軌道車輛車體用碳纖維復(fù)合材料超聲波檢測(cè)試驗(yàn)研究

田 勐,王麗萍,張 勇,程志義,李 凱,王 卓,石永佳

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛上的應(yīng)用帶來了兩大變化：一是通過應(yīng)用碳纖維零部件，減少傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)在軌道車輛車體上所占的比重，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車輕量化。二是增加了軌道車輛運(yùn)行的安全性，碳纖維材料機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性相比普通材料分別高35%和20%以上，同時(shí)不懼酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，使用壽命長，短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷較大的溫差可保持零部件的零變形。

碳纖維復(fù)合材料制備過程中形成的孔洞、分層等缺陷會(huì)嚴(yán)重影響其力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料的橫向載荷與抗剪能力較低，在沖擊或疲勞等載荷的作用下極易發(fā)生損傷直至毀壞，一旦嚴(yán)重缺陷漏檢，直接影響軌道車輛行車安全。因此對(duì)碳纖維復(fù)合材料使用過程中進(jìn)行無損檢測(cè)顯得至關(guān)重要。超聲波檢測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用[1]，碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、密度小[2]、質(zhì)量輕[3]，多為非厚度結(jié)構(gòu)[4]，成型過程中易形成孔洞、分層等缺陷[5]，相比其他無損檢測(cè)方法，超聲波檢測(cè)方法的設(shè)備價(jià)格低且更適合于現(xiàn)場(chǎng)使用，同時(shí)該方法穿透性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，成本低，可以檢測(cè)出氣孔、分層、夾雜等內(nèi)部缺陷，是檢測(cè)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的方法[6]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試件

軌道車輛車體用復(fù)合材料制件超聲波檢測(cè)參照GJB 1038.1A—2004《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無損檢測(cè)辦法 第1部分 超聲波檢驗(yàn)》執(zhí)行。本文采用軌道車輛車體用碳纖維復(fù)合材料作為母材制作層壓板對(duì)比試塊，圖1為碳纖維復(fù)合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像效果，圖2為碳纖維復(fù)合材料對(duì)比試塊人工缺陷的尺寸和位置分布，試塊厚度為1～3 mm，圓形人工缺陷直徑分別為3 mm、6 mm。

圖1 碳纖維復(fù)合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像

圖2 碳纖維復(fù)合材料對(duì)比試塊人工缺陷的大小和位置

1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 常規(guī)超聲脈沖反射法檢測(cè)

常規(guī)超聲脈沖反射法檢測(cè)是將一個(gè)超聲直探頭直接接觸工件表面并發(fā)射和接收能量的超聲波檢測(cè)方法，其工作原理是：如果碳纖維復(fù)合材料的復(fù)合層界面質(zhì)量不好，如有氣孔、分層、夾雜等缺陷，將導(dǎo)致超聲波的往返透過率不同，從而表現(xiàn)出缺陷回波或底波幅度發(fā)生變化。探測(cè)前將探頭放置在試塊無缺陷區(qū)，始波波峰調(diào)整至熒光屏掃描線第一格處，高度調(diào)整至滿刻度的80%處。

常規(guī)超聲波脈沖反射采用PXUT-F3型超聲波探傷儀。由于碳纖維復(fù)合材料層間反射波較強(qiáng)且缺陷波不易分開，為了提高分辨缺陷的能力，應(yīng)選擇較高頻率且較小尺寸的探頭，因此采用頻率為5 MHz、晶片直徑為6 mm的帶有延遲塊的超聲波直探頭進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 超聲波脈沖反射儀器和探頭

1.2.2 視頻超聲檢測(cè)

視頻超聲檢測(cè)是一種基于平面陣多晶元超聲實(shí)時(shí)成像原理的檢測(cè)技術(shù)，多陣元同時(shí)工作和采集圖像，包括A、B、C、D等多種顯示模式，可以直接進(jìn)行C掃描成像并實(shí)時(shí)采集厚度信息。視頻超聲檢測(cè)技術(shù)相較于常規(guī)超聲技術(shù)，檢測(cè)面積大，成像效果精細(xì)，可測(cè)量直徑和面積，分辨率高；相較于超聲相控陣技術(shù)[7]，具有更簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置和更高的分辨率，無需編碼器；相較于滾輪線掃描超聲相控陣技術(shù)具有靈活的操作和細(xì)節(jié)的成像效果。

視頻超聲檢測(cè)采用的是進(jìn)口視頻超聲設(shè)備，如圖4所示。探頭規(guī)格為TRM-DA-10.00MHZ，晶元數(shù)量為128×128個(gè)，晶片尺寸為32 mm×32 mm,橫向最小分辨率為0.25 mm，根據(jù)工件厚度不同可檢出φ1 mm及以上的缺陷。

圖4 視頻超聲儀器和探頭

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 板厚1 mm區(qū)缺陷檢測(cè)

分別采用常規(guī)超聲檢測(cè)設(shè)備和視頻超聲檢測(cè)設(shè)備沿一定方向移動(dòng)掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試塊1 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。圖5～圖10分別為1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、13號(hào)和14號(hào)缺陷的檢測(cè)結(jié)果。

圖5 1號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果圖

圖6 2號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果圖

圖7 7號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖8 8號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖9 13號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖10 14號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

2.2 板厚 2 mm區(qū)缺陷檢測(cè)

分別采用常規(guī)超聲檢測(cè)設(shè)備和視頻超聲檢測(cè)設(shè)備沿一定方向移動(dòng)掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試塊的2 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。圖11～圖16分別為3號(hào)、4號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、15號(hào)和16號(hào)缺陷的檢測(cè)結(jié)果。

圖11 3號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖12 4號(hào)φ 6mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖13 9號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖14 10號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖15 15號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖16 16號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

2.3 板厚3 mm區(qū)缺陷檢測(cè)

分別采用常規(guī)超聲檢測(cè)設(shè)備和視頻超聲檢測(cè)設(shè)備沿一定方向移動(dòng)掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對(duì)碳纖維復(fù)合材料試塊的3 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。圖17～圖22分別為5號(hào)、6號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、17號(hào)和18號(hào)缺陷的檢測(cè)結(jié)果。

圖17 5號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖18 6號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖19 11號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖20 12號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

2.4 結(jié)論

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)及視頻超聲檢測(cè)技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層壓板1 mm、2 mm、3 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間、中間兩層之間、下表面第二層與第三層之間φ3 mm、φ6 mm人工缺陷的檢測(cè)，但視頻超聲檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果顯示圖像比常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)檢測(cè)結(jié)果更加直觀，缺陷判別更加容易。

圖21 17號(hào)φ3 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

圖22 18號(hào)φ6 mm缺陷檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語

隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，其在軌道車輛中的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展，其內(nèi)部缺陷的檢測(cè)已受到廣泛關(guān)注。通過以上試驗(yàn)，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料層壓板不同厚度、不同深度、不同孔徑內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，并采用視頻超聲技術(shù)驗(yàn)證了與超聲波脈沖反射技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的一致性，但針對(duì)蜂窩和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。就設(shè)備價(jià)格而言，視頻超聲技術(shù)檢測(cè)設(shè)備價(jià)格較貴，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)檢測(cè)設(shè)備價(jià)格較低；但就檢測(cè)結(jié)果的圖像顯示效果而言，視頻超聲檢測(cè)技術(shù)更加直觀，缺陷判別更加容易。如果條件允許，將視頻超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用在碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)上也是一種行之有效的辦法。