張冬梅 于 光

(上海飛機(jī)制造有限公司，上海200436)

周正干 徐 娜

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京100191)

隨著航空制造技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維、玻璃纖維等纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比模量及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛應(yīng)用，并已在某些關(guān)鍵部位代替金屬［1］.然而，復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生分層、脫粘、夾雜等缺陷，這些缺陷將嚴(yán)重影響復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和整體完整性［2］，各種無損檢測方法是保證復(fù)合材料可靠使用的重要手段［3-4］.

為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求和降低制造成本，越來越多整體成型的復(fù)合材料構(gòu)件被廣泛使用，而這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中普遍存在R過渡區(qū)［5］.R過渡區(qū)為曲面且空間尺寸狹小，十分不利于缺陷的檢測.同時(shí)，R區(qū)多為應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)缺陷的容忍度較小，且在制造過程中極易出現(xiàn)缺陷.因此，對(duì)R區(qū)的質(zhì)量控制就顯得非常重要.

近年來，超聲檢測方法作為一種方便、有效的檢測手段，被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測［6］.其中，超聲相控陣檢測技術(shù)是一種新興的超聲檢測方法，采用由多個(gè)相互獨(dú)立的陣元晶片組成的陣列換能器，通過電子系統(tǒng)按照一定的規(guī)則和時(shí)序控制激勵(lì)各個(gè)陣元晶片，從而可以靈活、便捷、有效地控制聲束角度、焦距位置和尺寸［7-9］.因此，常規(guī)超聲需要移動(dòng)探頭完成的掃查，采用相控陣檢測技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)通過各陣元晶片的電子掃描完成.目前Olympus公司的J.Habermehl等人設(shè)計(jì)了專門的弧形陣列換能器［10-11］，為R區(qū)的檢測提供了可行的檢測工具，但尚無采用線陣換能器檢測R區(qū)的相關(guān)報(bào)道.

本文在分析R區(qū)超聲檢測技術(shù)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出采用弧形和線形陣列換能器的兩種R區(qū)檢測方法;以碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)L型構(gòu)件的R區(qū)為檢測對(duì)象，分別采用所提出的兩種檢測方法進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn);并與常規(guī)超聲檢測方法進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)歸納了超聲相控陣檢測R區(qū)的技術(shù)優(yōu)勢.

1 R區(qū)超聲檢測難點(diǎn)分析

典型的復(fù)合材料T型加筋壁板如圖1所示.根據(jù)復(fù)合材料的成型工藝特點(diǎn)，其R過渡區(qū)的缺陷類型主要有分層、氣孔和夾雜等，缺陷取向多沿層間分布［12］，其缺陷分布情況如圖2所示.

圖1 典型的復(fù)合材料T型加筋壁板試樣

圖2 R過渡區(qū)的缺陷分布示意圖

由于R區(qū)受形狀和空間尺寸的限制，存在圓弧區(qū)域曲率半徑小，不利于超聲探頭耦合，不能保證入射聲束與圓弧區(qū)域的檢測表面垂直，聲束不能覆蓋整個(gè)圓弧區(qū)域等問題，從而會(huì)影響檢測的靈敏度、缺陷檢出率等.

超聲相控陣檢測技術(shù)采用陣列換能器，通過控制各陣元發(fā)射激勵(lì)脈沖的延遲時(shí)間，達(dá)到合成波束聚焦、偏轉(zhuǎn)等多種相控效果.根據(jù)波束合成的情況，相控陣檢測可以進(jìn)行線形掃描、扇形掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦掃描［13］.并且可以根據(jù)被檢試樣的形狀和檢測要求，設(shè)計(jì)不同形狀的相控陣探頭和聲束掃描方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜構(gòu)件的檢測.

2 相控陣檢測方案制定

2.1 弧陣換能器檢測方案

為了保證發(fā)射聲束垂直入射到R區(qū)的每個(gè)位置，采用相控陣弧形陣列換能器，檢測方式如圖3所示，保證弧陣換能器的圓弧圓心與R區(qū)的圓心重合.由于各陣元按照?qǐng)A弧方式排列，掃描時(shí)各陣元直接激勵(lì)，不做任何延時(shí)處理，各陣元發(fā)射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場能量在該處最強(qiáng).掃描時(shí)采用順序掃查方式，即若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，通過一個(gè)掃描周期，即可實(shí)現(xiàn)各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束對(duì)試樣不同位置的檢測，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R區(qū)檢測面的全覆蓋掃描，減小了檢測盲區(qū).

如圖3所示，當(dāng)采用弧形換能器檢測R區(qū)時(shí)，由于弧陣換能器與工件的R區(qū)為同心圓，弧陣換能器的圓弧半徑R、陣元間距d、一個(gè)陣列孔徑的陣元個(gè)數(shù)n等參數(shù)與被檢工件的厚度T和圓弧半徑r等幾何參數(shù)之間，滿足如下表達(dá)式:

其中l(wèi)s為檢測區(qū)域的弧長.

圖3 弧陣換能器檢測R區(qū)的示意圖

2.2 線陣換能器檢測方案

利用超聲相控陣檢測技術(shù)可以靈活控制聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦的優(yōu)勢，采用相控陣線形陣列換能器檢測R區(qū)，檢測方式如圖4所示.采用順序掃描方式，若干個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，同時(shí)通過控制各陣列孔徑發(fā)射的超聲合成波束以不同的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度垂直入射到R區(qū)檢測面的不同位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)R區(qū)的全覆蓋掃描.

采用線陣換能器檢測R區(qū)時(shí)，各陣列孔徑所發(fā)射的合成波束以不同角度偏轉(zhuǎn)聚焦，由于聲束的指向性，會(huì)造成不同角度合成波束能量的不一致，則所獲得的回波信號(hào)也會(huì)不均勻.因此，需要根據(jù)聲束的指向性函數(shù)，對(duì)不同陣列孔徑接收的回波信號(hào)進(jìn)行指向性補(bǔ)償來解決不同偏轉(zhuǎn)角度能量不一致的問題.其中，發(fā)射和接收陣元的指向性函數(shù)［14］可表示為

其中，a是陣元大小;θ為偏轉(zhuǎn)角度;λ為超聲波的波長.

圖4 線陣換能器檢測R區(qū)的示意圖

3 檢測實(shí)驗(yàn)

3.1 檢測系統(tǒng)及對(duì)象

超聲相控陣檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括:超聲相控陣發(fā)射/接收設(shè)備、相控陣換能器及楔塊、編碼器、工控機(jī)等.工控機(jī)中安裝相控陣控制軟件，用于控制相控陣發(fā)射/接收設(shè)備、采集回波數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)成像等.

以CFRP的L型試樣R區(qū)為檢測對(duì)象，試樣厚4mm，R區(qū)圓弧半徑5mm.試樣中有預(yù)埋缺陷，埋深2 mm，長度10 mm，寬度5 mm.試樣的縱波聲速為2870 m/s.同時(shí)根據(jù)R區(qū)和換能器的幾何形狀，設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形楔塊，以解決換能器和被檢試樣的耦合問題.

3.2 弧陣換能器檢測實(shí)驗(yàn)

采用中心頻率5 MHz，陣元個(gè)數(shù)32個(gè)，陣元間距0.8 mm，圓弧半徑16 mm的相控陣弧陣換能器，對(duì)L型試樣進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，如圖5所示.采用每4個(gè)陣元為一個(gè)陣列孔徑的檢測方式，依次發(fā)射超聲波束，則一個(gè)掃描周期共有29個(gè)陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設(shè)置閘門繪制C型圖，如圖6所示.圖6中預(yù)埋缺陷清晰可見，測得缺陷長度為10.8 mm，缺陷寬度為5.8 mm.取C型圖中一個(gè)含缺陷信息的機(jī)械掃描位置，如第38個(gè)機(jī)械掃描位置為例，進(jìn)行缺陷回波信號(hào)分析，圖7為該位置第15個(gè)陣列孔徑的A型圖.取該位置第3，9，15，21，27 個(gè)陣列孔徑的 A 型回波信號(hào)，可獲得缺陷埋深和試樣厚度值見表1.可見，不同陣列孔徑接收的回波信號(hào)測得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.157 mm和0.2 mm，測得的缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實(shí)際試樣信息的相對(duì)誤差僅為1.4%和1.6%，取得了良好的檢測結(jié)果.

圖5 弧陣檢測實(shí)物圖

圖6 弧陣檢測的C型展開圖

圖7 弧陣檢測機(jī)械掃描位置38陣列孔徑15的A型圖

表1 弧陣換能器檢測結(jié)果

采用弧陣換能器對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)進(jìn)行檢測時(shí)，各陣列孔徑所發(fā)射的超聲合成波束在弧陣的圓心位置匯合，能量在R區(qū)的不同檢測位置基本一致，所獲得的回波信號(hào)也比較均勻，保證了缺陷檢測的可靠性和一致性.但是，弧陣換能器制造工藝復(fù)雜，價(jià)格比線陣換能器昂貴.

3.3 線陣換能器檢測實(shí)驗(yàn)

采用中心頻率5 MHz，陣元個(gè)數(shù)32個(gè)，陣元間距0.6mm的相控陣線陣換能器，對(duì)該L型試樣進(jìn)行線陣換能器檢測實(shí)驗(yàn)，如圖8所示.

圖8 線陣檢測實(shí)物圖

采用每8個(gè)陣元作為一個(gè)陣列孔徑，依次發(fā)射超聲波束，則一個(gè)掃描周期共有25個(gè)陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設(shè)置閘門繪制C型圖，如圖9所示，可測得缺陷長度為9.7 mm，缺陷寬度為5.3 mm.

圖9 線陣檢測的C型展開圖

取C型圖中第38個(gè)機(jī)械掃描位置，進(jìn)行缺陷回波信號(hào)分析，圖10為該位置第13個(gè)陣列孔徑的A 型圖.取該位置第5，9，13，17，21 個(gè)陣列孔徑的A型回波信號(hào)，可獲得缺陷埋深和試樣厚度如表2所示.可見，不同陣列孔徑接收回波信號(hào)測得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.215 mm和0.2 mm，缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實(shí)際試樣信息的相對(duì)誤差分別為5.8%和6.7%，取得了良好的檢測結(jié)果.

10 線陣檢測機(jī)械掃描位置38陣列孔徑13的A型圖

表2 線陣換能器檢測結(jié)果

采用線陣換能器對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件的R區(qū)進(jìn)行檢測時(shí)，各陣列孔徑發(fā)射的聲束需要偏轉(zhuǎn)于不同角度以保證聲束垂直入射到R區(qū)的檢測面，最大偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)45°，造成不同偏轉(zhuǎn)角度發(fā)射超聲波束的能量不一致.然而，通過對(duì)每個(gè)偏轉(zhuǎn)角度上的回波信號(hào)做指向性補(bǔ)償，可以解決不同偏轉(zhuǎn)方向能量不一致的問題，且與弧陣換能器相比，線陣換能器應(yīng)用范圍廣，造價(jià)便宜.因此，采用線陣換能器實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的檢測具有廣闊的發(fā)展空間.

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將采用弧陣換能器和線陣換能器檢測L型試樣的檢測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，線陣換能器的檢測結(jié)果略差于弧陣換能器，但兩種檢測方法各有利弊，均取得了良好的檢測結(jié)果.

在對(duì)L型試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，也分別對(duì)復(fù)合材料T型加筋壁板試樣和飛機(jī)機(jī)翼縮比件的翼肋R區(qū)進(jìn)行了檢測實(shí)驗(yàn)，均取得了良好的檢測結(jié)果.

4 相控陣檢測優(yōu)勢分析

采用常規(guī)超聲檢測方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開放的R區(qū)的檢測，且對(duì)不同尺寸的R區(qū)具有較好的適應(yīng)性.但其探頭聲束截面小，檢測范圍窄，當(dāng)采用如圖11所示的檢測方法時(shí)，僅能檢測R區(qū)的一個(gè)位置，聲束無法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的全覆蓋，存在漏檢現(xiàn)象.當(dāng)對(duì)圓弧半徑較大的R區(qū)進(jìn)行檢測時(shí)，需要多次旋轉(zhuǎn)探頭的角度來保證入射聲束與R區(qū)不同位置垂直.

圖11 常規(guī)超聲檢測R區(qū)的示意圖

采用超聲相控陣檢測時(shí)，其檢測分辨率比常規(guī)聚焦探頭更有優(yōu)勢.超聲檢測分辨率主要包括橫向分辨率和縱向分辨率，橫向分辨率與超聲波束的寬度有關(guān)，聲束寬度越窄橫向分辨率越高.對(duì)于常規(guī)聚焦探頭，其焦點(diǎn)處的聲束直徑Φ與聲波波長λ、探頭聚焦長度F及探頭晶片直徑D之間滿足如下關(guān)系:

當(dāng)聲波波長固定時(shí)，其聚焦位置和焦點(diǎn)直徑都是固定的.對(duì)于超聲相控陣探頭，其焦點(diǎn)處的聲束直徑Φ滿足:

其中D為相控陣換能器的陣列孔徑.由于超聲相控陣檢測可以通過電子方式靈活控制陣列孔徑D和聲束的聚焦長度F，所獲得的焦點(diǎn)直徑可比常規(guī)聚焦探頭小，因此，超聲相控陣檢測的橫向分辨率更有優(yōu)勢.超聲檢測的縱向分辨率與超聲發(fā)射脈沖的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，持續(xù)時(shí)間越短縱向分辨率越高，超聲相控陣檢測可以靈活控制脈沖的持續(xù)時(shí)間，因此在縱向分辨率方面也具有優(yōu)勢.

與常規(guī)超聲檢測方法相比，采用超聲相控陣技術(shù)檢測R區(qū)時(shí)可以不旋轉(zhuǎn)探頭便能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)射聲束對(duì)整個(gè)R區(qū)的全覆蓋掃描，檢測效率高，適用性強(qiáng)，檢測分辨率高，其檢測優(yōu)勢總結(jié)如下:

1)采用超聲相控陣檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)R區(qū)的檢測，可以控制換能器各陣元發(fā)射的超聲波束垂直入射到R區(qū)的檢測表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位和取向缺陷的掃查，保證了缺陷檢測的可靠性;

2)相控陣換能器的一次多角度掃描，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射的超聲波束對(duì)R區(qū)整個(gè)檢測面的全覆蓋掃查，減小了檢測盲區(qū);

3)采用超聲相控陣檢測時(shí)，其檢測分辨率比常規(guī)聚焦探頭更有優(yōu)勢;

4)通過更換不同尺寸的楔塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓弧半徑在一定范圍內(nèi)的R區(qū)的檢測，因此某一種尺寸的換能器可適應(yīng)一定范圍的R區(qū)圓弧半徑，降低了使用成本;

5)超聲相控陣檢測可實(shí)時(shí)顯示A型、S型、C型和3D圖像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R區(qū)的可視化掃查.

5 結(jié)論

針對(duì)常規(guī)超聲檢測方法難以完全勝任復(fù)合材料構(gòu)件R區(qū)的檢測問題，開展了超聲相控陣檢測應(yīng)用研究，取得以下研究結(jié)論:

1)提出的采用相控陣弧形陣列換能器和線形陣列換能器的兩種檢測方法，可以滿足復(fù)合材料R區(qū)的檢測要求;

2)以復(fù)合材料L型試樣為檢測實(shí)例，進(jìn)行了相關(guān)檢測實(shí)驗(yàn)，取得了良好的檢測結(jié)果;

3)將相控陣超聲與常規(guī)超聲的檢測方法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明所提出的相控陣檢測方法具有適用性強(qiáng)，成像直觀，檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景.

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