王柄方，韓贊東，原可義，陳以方，黃志剛

（1.清華大學(xué) 機(jī)械工程系 先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.北京固鴻科技有限公司，北京 100083）

在航空制造等領(lǐng)域中，復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料，以其高的比強(qiáng)度、比剛度及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得了廣泛應(yīng)用［1］。由于復(fù)合材料獨(dú)特的制作工藝，導(dǎo)致其缺陷類型與傳統(tǒng)材料有所不同，主要有分層、脫膠、疏松、夾雜和樹脂固化不良等［2］。這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料性能的顯著下降，必須進(jìn)行無損檢測(cè)。

超聲檢測(cè)是復(fù)合材料無損檢測(cè)常用的方法［3］。由于超聲波在復(fù)合材料中的衰減和散射比金屬材料要嚴(yán)重得多，因此聲程短的穿透式超聲檢測(cè)方法應(yīng)用更為普遍［4］。為了實(shí)現(xiàn)大型三維復(fù)合材料構(gòu)件的自動(dòng)檢測(cè)，采用水柱進(jìn)行超聲耦合的噴水超聲檢測(cè)是比較理想的選擇［5］。噴水超聲檢測(cè)屬于超聲穿透法，它通過接收探頭檢測(cè)到的超聲信號(hào)的強(qiáng)弱來檢測(cè)材料的缺陷。

為了提高缺陷檢測(cè)的可靠性和靈敏度，要求超聲在傳播過程中的衰減要盡可能小。檢測(cè)參數(shù)如探頭直徑和頻率、水柱直徑、噴水速度等會(huì)對(duì)超聲的衰減產(chǎn)生明顯的影響。另外，對(duì)于三維曲面構(gòu)件，水柱的長(zhǎng)度，以及水柱法線和工件表面法線的偏離也會(huì)影響到超聲波的接收。為此，筆者將構(gòu)建復(fù)合材料噴水超聲檢測(cè)系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)，研究噴水速度、噴水距離和噴水角度等工藝參數(shù)對(duì)超聲衰減的影響規(guī)律。研究成果對(duì)于復(fù)合材料噴水超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和檢測(cè)工藝參數(shù)的優(yōu)化具有重要的意義。

1 噴水超聲檢測(cè)系統(tǒng)建立

為了進(jìn)行復(fù)合材料噴水超聲檢測(cè)工藝試驗(yàn)，建立了圖1所示的噴水超聲檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 噴水超聲檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)

超聲探傷儀采用GE檢測(cè)科技的USIP40，配置有5個(gè)超聲通道，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化A 掃描。噴水系統(tǒng)的噴水流量可控，水柱長(zhǎng)度和噴水角度也可以通過探頭架來調(diào)節(jié)，以滿足不同的檢測(cè)需求。筆者自主研制了超聲換能器和噴嘴。

1.1 超聲換能器

超聲換能器設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要問題是確定壓電晶片的厚度和直徑。對(duì)于縱波直探頭，壓電晶片的厚度決定了設(shè)計(jì)頻率：

式中cL——壓電片中的縱波聲速；

f——換能器設(shè)計(jì)頻率。

選用壓電材料PZT－5，其縱波聲速cL＝4 350m／s，計(jì)算得到設(shè)計(jì)頻率在1 MHz時(shí)的厚度d＝2.175mm。實(shí)際采用四片厚度d0＝0.544mm的壓電晶片，機(jī)械上串聯(lián)，電氣上并聯(lián)。這樣做的原因是為了增大電容，提高超聲發(fā)射的功率。

壓電晶片直徑的確定主要考慮超聲波的穿透能力、缺陷檢測(cè)的靈敏度。大的壓電晶片直徑使得缺陷檢測(cè)靈敏度下降，小的壓電晶片直徑使得檢測(cè)工作量加大。綜合考慮選擇壓電晶片直徑D＝10mm。水柱的直徑只需比壓電晶片直徑略小即可，選擇為D＝8mm。設(shè)計(jì)的超聲換能器如圖2所示。

圖2 噴水效果圖

1.2 噴嘴

噴水超聲檢測(cè)將超聲換能器置于噴嘴內(nèi)部，超聲沿著噴嘴噴出的水柱傳播。設(shè)計(jì)合適的噴嘴對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的建立十分重要。水柱應(yīng)該保證超聲在其中傳播而受到盡量少的干擾，并且實(shí)現(xiàn)流速和噴水角度可控。設(shè)計(jì)的噴嘴噴水效果如圖2所示。

2 噴水超聲檢測(cè)工藝研究

復(fù)合材料樣板是某航空制造公司提供的人工缺陷板，板的制作過程中預(yù)埋了九個(gè)缺陷，缺陷位置已知。樣板的大小為217 mm×217 mm，厚度d＝4.7mm。試驗(yàn)中，超聲掃查方式為A 掃描，接收到的超聲波形高度表征了超聲的聲壓。

研究的噴水超聲檢測(cè)的工藝參數(shù)包括噴水速度、噴水距離和噴水角度等。研究某一參數(shù)對(duì)檢測(cè)的影響時(shí)，可以在固定其他參數(shù)的情況下把其當(dāng)作變量，在一定范圍內(nèi)調(diào)整此參數(shù)，測(cè)量在有缺陷和無缺陷部位檢測(cè)的接收波高度，如果兩者接收波穩(wěn)定且兩者差別明顯，表明此參數(shù)可以用于檢測(cè)，否則不能用于檢測(cè)。

檢測(cè)使用的探頭頻率為1 HMz，直徑10 mm，水柱直徑8 mm，三者固定不可調(diào)整。超聲探傷儀的增益設(shè)置為50dB。

2.1 噴水速度對(duì)檢測(cè)的影響

噴水速度直接決定了水流的雷諾數(shù)，是影響水流層流的重要參數(shù)。流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，水流將由層流變?yōu)槲闪?，超聲在其中傳播產(chǎn)生衰減和散射，不利于噴水超聲檢測(cè)。研究噴水速度時(shí)，其他工藝參數(shù)分別是：噴水角度0°，探頭間距160 mm，發(fā)射探頭距離樣板78mm，接收探頭距離樣板77.3mm。

試驗(yàn)表明，體積流量＜4L／min時(shí)，下水柱噴射高度不夠（此處體積流量是指兩個(gè)噴嘴的體積流量之和，可以認(rèn)為單個(gè)噴嘴的體積流量是其一半）。體積流量5L／min時(shí)，檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

以上兩個(gè)波形都是采集到的瞬時(shí)波形，實(shí)際的接收波幅值在一定范圍內(nèi)變化。因?yàn)閲娝到y(tǒng)中電機(jī)的工作受到到電網(wǎng)電壓的影響，噴出的水柱很難做到絕對(duì)穩(wěn)定。但在噴水速度不大時(shí)，接收波幅值的變化范圍較小。增大噴水速度，檢測(cè)同一個(gè)缺陷，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 噴水速度對(duì)檢測(cè)的影響

噴水速度很小時(shí)，豎直噴射時(shí)下水柱高度不夠，無法用于檢測(cè)。噴射速度較大時(shí)，水流趨于紊流，影響了超聲的傳播，導(dǎo)致無缺陷處和缺陷處的接收波幅值波動(dòng)，且噴射速度越大，兩者的幅值變化范圍越大。在流速增大到某一值時(shí)，兩者的變化范圍產(chǎn)生交集，則無法用于檢測(cè)。

從圖4中可見，在前述試驗(yàn)條件下，用于檢測(cè)的最佳噴水流量為5～9L／min。在這個(gè)流量區(qū)間內(nèi)，由于超聲在水中的速度遠(yuǎn)大于水的流速，噴水流量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響很小。如果為了提高水柱剛度，或提高下水柱的噴射高度，可以采用稍大的噴水流量，但不應(yīng)該＞12L／min。噴水流量＞9L／min時(shí)，增大噴水流量對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2 噴水距離對(duì)檢測(cè)的影響

噴水超聲檢測(cè)中，探頭不與被檢工件直接接觸，超聲通過水柱耦合，傳播到工件中，因此適合檢測(cè)形狀比較復(fù)雜的構(gòu)件。噴水距離直接決定了超聲在水中傳播的距離，因此噴水距離影響超聲檢測(cè)的結(jié)果。

噴水距離包括超聲發(fā)射端水柱長(zhǎng)度和超聲接收端水柱長(zhǎng)度。先通過試驗(yàn)，研究發(fā)射端水柱長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)的影響，試驗(yàn)中取噴水流量8L／min，噴水角度0°，接收探頭距離樣板80mm。再研究接收端水柱長(zhǎng)度對(duì)檢測(cè)的影響，試驗(yàn)中取噴水流量8L／min，噴水角度0°，發(fā)射探頭距離樣板80mm。

在60～125mm 的范圍內(nèi)，分別調(diào)整發(fā)射探頭和接收探頭與樣板的距離，檢測(cè)樣板的無缺陷處和有缺陷處，接收到的超聲信號(hào)幅值變化示于圖5中。

從圖5（a）中可以看出，隨著發(fā)射探頭與樣板距離的增大，收到的超聲信號(hào)聲壓減小，這是因?yàn)槌曉谒袀鞑サ木嚯x越長(zhǎng)，產(chǎn)生的衰減越大。在60～105mm 長(zhǎng)度范圍內(nèi)，超聲雖有衰減，但并不明顯，因此根據(jù)實(shí)際需要，發(fā)射探頭到樣板的距離在此范圍內(nèi)可以滿足檢測(cè)要求。

從圖5（b）中可以看出，接收探頭到樣板的距離對(duì)檢測(cè)的影響與發(fā)射探頭的影響基本相同，原因都是探頭與樣板距離越大，超聲傳播距離越長(zhǎng)，衰減越大。對(duì)接收探頭而言，與樣板最佳距離也是60～105mm，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整探頭和樣板之間的距離。

2.3 噴水角度對(duì)檢測(cè)的影響

被檢工件外表面可能是曲面，噴水檢測(cè)的過程中隨著噴水方向和工件相對(duì)位置的變化，很難保證水柱垂直噴到工件表面。因此需要研究水柱噴射角度對(duì)檢測(cè)的影響。文中的噴水角度是指，過被檢工件外表面檢測(cè)點(diǎn)上的法線與水柱直線所成的角度。如果水柱垂直噴射到工件表面上，那么噴水角度應(yīng)為0°。

通過加高樣板一端的方法來調(diào)整噴水角度，在豎直噴水的條件下，樣板平面與水平面所成的角度就是噴水角度。要實(shí)現(xiàn)噴水角度為α，則要把樣板一側(cè)加高h(yuǎn)：

研究噴水角度試驗(yàn)中，取噴水速度8L／min，兩探頭間距160mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 噴水角度對(duì)檢測(cè)的影響

從圖6中可以看出，檢測(cè)樣板的相同部位，噴水角度＜15°時(shí)，噴水角度增加則接收到的超聲聲壓減小，噴水角度在15°～25°之間時(shí)，增加角度則接收到的超聲聲壓增加，在噴水角度＞25°時(shí)增大角度，接收到的超聲聲壓緩慢下降。復(fù)合材料樣板由多層碳纖維材料粘接而成，超聲波在其中的反射和折射行為比較復(fù)雜，最終穿透界面射出樣板的超聲波可能經(jīng)過幾次波型轉(zhuǎn)換，各個(gè)固－固界面的橫波和縱波的透射系數(shù)與聲速和入射角有關(guān)，最終的射出超聲波可能經(jīng)由不同的路徑，經(jīng)歷不同的波型轉(zhuǎn)換，它們射出的位置不同，角度也可能不同?？梢岳斫鉃樯涑龅某暡ǚ譃楹芏嗍Ｓ捎诮邮斩怂闹睆胶徒嵌人?，實(shí)際接收的超聲波可能是它們中的一部分，隨著噴水角度的變化，接收到的超聲波能量發(fā)生了上述變化。

2.4 水平噴水條件下的試驗(yàn)

在豎直噴水的條件下，水柱的重力不會(huì)使其發(fā)生彎曲。水平噴水的條件下，水柱在重力的作用下容易發(fā)生彎曲，理論上成拋物線狀。水柱的彎曲顯然不利于噴水超聲檢測(cè)，因此在實(shí)際應(yīng)用中一般將讓水柱噴出的方向與水平面向上成一定的角度，這樣兩水柱在空中相遇點(diǎn)附近的水柱是水平的。

把樣板置于兩噴嘴的中間平面內(nèi)，調(diào)整噴水方向，使兩個(gè)水柱在中間平面上相遇，中間平面兩側(cè)一定范圍內(nèi)的水柱是近似水平的。調(diào)整噴水速度為9L／min，兩水柱從噴嘴噴出時(shí)其中心距離為120mm。向一個(gè)噴嘴的方向移動(dòng)樣板，移動(dòng)過程中保證兩噴嘴不動(dòng)。檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。偏離距離是指樣板離開兩個(gè)噴嘴中間平面的距離。

圖7 檢測(cè)樣板偏離兩噴嘴中心平面距離與檢測(cè)結(jié)果

由圖7可以看出，水平噴水試驗(yàn)中接收到的超聲聲壓比同樣噴水速度和水柱長(zhǎng)度情況下豎直噴水、垂直入射時(shí)小很多。原因是由于調(diào)整了水柱的噴出方向，兩個(gè)探頭的晶片平面沒有保持平行，發(fā)射探頭發(fā)射的超聲只有一部分被接收探頭接收到，超聲在彎曲的水柱中傳播導(dǎo)致了更大的能量損失。樣板在兩噴嘴中心平面左右9mm 范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響不大，若偏離的距離再增大，噴射到樣板兩側(cè)水柱的中心產(chǎn)生錯(cuò)位，接收到的超聲聲壓顯著變小。

3 結(jié)論

（1）隨著噴水速度的增大，水流趨于紊流，超聲的衰減加重，不利于檢測(cè)。試驗(yàn)條件下水流穩(wěn)定的噴水流量為5～9L／min。

（2）噴水距離增大，不利于檢測(cè)，在滿足檢測(cè)位置要求的前提下應(yīng)盡量選擇小的噴水距離。

（3）噴水角度在0°～15°范圍內(nèi)，超聲檢測(cè)信號(hào)隨著角度增加而減小，在滿足檢測(cè)位置要求的前提下應(yīng)盡量選擇小的噴水角度。

（4）水平噴水條件下，水柱在重力作用下發(fā)生彎曲，超聲波在彎曲的水柱中傳播導(dǎo)致了更大的能量損失，不利于檢測(cè)。

另外，探頭的頻率和直徑、噴嘴的結(jié)構(gòu)等也會(huì)對(duì)噴水超聲檢測(cè)產(chǎn)生重要影響，筆者將在后續(xù)工作中對(duì)這些參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

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