出檢出缺陷的確切位置。在這種情況下，敲擊、聲振、紅外等檢測方法就顯得力不從心了。而超聲檢測是基于聲波在材料中的彈性響應(yīng)和傳播行為進(jìn)行缺陷檢測和判別的，即使是一些小的缺陷，往往也會(huì)引起顯著的彈性響應(yīng)和傳播行為的變化。因此，超聲方法是復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)中的分層、夾雜、疏松、貧膠、孔隙、沖擊損傷等缺陷的主要檢測方法[5-6]，也易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測和可視化快速檢測[7]。

超聲檢測方法主要有兩種，一種是采用超聲穿透法對復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行無損檢測[8]。使用超聲穿透法時(shí)，入射聲波需要經(jīng)過多次蒙皮-蜂窩界面的反射和透射，加上結(jié)構(gòu)中的聲波衰減非常強(qiáng)烈，使得透過的超聲信號更加微弱，而提高增益又會(huì)使信噪比明顯變差，因此，當(dāng)蜂窩芯高度超過40 mm時(shí)，一般不宜采用這種檢測方法；另一方面，超聲穿透法難以確定檢出缺陷的具體深度位置；且當(dāng)蜂窩芯壁與蒙皮的相對幾何位置出現(xiàn)傾斜或者蜂窩芯不垂直蒙皮時(shí)，易得到不正確的結(jié)果顯示。另一種方法是超聲反射法[6,9-10]，其可以彌補(bǔ)穿透法的上述不足，但由于復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)(包括多次膠接和共固化蜂窩結(jié)構(gòu))的蒙皮通常比較薄(一般小于2 mm厚)，需要采用的超聲檢測技術(shù)(包括檢測儀器設(shè)備和換能器)必須具有非常高的縱向分辨率和非常小的表面檢測盲區(qū)。解決的途徑之一是采用20 MHz～30 MHz的高頻超聲檢測方法[9-10]，但過高的檢測頻率會(huì)影響聲波的穿透能力。

筆者介紹了一種基于寬帶窄脈沖的超聲C掃描檢測方法，該方法可在不明顯提高超聲波檢測頻率的情況下，獲取高的檢測分辨率和微小的檢測盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料蜂窩夾芯共固化結(jié)構(gòu)的無損檢測和缺陷定量評估。

1 檢測方法

1.1 檢測原理與缺陷判別方法

利用入射脈沖超聲波在被測復(fù)合材料蜂窩夾芯共固化結(jié)構(gòu)中形成的反射聲波進(jìn)行缺陷檢測的原理示意如圖1所示。該方法通過超聲換能器向被測結(jié)構(gòu)部位發(fā)射超聲脈沖波I，I在共固化結(jié)構(gòu)中形成入射聲波，當(dāng)上蒙皮(對應(yīng)圖1中聲波入射一側(cè)的蒙皮)及上蒙皮-蜂窩夾芯膠接界面沒有缺陷時(shí)(見圖1中位置1)，入射聲波在上蒙皮中會(huì)形成反射聲波F和B1，經(jīng)換能器接收和轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的時(shí)域可分辨的超聲回波信號F和B1，如圖1(b)所示。圖1(b)中，F(xiàn)為來自上蒙皮表面的反射聲波信號；B1為來自上蒙皮-蜂窩芯界面的反射聲波信號；tFB1為F與B1之間的時(shí)間間隔，對應(yīng)聲波在上蒙皮中的傳播時(shí)間;B2為來自蜂窩芯-下蒙皮界面的反射聲波信號；B3為來自下蒙皮底面的反射聲波信號。

由于受蜂窩壁幾何尺寸(邊長和壁厚)限制和蜂窩壁中聲波衰減等因素的影響，通常B2和B3幅值遠(yuǎn)小于B1。

圖1 復(fù)合材料蜂窩共固化結(jié)構(gòu)反射法檢測原理

當(dāng)上蒙皮-蜂窩芯存在脫粘時(shí)(見圖1中位置②)，入射聲波將會(huì)在蒙皮-蜂窩芯脫粘部位產(chǎn)生反射聲波D1，且D1在時(shí)域上出現(xiàn)在B1位置附近，用tFD1表示F與D1之間的時(shí)間間隔，在忽略膠膜厚度的情況下，tFD1≈tFB1，在其他條件相同時(shí)，此時(shí)D1的幅值會(huì)明顯大于B1的幅值。

當(dāng)蒙皮內(nèi)部存在缺陷(如分層)時(shí)(見圖1中位置③)，入射聲波會(huì)在缺陷周圍產(chǎn)生反射聲波D2，且會(huì)有tFD2

因此，當(dāng)所采用的超聲檢測系統(tǒng)和換能器接收到的超聲回波信號F、B1、D1、D2在時(shí)域上可分辨時(shí)，即可利用上述方法對復(fù)合材料共固化蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)施檢測，進(jìn)行缺陷判別并確定缺陷的具體位置。

1.2 檢測設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料共固化蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的反射法檢測，筆者所在團(tuán)隊(duì)研制了高分辨率超聲自動(dòng)掃描檢測系統(tǒng)(MUI-21和 CUS-6000)和FJ系列高分辨率超聲換能器。該檢測系統(tǒng)采用寬帶窄脈沖激勵(lì)方式，主要由超聲發(fā)射/接收單元、信號處理單元、掃描機(jī)構(gòu)、控制單元、成像顯示單元以及超聲換能器與水耦合系統(tǒng)等構(gòu)成(見圖2)。其中，超聲單元與FJ系列換能器(點(diǎn)聚焦，焦點(diǎn)直徑在0.5～0.8 mm之間選擇，焦距在45～60 mm之間選擇，頻率在5 MHz～10 MHz之間)匹配，產(chǎn)生寬帶窄脈沖超聲波信號，并保證在時(shí)域上能夠清晰地分辨出來自共固化結(jié)構(gòu)中的超聲回波信號F和B1;耦合可選擇噴水或水膜耦合方式。根據(jù)共固化結(jié)構(gòu)的幾何特征，可選擇采取垂直或水平姿態(tài)進(jìn)行超聲掃描檢測。檢測時(shí)，根據(jù)這類結(jié)構(gòu)件的大小和缺陷檢出要求，選擇(x，y，z)掃描機(jī)構(gòu)的掃描范圍、步進(jìn)量和掃描速度。通過設(shè)置超聲信號閘門和信號增益，獲取B1、D1、D2和tFB1、tFD1、tFD2等檢測信息，用于檢測結(jié)果的超聲成像顯示，進(jìn)行檢出缺陷定量評估，確定其大小、深度位置與性質(zhì)等。

圖2 復(fù)合材料蜂窩共固化結(jié)構(gòu)反射法檢測系統(tǒng)基本構(gòu)成

2 對比試樣制備

圖3 對比試樣的結(jié)構(gòu)及缺陷大小與分布示意

根據(jù)被測復(fù)合材料蜂窩夾芯共固化結(jié)構(gòu)的幾何和工藝特征，設(shè)計(jì)制備了一典型的超聲檢測對比試樣，試樣由上下蒙皮和蜂窩芯構(gòu)成，蒙皮厚度約2 mm，選用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的T300碳纖維/BA9916環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料，其單個(gè)鋪層的標(biāo)稱厚度約0.125 mm，采用多向鋪層。蜂窩芯選用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司生產(chǎn)的NRH-2-48(0.05)型號產(chǎn)品。蒙皮-蜂窩芯膠膜型號為J-272C，厚度約0.25 mm。試樣中分別預(yù)置有上下兩排脫粘，大小及其分布如圖3所示，采用放置聚四氟乙烯薄膜方式模擬蒙皮-蜂窩芯脫粘，缺陷間的設(shè)計(jì)間距約為50 mm(實(shí)際放置和成型過程中，可能會(huì)有少量的偏移，但不影響缺陷的模擬)，其中，第1排為蒙皮-蜂窩芯界面的膠膜下脫粘，即膠膜-蜂窩芯脫粘；第2排為蒙皮-蜂窩芯界面的膠膜上脫粘，即蒙皮-膠膜脫粘。圖3中兩排模擬脫粘所用的聚四氟乙烯薄膜的直徑依次為3，6，12 mm，由于受蜂窩芯格的影響，在試樣中形成的實(shí)際脫粘缺陷會(huì)與相對應(yīng)的聚四氟乙烯薄膜的尺寸有所不同，蜂窩格邊長b越大，這種差異會(huì)越大，缺陷偏差一般不會(huì)超過2b。在實(shí)際檢測中，一般用所放置的聚四氟乙烯薄膜的尺寸表征模擬脫粘的大小，以此設(shè)置檢測靈敏度和評定檢出脫粘大小。

3 檢測結(jié)果與分析

3.1 超聲回波信號特征及其分析

圖4(a)和(b)分別為對比試樣中無缺陷區(qū)和膠膜上脫粘缺陷區(qū)的典型超聲A掃描回波信號，圖中F為來自蒙皮表面的聲波反射信號，稱為F波；B1為來自蒙皮-蜂窩芯界面的聲波反射信號，稱為B1波；D1為來自蒙皮-蜂窩芯界面脫粘的聲波反射信號，稱為D1波；1為D1波的二次聲波反射信號。

選擇10 MHz的FJ系列高分辨率超聲換能器，點(diǎn)聚焦，焦點(diǎn)約0.8 mm，焦距約50 mm。從圖4可清晰地看出其具有以下特征：

(1) F、B1、D1、1波具有高質(zhì)量的單周脈沖特性，在時(shí)域上能夠清晰地分辨出入射聲波在蒙皮、蒙皮-蜂窩芯界面和脫粘周圍產(chǎn)生的反射信號F、B1、D1、1。

(2) F、B1、D1、1波存在相位變化，其中F波與D1波的相位正好相反，這與F波與D1波遇到的反射界面不同有關(guān)。

(3) B1波與D1波的形狀不同，在無缺陷區(qū)，B1波會(huì)出現(xiàn)多個(gè)小波峰，而在脫粘區(qū)，D1波呈現(xiàn)明顯大的單波峰特征，這與B1波和D1波遇到的反射界面密切有關(guān)。

(4) 另一個(gè)更為重要的信號特征是，在缺陷區(qū)，D1波的幅值比B1波的幅值明顯大，二者相差約11 dB。

圖4 典型超聲A掃描顯示信號

圖4中的檢測結(jié)果表明，根據(jù)B1波的變化和D1波的特征，可以非常清晰地進(jìn)行脫粘缺陷的判別,基于這些超聲信號特征，設(shè)置相應(yīng)的檢測參數(shù)，即可通過C掃描成像方式實(shí)現(xiàn)蜂窩共固化結(jié)構(gòu)的無損檢測與缺陷定量評估。

3.2 試樣的超聲C掃描結(jié)果及其分析

圖5為對復(fù)合材料蜂窩夾芯共固化結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行超聲C掃描得到的典型檢測結(jié)果，檢測采用反射法，掃描速度為100 mm·s-1，步進(jìn)為1 mm。從圖5中可以清晰地看到蜂窩格呈現(xiàn)出均勻分布規(guī)律，如圖中字母C所標(biāo)示的白色亮斑所示，灰度越亮處對應(yīng)的超聲信號幅值越大。試樣中的兩排預(yù)置脫粘缺陷也非常清晰，其中，靠近下部的3個(gè)檢出缺陷F1、F2、F3為試樣中第一排蒙皮-蜂窩芯膠接界面中的膠膜下脫粘缺陷(即膠膜-蜂窩芯界面脫粘)的檢出結(jié)果，其大小和分布特征與圖3中對應(yīng)的第一排膜下脫粘完全一致。從圖5中還可以得到膠膜下脫粘的尺寸，如表1所示，為了比較脫粘的特征尺寸，這里采用缺陷水平方向(即x方向)和垂直方向(即y方向)的等效投影長度表征脫粘的尺寸大小，用|Δx|表示在x方向超聲C掃檢出缺陷尺寸與試樣中設(shè)計(jì)脫粘尺寸的偏差，用|Δy|表示在y方向C掃檢出缺陷尺寸與設(shè)計(jì)脫粘尺寸的偏差。這里，缺陷的設(shè)計(jì)尺寸以在脫粘區(qū)放置的聚四氟乙烯的尺寸為參考。從表1可以看出：① 檢出尺寸與設(shè)計(jì)值之間的最大偏差為2 mm，最小偏差為1 mm，根據(jù)試樣選用的蜂窩芯規(guī)格，蜂窩格的邊長為2 mm(即b=2 mm)，最大的檢出缺陷偏差均在2b(4 mm)內(nèi)，表明膜下脫粘超聲C掃描檢出尺寸與缺陷設(shè)計(jì)值的一致性較好；② 檢出的3個(gè)膜下脫粘F1、F2、F3的分布特征與圖3給出的設(shè)計(jì)預(yù)期分布規(guī)律非常吻合。

圖5 蜂窩共固化結(jié)構(gòu)試樣的超聲C掃描成像結(jié)果

表1 膜下脫粘檢出尺寸與設(shè)計(jì)值的對比mm

從圖5還可看出，相比試樣中膜下脫粘的成像顯示，位于蒙皮-蜂窩芯界面的膜上脫粘缺陷更清晰可見，如圖5中F4、F5、F6標(biāo)示的白色亮斑區(qū)，其分布及對應(yīng)的尺寸與圖3中的設(shè)計(jì)值完全一致，且從圖中可得出F4、F5、F6的尺寸，如表2所示。從表2可以看出：① 膜上脫粘檢出尺寸與設(shè)計(jì)值之間的最大偏差|Δx|max=|Δy|max=2 mm，最小偏差|Δx|min=|Δy|min=1 mm，而且|Δx|max<2b,|Δy|max<2b，表明超聲C掃檢出的膜上脫粘的尺寸與設(shè)計(jì)值一致性較好；② 膜上脫粘F4、F5、F6的分布特征、相對位置與圖3中的設(shè)計(jì)結(jié)果同樣非常吻合。

表2 膜上脫粘檢出尺寸與設(shè)計(jì)值的對比 mm

比較表1 和表2中的脫粘檢出結(jié)果，可以看出，膜下脫粘檢出尺寸比膜上脫粘檢出尺寸受蜂窩芯的影響要明顯一些。例如，膜上脫粘F6的檢出尺寸與設(shè)計(jì)值幾乎一致，膜下脫粘F3的檢出尺寸在x和y方向的等效投影長度與設(shè)計(jì)值的偏差分別為|Δx|=1 mm、|Δy|=2 mm。

比較圖5中膜上和膜下脫粘的超聲C掃圖像灰度可以清晰地看出，膜上脫粘對應(yīng)的灰度要比膜下脫粘對應(yīng)的灰度更加明亮些。這是因?yàn)槿肷涑暡ㄔ谀ど厦撜承纬傻姆瓷湫盘栆仍谀は氯毕菪纬傻姆瓷湫盘柛訌?qiáng)烈，主要是膜上脫粘和膜下脫粘缺陷所形成的等效聲波反射面積不同造成的：在膜上脫粘區(qū)，等效聲波反射面積差ΔSu為缺陷區(qū)內(nèi)整個(gè)聲束的作用面積；而在膜下脫粘區(qū)，等效聲波反射面積差為聲束作用面積內(nèi)的蜂窩芯壁的截面積之和ΔSc，由于采用的換能器的聲束面積Su遠(yuǎn)比聲束作用面積內(nèi)的蜂窩壁的截面積之和ΔSc大，即有ΔSc?ΔSu，再加上來自膜下缺陷的聲波在膠層中的衰減和聲波在蒙皮-膠膜界面的反射引起的入射聲波損失，在其他條件一定時(shí)，來自膜上脫粘的聲波反射信號要比來自膜下缺陷的聲波反射信號要大。因此，在超聲C掃圖像中，對應(yīng)膜上脫粘的灰度要比膜下脫粘的灰度更加明亮。

除了圖5中膜上和膜下脫粘清晰可見外，在掃描圖像的右側(cè)，還有一條淺灰色帶，如圖中Fu所標(biāo)示的灰度區(qū)所示，其從上到下呈現(xiàn)規(guī)則分布，這可能與試樣制作時(shí)，在該部位左右兩側(cè)的膠膜拼接有關(guān)。

3.3 零件的超聲C掃檢測結(jié)果及其分析

利用所建立的高分辨率超聲C掃檢測方法及其檢測設(shè)備，在系列檢測驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對大量的復(fù)合材料蜂窩共固化結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行了實(shí)際檢測應(yīng)用和結(jié)果分析，這些共固化結(jié)構(gòu)零件的蒙皮材料、蜂窩芯、成型工藝等，與對比試樣一致。圖6中給出了某蜂窩共固化結(jié)構(gòu)零件的C掃描檢測結(jié)果，其檢測參數(shù)與檢測試樣時(shí)的相同。由于實(shí)際零件非常大(長達(dá)3 500 mm)，為了清晰地顯示C掃描結(jié)果，在圖6中僅給出了其C掃描的一部分。從圖6中可以非常清晰地看出：① 被測零件內(nèi)部蜂窩芯分布非常均勻，沒有出現(xiàn)圖5中所示的蒙皮-蜂窩芯脫粘的灰度顯示；② 沒有出現(xiàn)蒙皮區(qū)缺陷的灰度顯示，因?yàn)閳D中對應(yīng)蜂窩芯的灰度分布非常均勻，這表明入射聲波能夠正常透過蒙皮到達(dá)蒙皮-蜂窩芯界面，而如果在蒙皮區(qū)存在缺陷，則會(huì)影響入射聲波在蒙皮-蜂窩芯界面的反射，從而導(dǎo)致C掃結(jié)果中，相應(yīng)蜂窩芯的灰度分布異常，相關(guān)的檢測應(yīng)用結(jié)果將在后續(xù)的有關(guān)論文中介紹；③ 顯示出了被測零件內(nèi)部加強(qiáng)筋的形狀及其分布特征(如圖中A1、A2、A3、A4所標(biāo)示的矩形淺灰色區(qū)所示)，也能清晰地看出零件四周邊緣的筋條區(qū)，只是圖中給出的是部分成像結(jié)果，其左右邊緣的筋條區(qū)沒有在圖中顯示出來。

圖6 某復(fù)合材料共固化蜂窩結(jié)構(gòu)零件的部分超聲C掃成像結(jié)果

4 結(jié)論

基于超聲反射原理，利用高分辨率超聲檢測方法和研制的檢測系統(tǒng)，可以清晰地提取來自被測復(fù)合材料蜂窩夾芯共固化結(jié)構(gòu)中蒙皮、蒙皮-蜂窩芯的界面回波信號，而且時(shí)域可分辨、信號質(zhì)量非常高，同時(shí)可以觀察到回波信號的幅值和相位變化細(xì)節(jié)。檢測結(jié)果表明，蒙皮-蜂窩芯無缺陷區(qū)和脫粘區(qū)的回波幅值相差11dB左右，且來自脫粘和無缺陷區(qū)的回波信號的波形和相位規(guī)律也明顯不同，蒙皮-蜂窩芯脫粘檢出尺寸與設(shè)計(jì)值的偏差均在單個(gè)蜂窩格邊長范圍內(nèi)。利用該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)此類共固化結(jié)構(gòu)的無損檢測和缺陷定量評估。利用超聲C掃圖像及其灰度分布規(guī)律可以實(shí)現(xiàn)：① 對缺陷進(jìn)行定量評估；② 對蒙皮-蜂窩芯膠接界面的膜上脫粘和膜下脫粘進(jìn)行識別；③ 得到有關(guān)被測蜂窩共固化零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化特征。文章為復(fù)合材料蜂窩共固化結(jié)構(gòu)提供了一種非常有效的無損檢測方法和手段。