徐浪，潘勤學(xué)，王超，顧軍，伍建雄，劉金峰

(1.中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京100074;2.北京理工大學(xué)，北京100081)

0 引言

樹脂基碳纖維是由環(huán)氧樹脂基體與碳纖維增強體組成的一種復(fù)合材料，其具有較高的比強度［1］和比模量［1］以及良好的抗疲勞性和成型工藝性，目前廣泛應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域，并在很多關(guān)鍵部位替代了金屬材料，而碳纖維與金屬的膠接結(jié)構(gòu)更是大量應(yīng)用在各種型號產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中，膠接質(zhì)量的好壞直接影響了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

目前，多層結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量檢測應(yīng)用較多的有紅外熱成像檢測法和敲擊法，但檢測靈敏度較低，檢測精度較差，對于多層結(jié)構(gòu)無法判定缺陷發(fā)生的界面位置，而且紅外熱成像作為無損檢測新技術(shù)，檢測成本高。本文基于脈沖反射法［2］提出了對于這種典型結(jié)構(gòu)的超確評估，同時，也降低檢測成本。

1 檢測原理

針對碳纖維與鋁板多層膠接結(jié)構(gòu)的特點，采用接觸式脈沖反射法進行膠接質(zhì)量檢測。超聲縱波在傳播過程中遇到聲阻抗不同的材料時，在界面處會發(fā)生不同程度的反射。通過采集界面回波和底面回波信號，分析縱波傳播的聲時、相位以及幅值變化，從而判定缺陷的存在。

圖1 超聲檢測原理

由于工程實際中膠接結(jié)構(gòu)厚度均較薄(碳纖維材料厚度約1 mm，膠層厚度1 ～2 mm，鋁板厚度約1.5 mm)，為使回波信號不被觸發(fā)信號淹沒，故檢測過程中采用一定厚度的有機玻璃延時塊進行波形延時，如圖1所示。

超聲縱波的傳播特性可知，當縱波從介質(zhì)Ⅰ入射到介質(zhì)Ⅱ中，在兩種介質(zhì)交界面上聲壓反射率［3］和透射率［3］分別由式(1)和式(2)得到。

式中:pr為反射波聲壓;pt為透射波聲壓;p0為入射波聲壓;ZⅠ為介質(zhì)Ⅰ的聲阻抗;ZⅡ為介質(zhì)Ⅱ的聲阻抗。

如圖1所示，膠接良好時，入射縱波在界面1、界面2、界面3 均發(fā)生不同程度的反射和透射，以及在鋁板的底面發(fā)生全反射;第一層材料脫粘時(圖中7)，入射縱波在界面1 發(fā)生反射與透射，在界面2 發(fā)生全反射;第二層材料脫粘時(圖中6)，入射縱波在界面1、界面2 均發(fā)生透射和反射，在界面3 發(fā)生全反射。

由式(1)、式(2)及表1 中的參數(shù)可知:在膠接良好情況下，界面1 的反射波與入射波相位相同，界面2的反射波與入射波相位相反，界面3 的反射波與入射波相位相同，鋁板底面反射波與入射波相位相反;第一層材料脫粘情況下，界面1 的反射波與入射波相位相同，界面2 的反射波與入射波相位相反;第二層材料脫粘情況下，界面1 的反射波與入射波相位相同，界面2 的反射波與入射波相位相反，界面3 的反射波與入射波相位也相反。

因此，可根據(jù)采集界面反射回波的波形組成以及各成分波形的相位關(guān)系判斷缺陷形態(tài)。

表1 材料參數(shù)

由于檢測對象較薄，與常規(guī)超聲檢測法不同的是:①本文研究采用寬帶窄脈沖換能器，并引入延時技術(shù)將反射回波與始脈沖分離;②常規(guī)超聲僅通過回波幅值來判定缺陷，本文結(jié)合幅值和相位的方法，通過分析回波成分幅值和相位的關(guān)系，不僅能夠判定缺陷的存在，還能分析出脫粘缺陷出現(xiàn)的界面位置。

2 檢測結(jié)果及分析

寬帶窄脈沖系列超聲換能器，中心頻率為5 MHz，晶片尺寸6 mm。根據(jù)實際被檢測工件的制作工藝，設(shè)計如圖2所示的試塊，試塊規(guī)格:200 mm×200 mm，各層材料厚度與實際工件相同，在鋁板側(cè)分別加工直徑為20，15，10，6，3 mm 規(guī)格的平底孔，左邊兩列平底孔模擬第一層材料脫粘，右邊三列平底孔模擬第二層材料脫粘。

圖2 對比試塊

2.1 脫粘缺陷存在性判定

超聲縱波換能器在膠接良好區(qū)域和脫粘模擬缺陷區(qū)域的回波信號如圖3所示，圖中“1”表示界面1 回波，“2”表示界面2 回波，“3”表示界面3 回波，“鋁”表示鋁板的底面回波，從圖中可以看出:膠接良好時，界面1、界面2、界面3 和鋁板底面均有反射回波，且界面1、界面3 的反射回波與觸發(fā)波相位相同，界面2和鋁板底面反射回波相位與觸發(fā)波相反;第一層材料脫粘時，只有界面1 和界面2 處有反射回波，且界面1反射回波相位與觸發(fā)波相同，界面2 反射回波相位與觸發(fā)波相反;第二層材料脫粘時，界面1、界面2、界面3 均有反射回波，且界面1 反射回波與觸發(fā)波相位相同，界面2 和界面3 反射回波相位與觸發(fā)波相反。實際檢測回波信號與理論分析一致，因此，可以通過回波信號的組成和相位關(guān)系進行脫粘缺陷存在的有效判定。

圖3 檢測回波信號

2.2 脫粘缺陷大小確定

實際檢測過程中僅僅對脫粘缺陷進行定性分析是遠遠不夠的，還需對缺陷的大小進行描述，從而為缺陷定級提供參考。對于不小于超聲換能器晶片尺寸的缺陷，采用6 dB 法［4］進行檢測，而對于小于超聲換能器晶片尺寸的缺陷，采用標準試塊對比法。圖4 為采用6 dB 法對制作試塊的檢測結(jié)果，圖中標“1”的位置為第一層材料脫粘缺陷，其余為第二層材料脫粘缺陷。預(yù)埋缺陷的檢測平均值與理論值見表2，對比可以看出采用6 dB 法能夠有效的進行大于晶片尺寸的脫粘缺陷檢測。

圖4 試塊檢測結(jié)果

表2 預(yù)埋缺陷檢測對比 mm

2.3 對比驗證

由于制造工藝的原因，實際被檢測工件90%以上的脫粘缺陷發(fā)生在第一層材料與膠層交界面處，為進一步驗證檢測方法的可靠性，采用紅外熱成像法進行對比。圖5(a)為超聲檢測結(jié)果，圖5(b)為對應(yīng)位置的紅外熱成像檢測結(jié)果，從圖中可以看出超聲檢測結(jié)果與紅外熱成像檢測結(jié)果基本上都能吻合，以此驗證了超聲檢測結(jié)果的可靠性。

圖5 超聲檢測與紅外熱成像檢測結(jié)果對比

3 結(jié)論

針對碳纖維較薄且與鋁板粘接的多層結(jié)構(gòu)特點，提出基于脈沖反射的超聲檢測方法，采用寬帶窄脈沖超聲換能器對脫粘缺陷進行檢測，分析回波信號的組成以及各成分幅值、相位間的關(guān)系，從而判斷缺陷脫粘缺陷出現(xiàn)的位置，并采用6dB 法確定脫粘缺陷的邊界，通過紅外熱成像技術(shù)對超聲檢測結(jié)果進行驗證，充分說明了超聲法進行碳纖維-鋁多層結(jié)構(gòu)膠接質(zhì)量評估的可行性和準確性。

［1］劉松平，劉菲菲.復(fù)合材料無損檢測技術(shù)一瞥［J］.無損檢測，2008(30):117-123.

［2］杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)［M］.南京:南京大學(xué)出版社，2001.

［3］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［4］林猷文，何雙起.超聲檢測——國防科技工業(yè)無損檢測人員Ⅱ級培訓(xùn)教材［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.