傾角對CFRP試板分層缺陷超聲回波的影響研究

熊文超，龍飛飛

(大連民族大學 機電工程學院，遼寧 大連116605)

碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)具有強度高、密度低、耐腐蝕等優(yōu)良特性，在航空航天、儲罐制造以及運動器材等多方面都得到了廣泛應用[1-3]。但由于其特殊的結構，材料內部容易出現(xiàn)分層等結構損傷，從而降低了材料的使用性能，材料的服役期限減少，甚至造成嚴重的安全事故，因此，對CFRP進行安全檢測與評價非常必要。超聲波檢測技術是從近代發(fā)展起來的一種安全有效的無損檢測技術，適合用于對CFRP進行無損檢測與安全評價。

2011年，夏明星[4]在研究中采用了超聲波掃描方法，觀察了低能量沖擊對含孔隙CFRP層合板力學性能的影響，獲得了較好的觀察效果，但未考慮損傷處幾何形貌對波形傳播的影響。鄔冠華等[5]采用超聲C掃描實現(xiàn)了CFRP沖擊損傷尺寸測量，驗證了其有限元模型的有效性，如能給出實際損傷面積計算過程會更嚴謹。2013年，張惠玲[6]基于穿透法C掃描和反射法A掃描研究了預制CFRP試塊的分層等缺陷，在理論研究和實驗測試中，論證了超聲波檢測CFRP缺陷的可行性，但未能給出預制缺陷與工件表面平行的說明。2014年，周正干等[7]分析了先進復合材料超聲無損檢測新技術的應用，結果表明超聲波在檢測材料分層等缺陷時效果顯著。2016年，劉晶晶[8]采用超聲檢測方法，研究了預制CFRP試塊，驗證了超聲檢測CFRP結構的可行性，但缺少檢測面積理論計算過程。徐幀等[9]通過超聲C掃描獲得了碳纖維層合板的沖擊損傷面積等參數(shù)，實現(xiàn)了損傷狀態(tài)的表征，但對缺陷邊緣的確定需要進一步研究。2017年，張建釗[10]通過建立有限元損傷模型，并對預制復合材料承壓板的分層缺陷試板進行沖擊實驗，最后對沖擊后的試板進行超聲掃描，驗證了模型的準確性，但未考慮實驗過程中工件形貌變化對波形傳播的影響。2020年，張璐等[11]通過制作不同焊透深度的對接焊縫，同時建立仿真模型，研究不同焊透深度對超聲波傳播的影響，獲得了幾何形狀對超聲波傳播的影響遠大于材料性能對超聲波傳播的影響的結論，但是未能給出定量結論。史俊偉等[12]基于超聲反射法對預制CFRP分層缺陷試板進行了超聲檢測表征與定量研究，其定量分層缺陷的精度能夠達到1個鋪層厚度，但未考慮其他制作工藝對復合材料成型的影響。何瀟等[13]采用超聲檢測與CIVA仿真相結合的方式，實現(xiàn)了對不同形式與類別缺陷的表征，但缺少對圖像中缺陷面積的計算與缺陷邊緣標識。王茹等[14]基于超聲C掃描方法研究了復合板的結合面，獲得了清楚準確的圖像，如能清楚標識缺陷圖像邊緣會更合理。

綜上所述，超聲在CFRP分層缺陷檢測中的應用較好，但大部分研究集中于缺陷的檢出和評價，少有研究被檢構件與聲束方向非正交時對檢測結果的影響。本文通過預埋雙層聚四氟乙烯薄膜(PTFE)制成含有分層缺陷的CFRP試板，采用水浸超聲檢測方法，獲取試板在不同傾角下的分層缺陷超聲A掃描信號，通過分析傾角對信號回波能量、峰值到達時間、回波幅值以及缺陷超聲C掃描面積的影響，解決被檢構件存在傾斜情況時缺陷深度和缺陷大小的評價問題。

1 實 驗

1.1 實驗對象

依照標準[15]預制T700樹脂基碳纖維增強復合材料分層試板，如圖1。采用厚度為0.148 mm的碳纖維逐層鋪設，共42層，鋪層方式為[0°/90°]，試板尺寸200 mm×150 mm×6.2 mm。分層缺陷采用厚度0.04 mm、直徑6 mm的圓形聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，兩層，中間用PP-PE塑料膠水黏合而成。預制缺陷置于試板上側第21層與第22層中間。

圖1 預制碳纖維分層試板及缺陷尺寸

1.2 實驗設備

采用TABLET UT超聲儀作為數(shù)據(jù)采集工具。為提高對CFRP試板深度方向的檢測分辨率，需要頻率高且具有聚焦效果的探頭，本實驗選擇中心頻率為10 MHz的水浸超聲波點聚焦探頭，探頭晶片直徑12.7 mm，焦距50.8 mm。

1.3 實驗方法

依照標準[16]選取幅值的0.1倍作為門檻，對超過門檻的分層缺陷回波進行研究。按照0°、0.73°、1.45°、2.18°、2.9°、3.63°、4.36°、5.09°、5.74°依次調整試板，順次完成數(shù)據(jù)采集。采用厚度1.9 mm、直徑25 mm的金屬片，墊起試板200 mm邊長的中心點，計算試板傾斜傾角。

2 結果與討論

本文主要研究傾角對分層缺陷回波的影響，為便于觀察缺陷回波情況，調整缺陷回波起始幅值為0.8，同時利用信號上包絡線獲得回波峰值到達時間[17]；通過計算超過門檻的分層缺陷回波上包絡線與時間軸圍成的曲邊梯形面積，獲得分層缺陷回波能量值，如圖2。分層缺陷回波峰值坐標及能量分別為：a(66.652 519,0.802 092)，0.197 87；b(65.692 519,0.599 532)，0.123 46；c(64.282 519,0.517 366)，0.108 12；d(62.872 148,0.404 846)，0.084 96；e(61.473 53,0.335 574)，0.064 91；f(60.224 856,0.231 868)，0.039 63；g(58.750 341,0.132 933)，0.013 78；其中，h、i分層缺陷回波幅值均低于門檻，不再計算。

a)0° b)0.73° c)1.45°

d)2.18° e)2.9° f)3.63°

g)4.36° h)5.09° i)5.74°圖2 不同傾角下分層缺陷回波

分別對不同傾角下的分層缺陷進行C掃描檢測。傾角在0°到4.36°之間時，分層缺陷回波在門檻以上，而在超過4.36°之后，分層缺陷回波幅值降至門檻以下。從數(shù)據(jù)分布來看，探頭晶片直徑有限的條件下，隨著試板傾角增加，分層缺陷回波被反射到探頭接收范圍以外，這造成探頭接收的缺陷回波幅值低于門檻。

考慮到制造過程中可能產生的誤差及檢測誤差、儀器誤差等因素，選擇以試板傾角為0°時的C掃描面積作為計算相對誤差的真值。實際掃描區(qū)域約為20 mm×20 mm，所獲得的圖像分辨率為60×60。隨著傾角增大，缺陷與正常區(qū)域的區(qū)分難度隨之增大。從獲得的C掃描圖中，肉眼已經較難分辨分層缺陷完整形貌，這是因為分層缺陷回波幅值隨著傾角的增加而降低。

圖像處理軟件計算C掃描結果中的缺陷區(qū)面積，通過合理設置閾值門檻，得到缺陷區(qū)域如圖3，計算結果見表1。

a)0° b)0.73° c)1.45°圖3 圖像處理后的C掃描圖

d)2.18° e)2.9° f)3.63° g)4.36°圖3 圖像處理后的C掃描圖

表1 傾角與分層缺陷回波相關數(shù)值表

結果表明傾角對損傷面積檢測的影響可以忽略不計。對傾角與缺陷回波能量、表面回波到達時間、缺陷回波到達時間、缺陷回波幅值分別采用MATLAB2017a版本軟件中數(shù)據(jù)擬合工具箱進行數(shù)據(jù)分析。結果顯示,隨著傾角增加，這四項數(shù)值總體呈現(xiàn)降低的趨勢。

傾角與分層缺陷回波能量采用最小二乘法擬合，獲得擬合曲線如圖4，曲線方程為y=13.716 69×cos(0.0027 4x+1.558 24)，隨著傾角遞增，分層缺陷回波能量積逐漸降低，并且斜率的變化逐漸減小。

圖4 傾角與缺陷回波能量擬合曲線

傾角與表面回波到達時間采用最小二乘法擬合方法獲得的曲線如圖5，曲線方程為y=-1.842 26x+64.811 73，隨著傾角變大，表面回波到達時間線性降低。

圖5 傾角與表面回波到達時間擬合曲線

傾角與峰值到達時間采用最小二乘法擬合獲得曲線如圖6，曲線方程為y=-1.842 12x+66.862 96，隨著傾角的變大，峰值到達時間線性降低。

圖6 傾角與缺陷回波到達時間擬合曲線

傾角與回波幅值擬合曲線采用傅里葉級數(shù)擬合方法獲得曲線如圖7，曲線方程為y=-0.143 78x+0.745 45，隨著傾角的增加，幅值逐漸減小，并且與傾角呈線性關系。

圖7 傾角與回波幅值擬合曲線

3 結 論

(1)傾角與試板表面回波到達時間呈線性關系，用擬合方程可求試板傾斜角度。這種現(xiàn)象實際上是由水中聲程變化引起，在溫度一定時，聲程與到達時間呈現(xiàn)線性關系。

(2)在0°至4.36°范圍內，傾角與分層缺陷回波達到時間和缺陷回波能量均呈線性關系；若回波達到時間及回波能量滿足擬合方程，可確定缺陷為分層缺陷。擬合曲線是在分層缺陷上制作，實際應用需要考慮與其他缺陷處波形相互作用而產生的影響。

(3)在0°至4.36°范圍內，傾角對分層缺陷檢測面積沒有影響。合理利用圖像處理技術，增強對圖像面積變化的準確判斷，對圖像處理在超聲C掃描檢測中的應用有一定借鑒意義。