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        復(fù)合材料的相控陣超聲C掃描成像檢測(cè)

        2015-01-11 07:07:34付汝龍陳建華林丹源鄭偉和林齊梅
        無(wú)損檢測(cè) 2015年5期
        關(guān)鍵詞:雙軸拉線掃查

        付汝龍,陳建華,林丹源,鄭偉和,林齊梅

        (廣東汕頭超聲電子股份有限公司超聲儀器分公司,汕頭 515041)

        隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用,特別是在航空航天領(lǐng)域的大量應(yīng)用,開發(fā)便攜式、應(yīng)用于復(fù)合材料大面積快速掃查的檢測(cè)技術(shù)就顯得很有必要。超聲檢測(cè)作為一項(xiàng)比較成熟的檢測(cè)技術(shù),其衍生的各種檢測(cè)新技術(shù)開始應(yīng)用于復(fù)合材料的檢測(cè)[1-2],有效地解決了復(fù)合材料的一些檢測(cè)難題。在復(fù)合材料的超聲檢測(cè)應(yīng)用方面,相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)可以有效檢測(cè)出層壓板分層及夾雜缺陷[3],碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件、帶涂層以及不帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件等蜂窩復(fù)合材料的內(nèi)部脫粘缺陷[4],對(duì)復(fù)合材料的拐角(R 區(qū))等特殊部位也能很好地進(jìn)行檢測(cè)[5-6],對(duì)飛機(jī)蒙皮劃痕的檢測(cè)也取得了比較好的效果[7]。復(fù)合材料的超聲C 掃描檢測(cè)通常采用多軸聯(lián)動(dòng)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行噴水穿透法、噴水脈沖反射法、水浸穿透法以及水浸脈沖反射法檢測(cè)[8],如采用噴水穿透法對(duì)層壓板和蜂窩結(jié)構(gòu)粘接缺陷進(jìn)行檢測(cè)可得到清晰的超聲C掃描圖像[9]。多軸聯(lián)動(dòng)超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)雖然可以對(duì)某些復(fù)合材料進(jìn)行有效檢測(cè),但是受檢測(cè)工件和檢測(cè)場(chǎng)地的限制,不利于應(yīng)用于在役飛機(jī)的快速掃查檢測(cè)上,因此,筆者開發(fā)了適用于復(fù)合材料的大面積快速C掃描檢測(cè)以及特殊位置的雙軸定位C掃描檢測(cè)系統(tǒng)。

        1 相控陣超聲檢測(cè)原理

        1.1 發(fā)射與接收

        相控陣超聲的基本原理來(lái)源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù),相控陣超聲探頭由多個(gè)晶片按一定的規(guī)律分布排列,通常是線陣列,通過軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間,從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向,實(shí)現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。

        1.2 電子掃描

        相控陣超聲具有獨(dú)特的波束掃描和聚焦特點(diǎn),因此使用一個(gè)多陣元的相控陣探頭,在不移動(dòng)探頭的情況下就可以實(shí)現(xiàn)工件斷面的掃描檢測(cè)。相控陣超聲電子掃描的原理如圖1所示,假設(shè)采用相控陣探頭的陣元間距為d,每次激勵(lì)的陣元數(shù)為A,探頭陣元總數(shù)為N,如第1次激勵(lì)的陣元為1至A,第2次激勵(lì)陣元為2至A+1,依次類推,第n次激勵(lì)陣元為n至A+n-1(N),由此可推導(dǎo)出采用電子掃描時(shí)相控陣超聲波束總數(shù)為N-A+1,聲束有效覆蓋寬度為(N-A+1)×d。

        圖1 電子掃描原理示意

        1.3 相控陣C掃描方式

        采用相控陣電子掃描不需要移動(dòng)探頭就可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件一定寬度的斷面掃查,因此,對(duì)比于單晶探頭常規(guī)鋸齒形的掃查方式,相控陣掃查只需單軸直線掃查便可獲得工件的C掃描圖像。常規(guī)掃查方式與相控陣掃查方式的對(duì)比如圖2所示,相控陣掃查方式效率明顯提高,根據(jù)相控陣探頭移動(dòng)的距離L,則可計(jì)算出工件單次掃查的面積為(N-A+1)×d×L。

        圖2 常規(guī)掃查與相控陣掃查方式對(duì)比

        2 相控陣C掃描檢測(cè)系統(tǒng)

        2.1 滾輪探頭檢測(cè)系統(tǒng)

        根據(jù)相控陣檢測(cè)原理,為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速C掃描檢測(cè),開發(fā)了適合檢測(cè)用途的滾輪探頭。滾輪探頭的結(jié)構(gòu)為:相控陣探頭放置在一個(gè)密閉的套筒里,套筒兩端安裝有可旋轉(zhuǎn)的滑輪,套筒里面充滿水,相控陣探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)過水層后到達(dá)橡膠套,橡膠套采用與水聲阻抗接近的材料以使超聲波傳播時(shí)可透射更多的能量。滾輪探頭加裝一個(gè)高精度的位置編碼器進(jìn)行定位和同步數(shù)據(jù)采集。研制的滾輪探頭,采用相控陣探頭,其頻率為5MHz,陣元數(shù)為64,陣元間距為0.8mm;因此,探頭有效聲場(chǎng)最大覆蓋寬度為51.2mm,編碼器掃查最高精度為0.1mm/步,探頭線長(zhǎng)度為5m,配合具備相控陣C掃描功能的CTS-2108PA相控陣超聲檢測(cè)儀(檢測(cè)范圍最小1mm,檢測(cè)重復(fù)頻率10kHz),構(gòu)成一套完整的相控陣C掃描快速成像檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)一般采用水作為耦合劑,輕輕滾動(dòng)探頭,C掃圖像即刻呈現(xiàn),特別適合大面積復(fù)合材料的C掃描檢測(cè)。滾輪探頭的實(shí)物圖片如圖3所示。

        圖3 滾輪探頭圖片

        2.2 雙軸拉線編碼器檢測(cè)系統(tǒng)

        2.2.1 定位原理

        拉線編碼器的位置信息是通過拉出線的長(zhǎng)度來(lái)確定的,當(dāng)采用兩個(gè)拉線編碼器進(jìn)行定位時(shí),假定P1位置為第1個(gè)編碼器,P2位置為第2個(gè)編碼器,P(X,Y)為探頭位置。以兩個(gè)編碼器的位置連線作為定位坐標(biāo)軸的X軸,然后在X軸上以某個(gè)參考點(diǎn)作為零點(diǎn),畫出Y軸,從而建立直角坐標(biāo)系XOY;假設(shè)檢測(cè)工件就位于直角坐標(biāo)系中,建立的定位坐標(biāo)如圖4所示。

        圖4中,X1、X2通過編碼器校準(zhǔn)后為已知,設(shè)探頭位置與編碼器的距離分別為a,b,a與b的值由編碼器讀出,根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離計(jì)算公式有:由式(2)和式(1)可求出X值與Y值,因此探頭的位置坐標(biāo)(X,Y)即可確定。

        圖4 雙軸拉線編碼器定位原理示意圖

        通常都是以工件中的某一點(diǎn)為參考點(diǎn),因此由式(1)和式(2)求出的探頭位置坐標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。假設(shè)圖中的O′為工件的參考零點(diǎn)坐標(biāo)(X0,Y0),則探頭的位置坐標(biāo)為P(X-X0,Y-Y0)。

        2.2.2 探頭夾具設(shè)計(jì)

        應(yīng)用筆者所在公司制造的64陣元探頭,規(guī)格型號(hào)為5L64-0.8×10,設(shè)計(jì)一個(gè)中空的方形夾具,外側(cè)長(zhǎng)寬視加工的固定螺釘孔尺寸而定,內(nèi)側(cè)長(zhǎng)寬以放入楔塊稍有余量即可,高度小于楔塊厚度,檢測(cè)時(shí)僅楔塊接觸工件。在方形夾具的左上角加工一個(gè)拉線固定螺孔,作為固定雙軸編碼器線的匯聚點(diǎn)。在方形夾具的四邊中部各加工一個(gè)探頭固定螺孔用于固定探頭楔塊。該掃查夾具可以適合多種規(guī)格的探頭,只要楔塊小于內(nèi)方尺寸,可采用長(zhǎng)螺釘固定,同時(shí)把手固定螺孔可以進(jìn)行把手安裝。夾具結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

        圖5 探頭夾具結(jié)構(gòu)示意

        2.2.3 檢測(cè)系統(tǒng)

        雙軸拉線編碼器檢測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。拉線編碼器的底座根據(jù)材料不同可選擇真空、夾持或磁鐵吸附的安裝方式,圖6中采用真空吸附的安裝方式。檢測(cè)時(shí)將編碼器吸附在工件表面上,固定拆卸靈活方便,而且對(duì)工件表面無(wú)任何損傷,兩個(gè)拉線編碼器拉出的線匯聚于掃查探頭并固定于掃查夾具上。拉線編碼器的最高掃查精度為0.1mm/步,拉線最大長(zhǎng)度為1.5m。以前的手動(dòng)雙軸掃查器定位方式比較死板,探頭的移動(dòng)不好操作,而這種定位方式很方便,探頭移動(dòng)也比較靈活,在進(jìn)行特定區(qū)域的C 掃描檢測(cè)上具有較大的優(yōu)勢(shì),可對(duì)缺陷進(jìn)行完整的掃查、測(cè)量和評(píng)定。

        圖6 雙軸拉線編碼器檢測(cè)系統(tǒng)

        3 檢測(cè)結(jié)果

        采用滾輪探頭對(duì)多種復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè):對(duì)某復(fù)合材料進(jìn)行表面沖擊缺陷檢測(cè)圖像如圖7(a)所示,沖擊位置的缺陷圖像清晰可見;對(duì)某復(fù)合材料進(jìn)行底層粘結(jié)結(jié)構(gòu)檢測(cè),未粘結(jié)區(qū)域的圖像顏色對(duì)比明顯,且底波明顯有分開痕跡,如圖7(b)所示;對(duì)某復(fù)合材料進(jìn)行脫粘缺陷檢測(cè),脫粘區(qū)域缺陷圖像特別明顯,掃查圖像可清楚地看到蜂窩的結(jié)構(gòu)圖像,如圖7(c)所示。采用雙軸拉線編碼器在試塊上進(jìn)行檢測(cè),試塊上的缺陷全部被掃查出來(lái),而且重復(fù)覆蓋性很好,如圖8所示。

        圖7 滾輪探頭對(duì)多種復(fù)合材料的檢測(cè)結(jié)果

        圖8 雙軸拉線編碼器對(duì)試塊缺陷的C掃描圖像

        4 結(jié)論

        (1)根據(jù)相控陣超聲C 掃描成像檢測(cè)技術(shù),研發(fā)滾輪探頭用于復(fù)合材料快速C 掃描檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果表明滾輪探頭耦合效果好,推行阻力小,掃查圖像清晰;目前,該系統(tǒng)已成功推廣應(yīng)用,服務(wù)于航空航天領(lǐng)域。

        (2)滾輪探頭配合具有C掃描功能的便攜式相控陣儀器CTS-2108PA 組成C 掃描檢測(cè)系統(tǒng),可隨時(shí)隨地對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行C掃描檢測(cè)。

        (3)由CTS-2108PA 儀器和雙軸拉線編碼器組成的定位C掃描檢測(cè)系統(tǒng),編碼器裝卸容易,調(diào)試、操作簡(jiǎn)單,探頭移動(dòng)靈活,定位精度高,重復(fù)覆蓋性好,可應(yīng)用于復(fù)合材料特殊區(qū)域的定位C掃描檢測(cè)。

        (4)采用滾輪探頭結(jié)合雙軸拉線編碼器定位對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè),不僅可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的快速C掃描檢測(cè),還可進(jìn)行特定區(qū)域的C 掃描檢測(cè)評(píng)估,對(duì)提高復(fù)合材料的檢測(cè)效率以及缺陷檢測(cè)評(píng)估具有重要作用,是可行的復(fù)合材料檢測(cè)的系統(tǒng)解決方案。

        [1]周正干,向上,魏東,等.復(fù)合材料的超聲檢測(cè)技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2009,8:70-73.

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