張朝暉 高冠楠 王曉青

摘要：針對高強度玻璃纖維復合材料結構件超聲波檢測聲衰減速度快、聲波無法穿透等問題，根據玻璃纖維材料在航空領域中的使用要求及使用中產生的損傷和缺陷類型，設計制作人工缺陷對比試塊，選擇檢測設備、探頭，確定檢測方法。實踐結果表明，上述檢測系統(tǒng)能有效檢出結構件的分層和脫粘等缺陷，設備便攜，檢測效率高，費用低，可以更好地為航空航天及其他工業(yè)產品的質量檢驗服務。

關鍵詞：玻璃纖維復合材料；缺陷；超聲波檢測

Keywords：glass fiber composite material；defect；ultrasonic inspection

0 引言

高性能玻璃纖維復合材料是一種具有強度高、重量輕、容易成型等優(yōu)點的航空航天工業(yè)材料，在航空航天、軍工、工業(yè)等領域應用廣泛[1]。目前用于高性能復合材料的玻璃纖維有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等，其中高強度玻璃纖維性價比較高，因此使用增長率較快，年增長率達到10%以上。高強度玻璃纖維復合材料已應用在軍用方面，如直升飛機機翼、雷達罩、衛(wèi)通天線罩等。

由于高強度玻璃纖維復合材料與碳纖維增強樹脂基復合材料、金屬材料性質有很大差別，采用常規(guī)超聲波檢測時聲衰減速度快、聲波無法穿透，X射線檢測又存在很多弊端，加之飛機訓練強度大、載荷高，容易出現原缺陷擴展和產生新的層狀缺陷等，目前使用單位反饋玻璃纖維結構在役使用中已出現局部鼓包甚至局部掉塊、分層和脫粘等現象，這些缺陷對飛機的性能危害很大。為在役玻璃纖維結構件檢測（包括使用過程中的結構件檢測、損傷修理后的結構件檢測和修理后的跟蹤檢測）選擇合適的檢測方法和檢測系統(tǒng)，是保證飛機飛行質量的重要環(huán)節(jié)。

1 玻璃纖維復合材料結構件檢測技術

高強度玻璃纖維復合材料層壓結構和層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結構件在服役過程中容易產生片狀面積型分層和脫粘等缺陷，層壓結構缺陷如圖1所示，層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結構缺陷如圖2所示。超聲波檢測為首選檢測方法，采用超聲波縱波反射式檢測技術對高強度玻璃纖維材料結構件進行原位檢測。

首先，為了穿透高強度玻璃纖維材料，發(fā)射電路需選用調諧式電路，其諧振頻率由電路中的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄；另外，要求發(fā)射脈沖頻帶范圍包含探頭自身的頻帶范圍，頻帶越寬，發(fā)射脈沖越窄，可達到的穿透力和分辨力越好。因此，玻璃纖維材料結構件無損檢測超聲檢測儀采用獨特的寬帶窄脈沖激勵技術。

其次，由于復合材料結構在役使用中產生的缺陷多種多樣且復雜，采用射頻信號顯示形式，使探頭輸出的脈沖信號為原始形式，可以通過分析信號相位來判斷識別信號特征，因此，對于玻璃纖維材料層壓結構的超聲檢測，采用寬帶窄脈沖射頻無損檢測技術的優(yōu)點是檢測靈敏度高、分辨率好，適用于室內室外玻璃纖維材料的無損檢測。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 超聲波探傷儀

超聲波探傷儀集模擬性能與數字優(yōu)點于一身，既有數字設計的眾多優(yōu)點，又兼具以前只有在模擬CRT顯示中才能獲得的詳細動態(tài)回波信息。其特點包括：獨特的信號處理技術，可以顯示波形強度變化、模擬圖像與性能等A掃描信息；高分辨率彩色液晶顯示；60Hz刷新率和實時測量技術，能為檢測提供快捷流暢的顯示；15Hz～6kHz脈沖重復頻率；實時TTL和模擬輸出，能處理許多系統(tǒng)應用問題，使檢測應用范圍更廣闊；智能觀察功能；“sparkle”功能能像模擬儀器一樣顯示波形的強度變化；RF顯示模式；聲程范圍1～27940mm，覆蓋薄壁到大聲程工件。

2.2 超聲波探頭

高強度玻璃纖維材料結構件在服役過程中容易產生片狀面積型分層和脫粘等缺陷，所以采用超聲波縱波直探頭進行檢測。由于玻璃纖維罩體尺寸為5～14mm，為了規(guī)避近場區(qū)的影響，檢測時在縱波直探頭前加裝延遲塊，延遲塊長度應不小于15mm。為了穿透聲衰減速度快的高強度玻璃纖維材料結構，需采用低頻探頭。

2.3 對比試塊

1）玻璃纖維復合材料層壓結構對比試塊

設計制作玻璃纖維復合材料層壓結構成型件制盲孔工藝試塊，試塊長250mm、寬200mm，制作時采用材料為F？BG-5-06玻璃纖維復合材料層壓結構成型件制盲孔工藝，試塊制作的示意圖如圖3所示?？椎诪槠矫妫糠N尺寸規(guī)格的孔底平面距零件上表面有三種不同尺寸。孔底距上表面小于1mm、大于單層玻璃纖維布厚0.21mm，中部和孔深小于1mm、大于單層玻璃纖維布厚0.21mm。缺陷尺寸如圖3所示，分別為φ10mm、φ13mm、φ19mm。

2）玻璃纖維復合材料蜂窩夾芯結構對比試塊

設計制作玻璃纖維復合材料蜂窩夾芯結構成型件制盲孔工藝試塊，試塊長200mm、寬100mm，制作采用材料為F？BG-5-06玻璃纖維復合材料層壓板-蜂窩芯-層壓板結構成型件制盲孔工藝，試塊制作的示意圖如圖4所示。孔底為平面，缺陷孔尺寸如圖3所示，分別為φ10mm、φ13mm、φ19mm。

3 檢測及分析

調節(jié)檢測模式為射頻模式，按驗收標準中不允許存在的最小缺陷調節(jié)檢測系統(tǒng)靈敏度。

3.1 層壓板檢測

1）將探頭置于與受檢件厚度相同或接近的對比試塊上，調整檢測參數，使該缺陷的反射回波或底反射回波幅值在60%～80%，如圖5所示。

2）對層壓板缺陷的評定方法

對于成群的彌散性缺陷（如密集小氣孔、疏松區(qū)等），采用與對比試塊上優(yōu)區(qū)比較的方法來確定，用底波信號幅度降低對缺陷進行分析與評定。

對于單個缺陷的評定，可通過對比試塊人工缺陷調節(jié)層間波信號幅度至規(guī)定值進行缺陷的分析與評定。

3）層壓板常見相關波形

層壓板表層分層缺陷波形如圖6所示，層間粘接反射信號波形如圖7所示。

3.2 層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結構檢測

將探頭置于與被檢件厚度相同或接近的對比試塊上的優(yōu)區(qū)處，調整檢測參數使優(yōu)區(qū)蜂窩格芯處膠接連接處反射回波幅值不低于熒光屏正負一格，蜂窩芯格中心反射信號如圖8所示，同時保證脫粘處反射回波幅值不低于熒光屏正負兩格，蜂窩芯脫粘反射信號如圖9所示。

對層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結構缺陷的評定方法：對層壓板與蜂窩夾芯間的脫粘缺陷進行檢測，采用與對比試塊上優(yōu)區(qū)、缺陷區(qū)比較的方法進行膠接連接區(qū)缺陷的分析與評定。

層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結構蜂窩蒙皮分層反射信號如圖10所示，表面漆層反射信號如圖11所示。

4 結束語

玻璃纖維復合材料結構件超聲波檢測能夠檢測出航空裝備用高強度玻璃纖維復合材料層壓結構、蜂窩夾芯結構中的分層和脫粘等缺陷，具體而言能有效檢測出高強度玻璃纖維復合材料結構中蒙皮-芯間脫粘的Φ10 mm、Φ13 mm、Φ19 mm缺陷以及蒙皮分層的Φ10 mm、Φ13 mm、Φ19 mm缺陷。玻璃纖維材料結構件無損檢測超聲檢測儀采用寬帶窄脈沖激勵技術，穿透力和分辨力高，檢測靈敏度高，對缺陷和損傷不漏檢、不誤判，檢測效率高、費用低，能更好地為航空航天及其他工業(yè)產品的質量檢驗服務。

參考文獻

[1]杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24（1）：1-12.

作者簡介

張朝暉，工程師，主要研究方向：超聲波檢測和渦流檢測。