王笑楠，陳惠珍，劉文彬，楊劍鋒，陳良超

(1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029； 2.蘭州石化公司研究院,甘肅 蘭州 730060)

0 引 言

隨著船舶材料技術(shù)的興起及快速發(fā)展，各種材料層出不窮，復(fù)合材料夾層板的優(yōu)越性，致使其被大量用于船舶行業(yè)，所檢夾層構(gòu)件具有質(zhì)量輕，成本低，易于加工等性能[1]。但材料在使用過(guò)程中對(duì)粘合度有一定要求，粘合無(wú)過(guò)大的孔洞，否則材料達(dá)不到應(yīng)力要求。

針對(duì)材料粘合度，表面無(wú)法看出，需要有效的檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)粘接件內(nèi)部缺陷檢測(cè)。無(wú)損檢測(cè)是常用的檢測(cè)方法，包括：渦流檢測(cè)(Eddy Current Testing)、射線檢測(cè)RT(Radiographic Testing)、超聲檢測(cè)UT(Ultrasonic Testing)、磁粉檢測(cè)MT(Magnetic Particle Testing)、液體滲透檢測(cè)PT(Penetrant testing)等[2]。其他檢測(cè)方法還有聲發(fā)射檢測(cè)、熱像/紅外、泄漏試驗(yàn)、交流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、漏磁檢驗(yàn)、超聲波衍射時(shí)差法等。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(UT)是五大常規(guī)檢測(cè)技術(shù)之一，與其它常規(guī)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，它具有被測(cè)對(duì)象范圍廣，檢測(cè)深度大，缺陷定位準(zhǔn)確，檢測(cè)靈敏度高等特點(diǎn)，因此適合采用超聲波探傷技術(shù)。[3]

超聲波C掃描技術(shù)是基于超聲波技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信號(hào)處理和圖像處理的一種超聲檢測(cè)新技術(shù)，設(shè)備經(jīng)過(guò)超聲波自動(dòng)掃查然后對(duì)超聲波進(jìn)行圖像處理和信號(hào)處理使傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)缺陷生成為圖像化、定量化和智能化。近年來(lái)，該技術(shù)在高分子材料、復(fù)合材料、焊縫、鋼管、構(gòu)件等內(nèi)部分層、脫粘、夾雜等缺陷的無(wú)損檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用，但用于船舶材料粘結(jié)件進(jìn)行缺陷檢測(cè)的研究、試驗(yàn)一直空白。

為此，筆者采用美國(guó)全自動(dòng)水浸超聲C掃描系統(tǒng)，針對(duì)船用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行水浸式超聲C掃描檢測(cè)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。預(yù)先在玻璃鋼夾層粘合處人工制造缺陷，由水浸超聲C掃描檢測(cè)材料缺陷的位置、大小和深度，其結(jié)果系統(tǒng)會(huì)以圖片的形式呈現(xiàn)。結(jié)合波形圖進(jìn)行缺陷分析，從而驗(yàn)證該技術(shù)檢測(cè)船用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)缺陷的探測(cè)靈敏度以及可靠度，這對(duì)于船用玻璃鋼夾層結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)品質(zhì)量控制具有重要意義。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣材料與試樣制備方法

試樣材料為玻璃鋼/復(fù)合材料 (FRP/CM) 以及泡沫芯材聚氯乙烯 ( PVC)。[4]樣品用基本制造工藝，在材料粘接處人工制造缺陷位置。位置從底部開(kāi)始分別在150 mm、350 mm、500 mm、650 mm處設(shè)置平行的兩個(gè)孔，邊長(zhǎng)依次為50 mm、30 mm、20 mm、10 mm的8個(gè)正方形缺陷，深度均為1 mm。具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 樣品參數(shù)

1.2 水浸超聲C掃描測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法

水浸超聲C掃描系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心。超聲信號(hào)激發(fā)接收卡為基礎(chǔ)，探頭兼做發(fā)射/接收器，探頭接收的信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等來(lái)處理信號(hào)在探傷儀顯示的圖像，通過(guò)彩色圖像反映玻璃鋼內(nèi)部質(zhì)量，對(duì)缺陷進(jìn)行定性、定量分析。

來(lái)自缺陷的基本信息分析以下幾點(diǎn)：①是否存在來(lái)自缺陷的超聲波信號(hào)及幅度；②入射聲波與接收聲波的傳播時(shí)間；③超聲波通過(guò)材料后的能量衰減。圖1、2給出了檢測(cè)是否有缺陷的原理。如圖所示C掃描回波信號(hào)示意圖，其中圖1為無(wú)缺陷情況，圖2為有缺陷的情況。當(dāng)試件粘接完好時(shí)，超聲波順利傳播到粘接面，檢測(cè)圖形當(dāng)試件粘接完好時(shí)，超聲波順利傳播到粘接面，檢測(cè)圖形中只有表示發(fā)射脈沖及地面回波兩個(gè)信號(hào)。若試件中存在缺陷，則在檢測(cè)圖形中，地面回波前有缺陷回波。

圖1 無(wú)缺陷檢測(cè)波形

圖2 有缺陷檢測(cè)波形

掃查方向見(jiàn)圖3。設(shè)置掃查軸X和引導(dǎo)軸Y，掃查長(zhǎng)度根據(jù)試件大小決定，將試件全部包含在掃查面積之內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容與步驟

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)制造的UPK-T48系列三軸多功能超聲波水浸C掃描全自動(dòng)探傷系統(tǒng)示意圖 圖4所示。傳感器是選用5 MHz，焦距為0.5 in的聚焦探頭[5]。

圖3 掃查方式圖4 超聲C掃描系統(tǒng)外觀

檢測(cè)條件：耦合劑為潔凈水，無(wú)氣泡、無(wú)灰塵、無(wú)雜質(zhì)，水溫大約控制在10～35 ℃。水平臺(tái)及運(yùn)行信號(hào)校準(zhǔn)：利用水平尺對(duì)水槽進(jìn)行水平測(cè)量，來(lái)校準(zhǔn)地面水平度。整體誤差不大于0.02 mm。

運(yùn)行信號(hào)校準(zhǔn)：將探頭置于工件最近端，然后將地面信號(hào)調(diào)到滿屏的50%，然后運(yùn)行到最遠(yuǎn)端，此時(shí)信號(hào)應(yīng)在42%～60%范圍內(nèi)。

(1) 清理試件表面油污。

(2) 調(diào)節(jié)儀器，使時(shí)基掃描線清晰明亮、與水平刻度線重合。

(3) 調(diào)掃描速度，除了限制掃描儀上部速度的機(jī)械原因之外，其他因素(如指數(shù)大小，掃描區(qū)域，采樣記錄大小和采樣頻率)也決定了可用于成功掃描圖像的最大速度?？紤]到數(shù)據(jù)不被丟失的情況下選擇200 mm/s。

(4) 調(diào)靈敏度，將探頭對(duì)準(zhǔn)工件大平粘接面，調(diào)節(jié)衰減(或增益)使底波達(dá)80%；然后調(diào)節(jié)衰減(或增益)使幅度顯示提高44 dB，這時(shí)2Ф靈敏度就調(diào)好了，也就是說(shuō)這時(shí)粘接面處的2Ф孔回波正好達(dá)到基準(zhǔn)高。如果為了粗探時(shí)便于發(fā)現(xiàn)缺陷，可調(diào)節(jié)衰減器使衰減量再減小6 dB作為掃查靈敏度。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷以后對(duì)缺陷定量時(shí)，衰減器應(yīng)調(diào)回6 dB。

(5) 采樣頻率，A/D設(shè)置中為使重建波形不失真, 應(yīng)盡可能提高采樣頻率。一般來(lái)說(shuō)采樣頻率越大越好。UPK-T48自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率范圍分為25、50、125 和250 MHz。

(6) 根據(jù)對(duì)比試樣上的人工缺陷來(lái)設(shè)置門檻，門檻的設(shè)定反應(yīng)了靈敏度的級(jí)別，將人工缺陷放置在超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，會(huì)出現(xiàn)缺陷反射波信號(hào)，在一次表面波和一次底波之間設(shè)置閘門。門檻位置設(shè)置主要設(shè)置門的起始位置和門的寬度及門檻高度。

(7) 掃查檢測(cè)。

超聲信號(hào)調(diào)整結(jié)果如表2所示。

表2 信號(hào)調(diào)整參數(shù)

續(xù)表2 信號(hào)調(diào)整參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5(a)為C掃描圖像，采集F波強(qiáng)度信號(hào)繪制，即超聲波經(jīng)過(guò)涂層內(nèi)部缺陷界面后的反射回波強(qiáng)度信號(hào)，強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成顏色差異，并經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)放大缺陷顯示，圖中可見(jiàn)并列的幾個(gè)異色點(diǎn)；圖5(b)為灰色區(qū)的典型波形，界面波A波形圖高度33%；圖5(c)、(d)為黑色區(qū)典型波形，界面波A波形圖高度100%。A波形可以看出明顯的變化，造成該原因是：因試件粘接質(zhì)量不好造成的。黑色區(qū)域?yàn)檎辰淤|(zhì)量不良處，其它區(qū)域?yàn)檎辰恿己脜^(qū)域。

圖5 掃描各區(qū)域圖像

通過(guò)C掃描設(shè)備檢測(cè)工件，發(fā)現(xiàn)工件中存在明顯的人為加工缺陷及一些自然缺陷。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)八個(gè)方形的人工缺陷， 而且缺陷大小、位置都能夠明顯的分辨出來(lái)。

通過(guò)專用分析軟件(UT win軟件)中聚類分析功能可以自動(dòng)計(jì)算出來(lái)單個(gè)孔洞缺陷面積缺陷面積如圖6、7。由聚類分析得此工件粘接合格率達(dá)到98.62%，不合格率為1.38%。

圖6 聚類分析標(biāo)注 圖7 聚類分析數(shù)據(jù)

3 結(jié) 論

(1) 采用水浸超聲C掃描系統(tǒng)檢測(cè)玻璃鋼粘結(jié)件，可有效識(shí)別粘結(jié)層孔洞缺陷，具有足夠的靈敏度。

(2) 檢測(cè)該類試件需要選擇合適的探頭和參數(shù)設(shè)置，否則會(huì)導(dǎo)致缺陷檢測(cè)不理想，對(duì)于新型材料超聲傳播速度不明確，要進(jìn)行多次試驗(yàn)得出結(jié)論。下面列幾個(gè)不同探頭頻率檢測(cè)的結(jié)構(gòu)。

① 10 MHz水浸聚焦探頭測(cè)試結(jié)果如圖8，由于聚焦探頭選用頻率較低，未達(dá)到需求分辨率，導(dǎo)致沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷；② 20 MHz水浸聚焦探頭測(cè)試結(jié)果如圖9，原因同上，有發(fā)現(xiàn)疑似缺陷，但不明顯。

圖8 10 MHz聚焦探頭圖像 圖9 20 MHz聚焦探頭圖像