CFRP層壓板的超聲檢測

李剛卿，周慶祥，張曉丹，曹 峰，彭善柏，蔡桂喜

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 青島 266111；2.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；3.上海新陣元電子科技有限公司，上海 200231)

碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP)以其優(yōu)越的性能受到了廣泛的關(guān)注，主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、交通等領(lǐng)域[1]。受制造工藝、成型工藝及加工工藝的影響，復合材料內(nèi)部易出現(xiàn)分層、空隙、夾雜、脫黏等缺陷，特別是在服役過程中，CFRP的近表層還易出現(xiàn)沖擊損傷。如果不能及時地檢出這些缺陷并采取補救措施，缺陷將發(fā)生擴展，最終導致CFRP制件失效，造成經(jīng)濟損失甚至人員傷亡。因此，復合材料的無損檢測至關(guān)重要。

采用超聲法對復合材料結(jié)構(gòu)件進行檢測，是目前工程上應(yīng)用最廣泛的檢測技術(shù)。SOHN等[2-3]利用Lamb波的特有優(yōu)勢，對薄板復合材料進行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。采用Lamb波對CFRP進行檢測時，一般采用一發(fā)一收兩個探頭，因衰減較大，其激勵頻率較低，對小缺陷不敏感，需借助于時間反轉(zhuǎn)法進行信號增強[4]。另外，纖維增強聚合物基復合材料的各向異性會對 Lamb 波損傷定位的精度造成較大的影響，許穎等[5]提出了基于時間概率密度法的損傷定位方法。張繼敏等[6]使用相控陣超聲檢測設(shè)備，對預(yù)埋有不同大小不同深度人工缺陷的22.92 mm厚CFRP層壓板對比試塊進行了檢測試驗，在時間校正增益(TCG)曲線的輔助下，通過C掃描成像可以有效檢測出0.382 mm和22.54 mm深處的φ6 mm分層缺陷。為克服界面波對復合材料檢測的不利影響，袁英民等[7]通過理論計算和試驗研究，設(shè)計出了適用于飛機夾芯結(jié)構(gòu)復合材料檢測用的雙晶探頭，在上層蒙皮厚度為3 mm，泡沫夾芯層厚度為4 mm的夾芯結(jié)構(gòu)試樣中，能有效檢測出蒙皮下φ8 mm的脫黏缺陷;周克印等[8]采用雙晶探頭對風電葉片前緣膠接結(jié)構(gòu)的脫黏缺陷進行了檢測，能有效識別出厚度分別為3.2，10，5 mm的3層結(jié)構(gòu)玻璃纖維膠接結(jié)構(gòu)試樣中φ10 mm的脫黏缺陷。雙晶探頭對復合材料脫黏缺陷的成功檢測，說明其檢測結(jié)果不受界面波和檢測盲區(qū)的影響，該技術(shù)值得借鑒和發(fā)展。

為進一步研究雙晶探頭對復合材料中分層缺陷(不僅僅是復合材料層板或蒙皮下的脫黏缺陷)的檢測能力，研究了復合材料常用的直探頭、延遲塊探頭和水浸聚焦探頭3種檢測技術(shù)的檢測原理和聲場特性，結(jié)合CFRP的聲學特性，選用合適的參數(shù)，對層壓結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的分層缺陷進行檢測，并與雙晶探頭檢測結(jié)果進行對比，分析了雙晶探頭檢測層壓結(jié)構(gòu)復合材料結(jié)構(gòu)件中分層缺陷的可行性與優(yōu)缺點。

未經(jīng)許可創(chuàng)作的演繹作品著作權(quán)保護探析.........................................................................杜牧真 李仁玉 12.68

1 復合材料常用超聲檢測技術(shù)

超聲波在介質(zhì)中沿直線傳播，當介質(zhì)中存在缺陷或異常時，聲阻抗就會發(fā)生變化，超聲波在聲阻抗不連續(xù)處就會發(fā)生反射和透射，能量也隨之變化，根據(jù)接收到超聲信號的特點，可以對被檢工件進行質(zhì)量評定。CFRP等復合材料的常用超聲檢測技術(shù)有：① 采用直探頭或延遲塊探頭進行手工檢測，具有靈活性高，可達性強等優(yōu)勢；② 采用延遲塊探頭或水浸聚焦探頭進行成像檢測[9]，具有檢測結(jié)果直觀性好等優(yōu)勢。目前，相控陣超聲技術(shù)也正在復合材料檢測領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用。各種檢測技術(shù)的基礎(chǔ)是要能得到優(yōu)越的A掃描信號，從而得到準確可靠的檢測結(jié)果，因此，有必要對各種超聲檢測技術(shù)的A掃描信號的特征進行分析。

1.1 直探頭檢測技術(shù)

超聲直探頭常匹配脈沖反射法對被檢工件進行檢測。其檢測原理是在被檢工件的一側(cè)放置一個直探頭，既作為發(fā)射探頭，又作為接收探頭。當被檢工件中有缺陷時，超聲波傳播至缺陷處會發(fā)生反射和透射，反射的超聲波被探頭接收，形成缺陷回波。

1.2 延遲塊探頭檢測技術(shù)

2.3.1 試驗裝置

2.3.2 試驗結(jié)果

1.3 水浸聚焦檢測技術(shù)

在直探頭基礎(chǔ)上加裝聲透鏡，在水介質(zhì)中對直探頭聲束進行聚焦，使聲能焦點位于工件表面或其內(nèi)部，可獲得更好的缺陷分辨力。

圖11中，P0為入射波，P1為反射波，與經(jīng)近表面缺陷反射形成的系列反射波Pd1、Pd2等都會被接收到。對于雙晶探頭，該反射波P1被隔聲層阻擋，不會被接收到。設(shè)入射波P0=Aexp(jωt)；上界面反射與透射系數(shù)分別為γ與β，聲束經(jīng)歷近表面缺陷的反射及上表面透射的歷程后的總衰減為α；則

產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新是一項復雜的系統(tǒng)工程，更需要產(chǎn)學研之間建立長期、持續(xù)和穩(wěn)定的合作關(guān)系。“產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”是產(chǎn)學研結(jié)合模式的創(chuàng)新，推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟構(gòu)建和發(fā)展對建設(shè)創(chuàng)新型國家有著十分重要的意義。我國建筑信息模型BIM產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是推動我國傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑和主要抓手，總結(jié)各聯(lián)盟運行中的突出特點，按照產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求和市場經(jīng)濟規(guī)律，不斷強化聯(lián)盟在技術(shù)、標準、培訓、交流等方面的各種能力，在理念、體制、機制、方法、手段等多方面開展創(chuàng)新工作，不斷引導產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，以實現(xiàn)行業(yè)乃至國家核心競爭力的提升。

1.4 雙晶探頭檢測技術(shù)

雙晶探頭檢測原理如圖1所示，采用收發(fā)分離的方式，在探頭內(nèi)部并排放置兩個壓電晶片，并用隔聲層將其分隔開。發(fā)射晶片可選用發(fā)射靈敏度較高的壓電材料制作，接收晶片選用接收靈敏度較高的材料制作，以使得探頭的靈敏度更高，避免了采用單晶探頭進行自發(fā)自收檢測時受探頭性能影響出現(xiàn)導致的靈敏度較低的問題。

圖1 雙晶探頭檢測技術(shù)原理示意

機械振動鉆進。在地質(zhì)探測中，遇到砂土或粘性土層時一般選用振動鉆進，但遇到孔深或巖石比較硬的情況時振動鉆進的工作效率就相對比較低。機械振動鉆進的工作原理是鉆探中安裝振動器，在震動器的帶動下鉆桿和鉆頭也隨之產(chǎn)生振動，因為震動器振動速度比較快會使得土層和巖層疏松，從而有效削減了巖層和土層的硬度，然后在鉆具和震動器的雙重作用下，使鉆頭進入到巖土層，完成鉆進任務(wù)。

收發(fā)分離的方式也使得探頭的接收信號獨立于發(fā)射信號，近表面缺陷的回波信號不會與激勵信號混疊而造成漏檢，減小了探頭盲區(qū)，提升了近表面缺陷的分辨能力。

采用雙晶探頭檢測復合材料層壓結(jié)構(gòu)件時，應(yīng)使待檢區(qū)域盡可能地位于雙晶探頭的菱形區(qū)域內(nèi)，以提高缺陷的檢出率和檢測靈敏度，確保檢測結(jié)果的準確性。

2 幾種檢測技術(shù)的對比試驗

2.1 被檢工件與檢測探頭參數(shù)選擇

被檢工件為2.5 mm厚的CFRP層壓板，共12個鋪層，在鋪層之間預(yù)埋了聚四氟乙烯模擬分層缺陷。缺陷直徑為8.4 mm，分別位于上表面23鋪層之間、中間層和下表面23鋪層之間，被檢工件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 被檢工件結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)被檢件厚度以及檢測縱向分辨力和橫向分辨力需求，選擇Olympus V201型可更換延遲塊探頭作為直探頭與延遲塊探頭檢測試驗用探頭；選擇Olympus V310型探頭作為水浸聚焦檢測試驗用探頭；特別設(shè)計制作了不同頻率和焦距的2個雙晶探頭，其型號分別為5 MHz 4×8 F3和7 MHz 2×6 F2，其頻率分別為5 MHz和7 MHz，晶片尺寸分別為4 mm×8 mm和2 mm×6 mm(長×寬)，在鋼中焦距分別為3 mm和2 mm。

2.2 近表面分層缺陷檢測A掃描信號對比

采用Olympus 5077型超聲激勵接收器連接探頭進行手工檢測試驗，采用DPO 3052型泰克數(shù)字示波器采集超聲信號。4種檢測技術(shù)原理示意及其對CFRP層壓板近表面分層缺陷檢測的A掃描信號如圖36所示。除圖3的A掃信號中直探頭始波即為上界面波外，其他各探頭的始波已移出顯示范圍。將各個A掃信號中底波對齊并都調(diào)至約80%滿屏高度以便進行對比。圖36中虛線與實線信號波形分別為CFRP板有與無缺陷處的A掃描信號。

圖3 直探頭A掃描結(jié)果

圖4 延遲塊探頭A掃描結(jié)果

圖5 水浸點聚焦探頭檢測原理及A掃描結(jié)果

圖6 雙晶探頭A掃描結(jié)果

由圖36可以看出：①φ8.4 mm預(yù)置人工缺陷均完全阻擋了聲束使底波消失；② 從有無缺陷A掃信號的對比來看，4種方法均可識別出因缺陷引起的信號異常，因此均可檢出近表面缺陷；③ 圖3～5中近表面缺陷信號緊靠在固有的界面波或始波后邊；④ 延遲塊探頭因延遲塊與被檢工件的聲阻抗匹配性更好，其上界面波的持續(xù)時間短，因此近表面缺陷檢測效果更好；⑤ 各個探頭的上下兩個界面信號之間時間差為1.7 μs，因此CFRP板中聲速約為3 000 m·s-1； ⑥ 由于板厚為2.5 mm，而缺陷距上表面約0.4 mm，所以缺陷波應(yīng)出現(xiàn)在上界面波后的1/6處，但從圖3～5的A掃信號圖上看，該處位于界面波或始波信號中。

2.3 成像檢測試驗

在直探頭與工件之間，插入與復合材料聲阻抗基本相匹配的延遲塊(例如有機玻璃)，可以在一定程度上抑制上表面界面波，減小檢測盲區(qū)，更好地發(fā)揮直探頭檢測技術(shù)的優(yōu)勢。

成像檢測試驗裝置框圖如圖7所示，采用步進電機驅(qū)動的機械裝置帶動上述探頭對CFRP層壓板進行x-y方向掃查。掃查區(qū)域為110 mm×40 mm(長×寬)，掃查步距為0.5 mm。

圖7 成像檢測試驗裝置框圖

念蓉發(fā)誓她并不想追查這件事情。并非她不在意，而是她認為，有時候，在某些事情上追查到底，不僅是自討沒趣、自討苦吃，甚至是自我虐待。

由于近表面缺陷與上表面間距d<波長λ，則界面反射波P1與Pd1、Pd2等缺陷反射波會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，接收到的回波可表示為

圖8 延遲塊探頭檢測結(jié)果

圖9 水浸點聚焦探頭檢測結(jié)果

圖10 雙晶探頭檢測結(jié)果

由圖810可知，3種檢測技術(shù)均能有效檢測出復合材料層壓結(jié)構(gòu)中的分層缺陷，且B掃描，C掃描成像效果良好。

大多數(shù)小型農(nóng)田水利工程基本都是20世紀六七十年代建成的，受當時經(jīng)濟條件以及技術(shù)水平的限制，這些水利工程的抗災(zāi)能力、耐用性都較低，同時缺乏必要的維修養(yǎng)護資金，致使水利工程設(shè)施老化失修，水資源浪費現(xiàn)象嚴重。灌溉時大水漫灌，“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象常見，對灌區(qū)的灌溉效率與經(jīng)濟效益產(chǎn)生較大影響。少數(shù)農(nóng)戶隨意耕種溝渠，毀堤取土，造成中小溝渠堵塞，水流不暢；對井灌設(shè)施保護不力，老機井損壞嚴重，部分已經(jīng)不能使用；小型電灌站的溝渠配套、農(nóng)田整治等工作跟不上，設(shè)備銹蝕，部件被盜，很多已不能正常使用。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 近表面缺陷信號位置分析

對于直探頭來說，一方面由于缺陷位于探頭的近場，另一方面由于始波的電信號阻塞效應(yīng)嚴重，所以直探頭不利于檢測近表面缺陷。

從圖36可以看出，上表面的界面波一般會持續(xù)2個周期，5 MHz探頭在CFRP板中縱波聲速約3 000 m·s-1，其波長約為0.6 mm，因此上界面電信號阻塞效應(yīng)導致的檢測盲區(qū)深度理論上約為1.2 mm。理論上上表面下0.4 mm的分層缺陷在盲區(qū)中應(yīng)難以發(fā)現(xiàn)，但由于入射聲束在上表面與近表面缺陷之間存在多次反射象(見圖11)，其實際上是可以被識別的。

圖11 上表面與近表面缺陷之間多次反射示意

不倫不類的學位證書壓在臺桌上，我每天待在書房里不肯出來，堂妹也待在家里，時常忙碌自己的事。偶爾碰上宴席多聊上幾句，我們之間的聯(lián)系還是很少。自從搬到新居后，更是少有機會碰面。除夕前，父親告訴我：“堂妹在家總提起你，今天是她的生日，你們趁機會見見面?！蹦菚r，我已經(jīng)出版了第一個作品，心情自然舒朗得多，怕見了面不知道聊些什么，又想買點什么給她，父親搖了搖頭，“不用買什么了，這點錢算是給她的賀禮?！蔽也桓姨岢霎愖h，順著父親的意愿來到酒店。

式中：A為幅值;j為虛數(shù);ω為角頻率;t為時間;d為缺陷深度。

使用除直探頭外的3種探頭對工件進行B掃描和C掃描檢測試驗，延遲塊探頭的檢測結(jié)果如圖8所示，水浸點聚焦探頭的檢測結(jié)果如圖9所示，5 MHz F3型雙晶探頭的檢測結(jié)果如圖10所示。

S=P1+Pd1+Pd2+…=

由圖1可見，收發(fā)壓電晶片與水平面之間存在一定的夾角，從而使得雙晶探頭在被檢工件中形成一個菱形聲場區(qū)，該區(qū)的中心點F為聲場的焦點，因此，雙晶探頭也具有聚焦特性。當壓電晶片與水平面之間的夾角發(fā)生變化時，菱形聲場區(qū)的形狀也會隨之發(fā)生變化，于是可通過調(diào)節(jié)晶片角度來改變菱形區(qū)域的大小和缺陷回波信號的靈敏度。通過調(diào)節(jié)延遲塊的高度，可改變工件中的近場區(qū)長度和菱形區(qū)域在被檢工件中的相對位置，達到減小盲區(qū)，提高近表面分辨率的目的。

會上，中國農(nóng)業(yè)大學教授、資源與環(huán)境學院副院長江榮風，安徽農(nóng)業(yè)大學黨委常委、副校長姚佐文，安徽六國化工副總經(jīng)理、總工程師沈浩，代表三方簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議。

(3)

式(3)中指數(shù)項的虛數(shù)決定了缺陷回波的相位延遲，即缺陷信號最大值位置與其缺陷實際位置d相比，對應(yīng)的時間會產(chǎn)生延遲。因此，近表面缺陷信號的峰值位置并不對應(yīng)實際缺陷的實際位置。

本研究隨機抽取2015年1月—2018年9月期間我院進行過64排CT冠狀動脈造影檢查的臨床確診為冠心病患者95名，經(jīng)檢查，所有被選取研究對象心電圖均顯示竇性心律，研究對象基本資料如表1所示。

3.2 缺陷定量準確性分析

根據(jù)圖810的檢測結(jié)果，將φ8.4 mm預(yù)置人工缺陷的實際檢出尺寸列于表1中。

表1 實際檢測得到的缺陷大小 mm

由表1中數(shù)據(jù)可知，雙晶探頭對復合材料層壓結(jié)構(gòu)件中分層缺陷的定量準確度最高，水浸點聚焦探頭次之，延遲塊探頭定量誤差最大。雙晶探頭對于中下層缺陷的定量結(jié)果較為準確，上層缺陷定量結(jié)果偏??；水浸點聚焦探頭對中層缺陷定量較為準確，上層缺陷定量結(jié)果偏大，下層缺陷定量結(jié)果偏??；延遲塊探頭定量結(jié)果均偏大，且隨著缺陷深度的增加，定量結(jié)果趨于準確。

缺陷定量準確性受探頭的聲場尺寸和焦點位置等聲場特性影響。由于5 MHz F3雙晶探頭在鋼中的焦點位置為表面下3 mm，其在CFRP中的位置則更深(約為8 mm)，因此該雙晶探頭對近表面缺陷的回波信號強度不高，檢測靈敏度不高，造成定量不準。同樣，對于水浸點聚焦探頭，當缺陷位于焦點位置處時，其定量準確性較高，而延遲塊探頭由于聲場較大，定量準確性低。

3.3 檢測結(jié)果對比

各技術(shù)的C掃圖像都可有效識別出缺陷，且缺陷輪廓清晰，可進行缺陷測量。從圖8和圖9可以看出，水浸聚焦探頭和雙晶探頭具有一定的聚焦功能，能顯示出CFRP的纖維分布形貌。但水浸聚焦探頭部分界面波進入到成像閘門范圍內(nèi)，致使成像質(zhì)量變差，對檢測結(jié)果的判定造成了一定的干擾。

由B掃圖像可清晰分辨出位于不同埋深處的分層缺陷，但水浸點聚焦探頭和延遲塊探頭的近表面缺陷回波信號緊鄰界面波。若C掃成像閘門選取不當，或探頭脈寬較大，則可能導致近表面缺陷回波信號消失或混疊在界面波中無法有效識別，致使在C掃圖中觀察不到近表面缺陷，造成漏檢。雙晶探頭的檢測結(jié)果無界面波干擾，通過合理選擇延遲塊高度、晶片頻率和夾角，可使缺陷位于菱形區(qū)域內(nèi)，減小探頭的盲區(qū)，提高近表面分辨率和檢測靈敏度，確保檢測結(jié)果的準確性。在定量方面，雙晶探頭的檢測結(jié)果更為準確，且不會造成缺陷的漏檢和誤判。

4 結(jié)語

(1) 采用延遲塊探頭、水浸點聚焦探頭和雙晶探頭均能檢測出復合材料層壓板結(jié)構(gòu)件中的分層缺陷。相對于鋼而言，CFRP等復合材料的近表面缺陷更易于檢測，可檢測近表面0.4 mm深的分層缺陷。

(2) 采用直探頭和水浸點聚焦探頭檢測復合材料層壓結(jié)構(gòu)件時，界面波的存在對近表面缺陷成像造成干擾，且定量誤差大。由于近表面缺陷與上表面之間的缺陷波會發(fā)生反射和干涉，會造成缺陷反射回波的峰值位置延遲，進而造成近表面缺陷深度位置測量不準確。

在高速動車組運行過程中，由于潮流分布和系統(tǒng)元件參數(shù)變化，牽引供電系統(tǒng)會產(chǎn)生過電壓。過電壓通常會引起供電系統(tǒng)絕緣閃絡(luò)，造成斷路器跳閘，影響供電系統(tǒng)安全運行；同時，過電壓還可能會造成高壓電氣設(shè)備被擊穿，從而釀成事故，以致供電中斷。因此，有效安全地獲取過電壓的數(shù)據(jù)，掌握其分布規(guī)律，并實時監(jiān)測其變化就顯得尤為重要。

(3)采用雙晶探頭檢測復合材料層壓結(jié)構(gòu)件時，定量較為準確，近表面缺陷識別效果好，避免了界面波的干擾，提高了檢測結(jié)果的準確性。