超聲相控陣的碳纖維復(fù)合材料夾雜缺陷檢測(cè)方法

袁 月 施麗蓮

(1．紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興312000;2．紹興文理學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，浙江 紹興312000)

碳纖維復(fù)合材料由多種性質(zhì)各異的材料復(fù)合而成，是一種高性能復(fù)合材料．多種性質(zhì)的材料在性能和功能上互相彌補(bǔ)，使碳纖維復(fù)合材料的綜合性能比單一材料更有優(yōu)勢(shì)［1］，從而可以在各種場(chǎng)合下被應(yīng)用，如航空航天、體育器械、土木工程、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［2－4］．在碳纖維復(fù)合材料的前期制作和長(zhǎng)期使用中，很可能會(huì)出現(xiàn)夾雜、分層、孔隙、裂紋、脫黏等各式各樣的缺陷．這些缺陷的產(chǎn)生將嚴(yán)重影響材料的穩(wěn)定性，同時(shí)也使碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用受到限制，導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失、人身安全問(wèn)題和構(gòu)筑物的質(zhì)量問(wèn)題［5－8］．夾雜缺陷是碳纖維復(fù)合材料中最重要的缺陷之一，聚乙烯和粗粉塵這些雜質(zhì)混入是導(dǎo)致夾雜缺陷出現(xiàn)的重要原因．夾雜物在各種成形方法中都有可能產(chǎn)生，如樹(shù)脂中存在小凝塊以及材料中存在夾雜物［9－12］．夾雜缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重影響材料的性能，甚至存在安全隱患，準(zhǔn)確地檢測(cè)出材料中的夾雜缺陷至關(guān)重要．

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是被檢測(cè)對(duì)象無(wú)破壞的條件下，根據(jù)材料內(nèi)部缺陷對(duì)聲、光等發(fā)生的變化，快速便捷地對(duì)材料內(nèi)部缺陷的類(lèi)型、數(shù)量、位置等特征進(jìn)行分析的方法［13－14］．超聲檢測(cè)、聲敲擊、X 射線和紅外熱成像等無(wú)損檢測(cè)方法被廣泛用于碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)［15］．其中超聲相控陣技術(shù)憑借其高效率、聲束可控和快速成像性能等優(yōu)勢(shì)在碳纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)領(lǐng)域中脫穎而出．本文提出了一種基于超聲相控陣的碳纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)方法．通過(guò)超聲相控陣探傷儀掃描碳纖維復(fù)合材料，結(jié)合A 掃描圖像和C 掃描圖像分析缺陷大小及位置．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效地進(jìn)行夾雜缺陷的識(shí)別．

1 超聲相控陣檢測(cè)原理及特點(diǎn)

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是一種多聲束掃描成像的新型技術(shù)，以亥姆霍茲聲壓積分定理和惠更斯原理為基礎(chǔ)［16］．超聲相控陣檢測(cè)原理如圖1 所示．相控陣系統(tǒng)發(fā)射超聲波，觸發(fā)相控陣控制器發(fā)出電脈沖依次激勵(lì)陣列探頭的晶片從而得到聲束．聲束遇到材料中的缺陷后會(huì)發(fā)生反射且伴隨著一定的時(shí)間間隔［17］．除此之外，在接收回波信號(hào)時(shí)，各換能器晶片上均產(chǎn)生延遲，此延遲的回波信號(hào)需要由相控陣控制器來(lái)控制，相控陣控制器按照接收聚焦法則變換時(shí)間，使信號(hào)匯合在一起［18］，形成A 掃描圖像，準(zhǔn)確地顯示材料中缺陷的回波性質(zhì)．

圖1 超聲相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣控制器可以控制發(fā)射超聲波波束的聲壓分布，達(dá)到偏轉(zhuǎn)、聚焦及掃描等控制效果［19］．這不僅可以提高缺陷檢測(cè)的速度，還提高了對(duì)缺陷各個(gè)特征檢測(cè)的精度［20］．因此，雖然超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)和傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所屬的范疇相似，但是超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)在性能和功能等諸多方面比傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)．和傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，超聲相控陣無(wú)損檢測(cè)的聲束能多角度、多方向地掃查工件，能夠?qū)?fù)雜形狀的工件進(jìn)行全方位掃查，可識(shí)別性好且提高了檢測(cè)速度．

2 碳纖維復(fù)合材料缺陷圖像的獲取

碳纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示．本實(shí)驗(yàn)裝置由超聲相控陣探傷儀、探頭、契塊和編碼器等組成．實(shí)驗(yàn)所用相控陣探傷儀采用多浦樂(lè)PHASCAN，超聲陣列探頭規(guī)格為D3－5L64－0.5* 10，契塊規(guī)格為SD3－N0L，掃查器為多浦樂(lè)MOS－01 鼠標(biāo)式單探頭掃查器，可以向Φ100 mm 以上平板對(duì)接焊縫的單相控陣探頭檢測(cè)．由圖2 所示實(shí)驗(yàn)裝置可以提取相控陣探傷儀檢測(cè)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各種圖像．

圖2 碳纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

超聲相控陣檢測(cè)有最基本的五種顯示:A 掃圖、B 掃圖、C 掃圖、D 掃圖和S 掃圖等．A 掃圖是以時(shí)間作為橫軸，回波幅值為縱軸的一維檢波信號(hào)，為波形掃描圖．B 掃圖、C 掃圖和D 掃圖均為平面投影圖，分別是側(cè)視圖、平面圖和端視圖．扇掃描圖像即為S 顯示．本文研究的碳纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)方法是結(jié)合A 掃圖像與C 掃圖像分析缺陷大小及位置．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

本次實(shí)驗(yàn)的材料為200 mm×200 mm×4 mm的碳纖維復(fù)合材料試件．本試件以高強(qiáng)碳纖維材料為增強(qiáng)材料，以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，試件內(nèi)部預(yù)埋應(yīng)用聚四氟乙烯模擬的3 組人工夾雜缺陷．3組缺陷深度有差異，試件共埋9 個(gè)缺陷，第一層編號(hào)1、2、3 預(yù)埋深度為h1(0.5 mm)，第二層編號(hào)4、5、6 預(yù)埋深度為h2(2.5 mm)，第三層編號(hào)7、8、9 預(yù)埋深度為h3(3.5 mm)，同一垂直面上只有一個(gè)缺陷．h1、h2 和h3 預(yù)埋深度分別代表頂層、中間層和底層．試件缺陷具體參數(shù)如圖3所示．

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，需要設(shè)置相控陣探傷儀的參數(shù)，首先設(shè)置板厚(板厚可設(shè)置比較大的值)、選擇工件材料、根據(jù)探頭標(biāo)識(shí)選擇相應(yīng)的探頭類(lèi)型(D3－5L64－0.5* 10)、選擇相應(yīng)的契塊(SD3－N0L)．超聲掃描探頭的頻率設(shè)為5 MHz，線性陣列，陣元數(shù)64，陣元中心距離為0.5 mm，陣元長(zhǎng)度為10 mm．其次設(shè)置聚焦法則，聚焦法則類(lèi)型為線性掃描，聚焦方式為真實(shí)深度，這里波形選擇的聲速為2 450 m/s 的縱波，根據(jù)工件厚度選擇聚焦深度，一般選擇壁厚或稍大一些．起始陣元范圍為1～64，掃描步長(zhǎng)為1 個(gè)陣元．掃描類(lèi)型選擇A－S－［C］的組合掃描，根據(jù)需要接MOS01編碼器，設(shè)置C－Scan1=A%．最后調(diào)整增益，使波形的幅值達(dá)到80%左右，這時(shí)可以看到完整的幅值．

圖3 碳纖維復(fù)合材料試件

參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用水作為耦合劑以保證探頭與碳纖維復(fù)合材料密切結(jié)合而不存在空氣，減少超聲波在空氣中的損耗．然后沿著碳纖維復(fù)合材料板水平面緩緩移動(dòng)探頭進(jìn)行掃描，檢測(cè)到缺陷并實(shí)時(shí)保存．

3.2 A 掃信號(hào)分析

A 掃圖像顯示是以時(shí)間作為橫軸，回波幅值為縱軸的一維檢波信號(hào)．若材料中有缺陷時(shí)，A掃圖中只存在界面波和底波而不存在缺陷波，若材料中有缺陷時(shí)A 掃圖中還存在介于界面波和底波之間的缺陷波，缺陷波幅值和缺陷的大小、類(lèi)型等物理性質(zhì)有很大的關(guān)系．當(dāng)材料里面存在較大破壞性的缺陷時(shí)，底面回波有可能會(huì)消失．材料中缺陷的深度可以通過(guò)A 掃圖得出，由圖中缺陷波所在位置對(duì)應(yīng)時(shí)間與聲波在被測(cè)材料中的傳播速度計(jì)算得出，通過(guò)幅值大小可得出相對(duì)缺陷大小．

實(shí)驗(yàn)中，超聲相控陣檢測(cè)得出的A 掃描圖像如圖4 所示，圖4(a)(b)(c)和(d)代表不同深度的聚四氟乙烯夾雜缺陷，分別是無(wú)缺陷、頂層缺陷、中間層缺陷和底層缺陷．

圖4 碳纖維復(fù)合材料的A 掃圖像

通過(guò)分析可知，當(dāng)碳纖維復(fù)合材料無(wú)缺陷時(shí)，A 掃圖中會(huì)出現(xiàn)表面回波和底面回波并且幅值沒(méi)有大幅度波動(dòng)，處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)．頂層缺陷距離表面很近，缺陷回波容易受到表面回波的干擾，導(dǎo)致缺陷回波幅值很小，而由于存在缺陷導(dǎo)致底面回波幅值大幅減小或者直接消失．中間層缺陷由于位于底層和表層中間，缺陷回波幅值相對(duì)于頂層缺陷和底層缺陷的缺陷回波有所提升，底面回波依然很小．底層缺陷由于距離底面很近，缺陷回波容易受到底面回波的干擾，導(dǎo)致缺陷回波幅值很小，底面回波幅值同樣很?。?/p>

根據(jù)圖4 結(jié)果顯示，若碳纖維復(fù)合材料中存在缺陷，則底面回波會(huì)大幅度減小或者直接消失．在實(shí)際中，缺陷回波最大時(shí)，超聲波入射方向與缺陷表面垂直．當(dāng)超聲波入射方向與缺陷表面成一定角度時(shí)，缺陷回波幅值會(huì)隨角度的增大而減小．

3.3 C 掃描圖像分析

A 掃的檢波信號(hào)經(jīng)圖像處理可以轉(zhuǎn)換為C掃圖像．C 顯示為平面圖的二維顯示，有兩個(gè)軸，一個(gè)軸為機(jī)械軸，另一個(gè)軸通過(guò)電子掃描實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示的位置為檢測(cè)時(shí)編碼器所在的位置．根據(jù)超聲波實(shí)時(shí)的C 掃描圖像，可以顯示材料內(nèi)部缺陷的輪廓、形狀、顏色、位置等特征，而不能顯示缺陷在材料中的深埋程度．實(shí)驗(yàn)中，超聲相控陣檢測(cè)得出的C 掃描圖像如圖5 所示，圖5(a)(b)和(c)代表不同深度和不同截面位置預(yù)埋的聚四氟乙烯夾雜缺陷．圖5(a)對(duì)應(yīng)圖3 試件中的缺陷1、2、3，圖5(b)對(duì)應(yīng)圖3 試件中的缺陷4、5、6，圖5(c)對(duì)應(yīng)圖3 試件中的缺陷7、8、9．顯然，圖5 所示的C 掃圖像不能顯示缺陷的深度信息，但能顯示某一深度截面的位置信息．為了能定量分析C 掃圖像的大小形狀，需要進(jìn)一步對(duì)圖5 所示的C 掃圖像進(jìn)行處理．

圖5 碳纖維復(fù)合材料的C 掃圖像

以頂層缺陷為例，經(jīng)過(guò)圖像處理后的C 掃圖像如圖6 所示．實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)C 掃圖像進(jìn)行灰度圖像轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圖像模糊不清，如圖6(a)所示;然后對(duì)灰度圖像進(jìn)行了圖像增強(qiáng)，圖6(b)為增強(qiáng)后的圖像，缺陷圖像更加清晰;最后經(jīng)過(guò)二值處理，得到較為清晰的二值圖像，如圖6(c)所示，二值圖像清晰地顯示了缺陷外邊緣輪廓信息、大小和位置信息．

圖6 圖像處理后的C 掃圖像

通過(guò)計(jì)算二值圖像中的像素個(gè)數(shù)，可以提取缺陷的面積、周長(zhǎng)和缺陷坐標(biāo)等信息．以試件的左上角為坐標(biāo)原點(diǎn)，表1 列出了圖3 試件中不同深度的缺陷信息．實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與人工預(yù)埋的夾雜缺陷形狀、位置等基本一致，說(shuō)明C 掃描圖像在材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)中效果很好．

表1 缺陷的C 掃圖像信息

4 結(jié)論

本文研究了碳纖維復(fù)合材料的夾雜缺陷檢測(cè)方法，結(jié)合A 掃描圖像和C 掃描圖像，可以有效地檢測(cè)出材料內(nèi)部的夾雜缺陷．通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出如下結(jié)論:

1. 若碳纖維復(fù)合材料中存在缺陷，超聲相控陣A 掃圖像顯示缺陷波，底面回波會(huì)大幅度減小或者直接消失．

2. 若碳纖維復(fù)合材料中存在缺陷，超聲相控陣C 掃描圖像可以顯示和人工預(yù)埋的缺陷形狀、位置等一致的夾雜缺陷．

此后將進(jìn)一步研究碳纖維復(fù)合材料其它缺陷的超聲相控陣檢測(cè)方法，并將此方法應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中．