李治應(yīng)，劉菲菲，楊玉森，劉松平

（中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100300）

復(fù)合材料由于比強度和比模量高、耐疲勞、質(zhì)量輕、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，在航空領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。復(fù)合材料機身壁板是民用飛機中大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的關(guān)鍵零件之一，對無損檢測技術(shù)要求很高，通常需采用成熟的工程化高效超聲自動掃描成像檢測技術(shù)[1]。傳統(tǒng)超聲C–掃描技術(shù)成熟，對缺陷尺寸定量表征準確度高，但是存在掃描速度慢、成像效率低的不足。超聲相控陣檢測技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展，結(jié)合先進的計算機和微電子技術(shù)，相控陣探頭集成晶元數(shù)不斷增加，聲束控制能力、成像效果和檢測效率有了大幅提升，不斷應(yīng)用于復(fù)合材料制件的無損檢測[2–7]。

影響超聲相控陣檢測的因素很多，其中超聲相控陣探頭及與其被檢測零件之間的耦合是最為重要的關(guān)鍵因素之一，影響超聲相控陣探頭的參數(shù)有陣元寬度、陣元間距、激發(fā)陣元孔徑、頻率、偏轉(zhuǎn)角度等，這些參數(shù)影響超聲相控陣聲束質(zhì)量和成像質(zhì)量[8–12]。復(fù)合材料機身壁板同時存在層壓結(jié)構(gòu)和板–板膠接結(jié)構(gòu)，國內(nèi)報道的研究主要集中在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)試樣的超聲相控陣檢測[13–14]，沒有針對大型機身壁板和板–板膠接特點的缺陷超聲相控陣檢測研究。在復(fù)合材料機身壁板實際無損檢測中，試件材料、結(jié)構(gòu)、檢測儀器都已經(jīng)確定，可調(diào)節(jié)參數(shù)只有激發(fā)陣元數(shù)、分辨率、增益、步進等。本研究旨在設(shè)計超聲相控陣檢測方法和參數(shù)調(diào)節(jié)方法，實現(xiàn)超聲相控陣在復(fù)合材料機身壁板無損檢測中應(yīng)用，完成復(fù)合材料機身壁板檢測對比試塊缺陷判別和定量分析，為復(fù)合材料機身壁板超聲相控陣無損檢測提供技術(shù)支持，進行缺陷可檢性驗證。

本研究首先根據(jù)所采用的儀器和帶有水囊的輪式線陣列探頭的特點，設(shè)計復(fù)合材料機身壁板的檢測方法和參數(shù)調(diào)節(jié)方法；然后通過對反映復(fù)合材料機身壁板的結(jié)構(gòu)和材料特征的無損檢測對比試塊進行超聲相控陣檢測成像分析，確定復(fù)合材料機身壁板不同區(qū)域檢測參數(shù)的最優(yōu)組合；最后對試塊中預(yù)制缺陷進行定量分析，并與筆者所在團隊研究開發(fā)的高分辨率超聲自動掃描成像檢測系統(tǒng)的定量分析結(jié)果進行對比分析，驗證超聲相控陣對缺陷的可檢性。

1 檢測方法與試樣

1.1 檢測方法

本研究采用一維線陣列超聲相控陣輪式探頭對復(fù)合材料機身壁板試樣進行檢測分析，可同時進行檢測區(qū)域超聲A、B、C–掃描檢測分析。機身壁板的蒙皮層壓結(jié)構(gòu)，與長桁膠接，缺陷一般處于復(fù)合材料鋪層之間和蒙皮–長桁膠接處，為了獲得較好的檢測效果，聲束方向應(yīng)垂直于機身壁板表面，因此超聲相控陣工作方式應(yīng)采用垂直線性掃查。如圖1所示，采用有微小時差的電脈沖激發(fā)一組陣元，延時法則沿陣元組中心對稱分布，產(chǎn)生了相位差對稱分布的干涉聲束，并在中心線某處聚焦，調(diào)節(jié)延時法則，便可獲得不同的聚焦深度，焦點深度對應(yīng)試件中的真實深度。本研究采用線性掃查法進行超聲相控陣C–掃描，如圖2所示，當陣元數(shù)n設(shè)為4，步進設(shè)為1時，超聲探頭一次激勵4個相鄰陣元，并通過預(yù)設(shè)的聚焦法則獲得超聲波聚焦聲束，聲束焦點懸著于蒙皮厚度等深位置，從第1組陣元至N總–n+1組（N總為探頭陣元總數(shù)）依次激發(fā)超聲波聚焦聲束，并接收來自壁板蒙皮底面的超聲回波信號B，在不移動陣元的情況下，即完成了與探頭等寬區(qū)域的一次線性掃查。當超聲波聲束遇到缺陷時，探頭接收到缺陷的反射回波D，當焦點位于蒙皮底面時，可以檢出蒙皮整個厚度范圍內(nèi)分布的缺陷。

圖1 超聲相控陣垂直入射聲束聚焦原理Fig.1 Principle of ultrasonic phased array vertical incident beam focusing

圖2 超聲相控陣探頭工作方式示意圖Fig.2 Working mode of ultrasonic phased array probe

綜上，本研究采用的超聲相控陣檢測方案是：超聲相控陣線陣列探頭的工作方式為線性掃查，偏轉(zhuǎn)角度為0，聚焦深度為檢測區(qū)域的厚度，根據(jù)試塊底面回波B的幅值變化，進行超聲相控陣C–掃描檢測分析和缺陷判別。

1.2 參數(shù)調(diào)節(jié)

本研究采用128陣元線陣列輪式探頭，進行超聲相控陣檢測，探頭型號為5L128–0007–1706（多浦樂），頻率5MHz，聲速3000mm/s（碳纖維復(fù)合材料，縱波），耦合介質(zhì)為水，掃查方向如圖1和2所示。

對于確定的超聲相控陣探頭，與探頭相關(guān)參數(shù)陣元寬度e、陣元中心距p、陣元長度H、頻率等都已固定，只能通過調(diào)節(jié)探頭激發(fā)陣元數(shù)n、聚焦深度h、分辨率、步進等主要參數(shù)來調(diào)節(jié)超聲相控陣C–掃描成像效果。其中分辨率可以調(diào)節(jié)超聲相控陣C–掃描圖像的顯示寬度；步進是調(diào)節(jié)一次線掃描中激發(fā)相鄰陣元組之間的間距，步進越大，間距越大，獲取的信號就越少，成像效果就越差，為了獲得最優(yōu)的成像效果，步進選擇1。當檢測對象和超聲相控陣探頭確定時，聲束方向與檢測試件表面垂直，能影響超聲相控陣聚焦聲束的參數(shù)只有激發(fā)陣元數(shù)n、聚焦深度h。在實際機身壁板檢測中，在探頭掃查范圍內(nèi)的厚度可以認為是不變的，所以實際檢測只需針對檢測區(qū)域的厚度，調(diào)節(jié)優(yōu)化激發(fā)陣元數(shù)這一個核心參數(shù)即可。

當陣元數(shù)調(diào)節(jié)至最佳時，超聲波聲束的直徑應(yīng)最小，焦點處聲強最大。此時對應(yīng)超聲波A–顯示信號中，壁板底面回波B幅值最大，脈沖回波寬度最小[12,15]。在實際檢測中，一般將底波B幅值調(diào)節(jié)至滿屏的80%，以6dB法進行缺陷定量分析，當超聲聚焦聲束的底面回波B的幅值一定時，最優(yōu)的陣元數(shù)N對應(yīng)的增益補償最小，所以設(shè)計陣元數(shù)調(diào)節(jié)方案如下。

復(fù)合材料機身壁板的厚度范圍為2～11mm，選擇2mm、5mm、11mm 3個厚度的檢測對比試塊，選擇步進為1，調(diào)節(jié)聚焦深度為各試塊的厚度，即厚度與聚焦深度h一致，調(diào)節(jié)陣元數(shù)n和對應(yīng)增益值，使壁板底面回波B 的A–顯示信號占滿屏的80%，記錄此時的增益值，最后選擇最小增益值對應(yīng)的n為該厚度下超聲相控陣掃描成像的最優(yōu)激發(fā)陣元數(shù)N。

1.3 檢測試樣制備

層壓結(jié)構(gòu)蒙皮檢測對比試塊共3塊，試塊編號為1#、4#和5#，厚度分別為2mm、5mm和11mm，覆蓋復(fù)合材料機身壁板蒙皮厚度，材料為M21C，工藝為自動鋪絲，預(yù)制3排4列模擬分層缺陷，每排深度不同（表面第1和第2層之間、表面第2和第3層之間、兩中心層之間、底面第2和第3層之間），每列的缺陷大小為φ6mm、φ9mm、φ12mm。采用預(yù)制聚四氟乙烯薄膜的方式模擬分層缺陷，缺陷間距50mm，如圖3所示。

圖3 層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料蒙皮檢測對比試塊缺陷分布及設(shè)計圖（mm）Fig.3 Defect distribution and design drawing of laminated composite skin test specimens(mm)

蒙皮–長桁膠接結(jié)構(gòu)檢測對比試塊為典型的帽形長桁與壁板蒙皮膠接結(jié)構(gòu)，材料為M21C，試塊編號為7#，蒙皮+長桁總厚度為4mm，預(yù)制2列模擬脫黏缺陷，每列缺陷大小為φ6mm、φ9mm和φ12mm。左側(cè)3種尺寸缺陷均位于膠膜與長桁之間，右側(cè)3種缺陷均位于膠膜與蒙皮之間，如圖4所示。

圖4 蒙皮–長桁檢測對比試塊及脫黏缺陷分布（mm）Fig.4 Defect distribution and design drawing of test specimen with skin adhesive bonding-long truss structure(mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 最優(yōu)陣元數(shù)的確定

選擇1#（2mm）、4#（5mm）和5#（11mm）3個與機身壁板材料工藝相同的層壓結(jié)構(gòu)對比試塊進行陣元數(shù)參數(shù)優(yōu)化研究，將聚焦深度設(shè)為試塊厚度，從2～8逐漸增加激發(fā)陣元數(shù)n，記錄此時試塊底波B幅值占儀器滿屏80%時對應(yīng)的增益，結(jié)果見表1。將陣元組從中心分為兩個對稱分布的偏轉(zhuǎn)聚焦陣元組，隨著陣元數(shù)的增加，陣元組的偏轉(zhuǎn)角度不斷增加，當偏轉(zhuǎn)角度過大時，聚焦聲束主瓣寬度變寬，聲束指向性變差，并且會帶入旁瓣，所以不斷增加激發(fā)陣元數(shù)n，直至聚焦效果變差，即可找出最優(yōu)激發(fā)陣元數(shù)N。結(jié)果表明，對于同一試塊，底波B的幅值增益值總是隨著激發(fā)陣元數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增加的規(guī)律，1#、4#和5#的最佳激發(fā)陣元數(shù)N分別為3、4和6，由此擬合出直線：h=1/3N+7/3，如圖5所示，在機身壁板實際檢測中可以據(jù)此直線和檢測區(qū)域厚度，選擇適合的最優(yōu)激發(fā)陣元數(shù)N，并將底波調(diào)節(jié)至滿屏的80%即可開始檢測。當聚焦深度為2mm（1#）時的最佳激發(fā)陣元數(shù)只有11mm（5#）的一半，超聲合成聲束的能量小，并且聲束與陣列之間的夾角θ（圖1）更大，指向性變差，因此該超聲相控陣換能器對復(fù)合材料近表面缺陷檢出能力差，對大厚度復(fù)合材料檢測具有明顯優(yōu)勢。

圖5 復(fù)合材料機身壁板蒙皮厚度h與超聲相控陣檢測 最優(yōu)激發(fā)陣元數(shù)N關(guān)系的擬合結(jié)果Fig.5 Relationship between thickness hof skin of composite fuselage panel and optimal array number N in ultrasonic phase array testing

表1 不同陣元數(shù)對應(yīng)的底波增益補償（底波占滿屏80%）Table 1 Bottom wave gain compensation for different array elements(bottom wave occupies 80% of screen)dB

2.2 層壓結(jié)構(gòu)蒙皮試塊的超聲相控陣檢測與缺陷定量驗證分析

在確定復(fù)合材料機身壁板檢測區(qū)域超聲相控陣檢測參數(shù)后，還需要驗證在該參數(shù)下，底波成像法檢測的可行性。主要驗證該方法對復(fù)材機身壁板蒙皮中不同厚度區(qū)域、不同深度缺陷的檢出效果和缺陷定量分析的準確性。在優(yōu)化參數(shù)下，分別對1#、5#試塊進行超聲相控陣C–掃描檢測，兩個試塊中的預(yù)制缺陷深度范圍為近表面至11mm，覆蓋了復(fù)材機身壁板層壓結(jié)構(gòu)蒙皮的厚度范圍。檢測結(jié)果如圖6所示，兩個試塊中的不同大小、深度的缺陷均能被有效檢出，缺陷邊緣清晰，顯示形狀接近預(yù)制缺陷設(shè)計形狀，沒有明顯失真；所有缺陷位置間隔均在（50±5）mm范圍內(nèi)，考慮加工誤差，說明該檢測方法對復(fù)材機身壁板蒙皮中的預(yù)制缺陷也具有較好的定位效果。

圖6 層壓結(jié)構(gòu)蒙皮試塊超聲相控陣C–掃描結(jié)果Fig.6 Ultrasonic phased array C–scan results of laminated skin specimens

在復(fù)合材料機身壁板的實際檢測中，除了關(guān)注缺陷的檢出效果和定位效果，還需要對缺陷進行定量分析。本研究中主要考查超聲相控陣底波成像法對缺陷X（陣列方向）和Y（掃查方向）方向的定量分析準確性。其中缺陷X尺寸可在超聲相控陣B掃描圖中直接測量，如圖7所示，1#試塊F10缺陷的超聲B掃描結(jié)果中，采用6dB法，通過光標測量缺陷對應(yīng)底面回波衰減區(qū)域，確定缺陷X方向尺寸；在復(fù)合材料機身壁板超聲相控陣檢測前，需要調(diào)節(jié)分辨率，使C–掃描圖Y方向長度與探頭實際移動距離相等，以保證從超聲相控陣C–掃描圖中量取的缺陷Y方向尺寸的精確性，缺陷長度此時可直接在超聲C–掃描圖中通過光標測量直接讀取。

圖7 1#試樣F10缺陷典型超聲相控陣B–掃描定量分析結(jié)果Fig.7 Typical ultrasonic phased array B–scan quantitative analysis results of 1# specimen F10 defect

為了驗證超聲相控陣缺陷定量分析的準確性，將超聲相控陣檢測缺陷定量分析結(jié)果與高分辨率超聲C–掃描缺陷定量分析結(jié)果進行了對比，典型的高分辨率超聲C–掃描結(jié)果如圖8所示，高分辨率超聲C–掃描底波成像對不同深度的預(yù)制缺陷都有很好的檢出效果，缺陷邊界非常清晰，1#、5#試塊不同深度、大小缺陷X、Y方向定量分析結(jié)果和高分辨率超聲檢測方法的缺陷定量分析結(jié)果見表2。檢測設(shè)備為CUS–21J超聲檢測系統(tǒng)，探頭為FJ–1，均為中國航空制造技術(shù)研究院自主研發(fā)。

表2 1#和5#試塊超聲相控陣與高分辨率超聲C–掃描缺陷定量分析結(jié)果Table 2 Ultrasonic phased array and high resolution ultrasonic C–scan defect quantitative analysis results of specimen 1# and 5#

圖8 1#試樣高分辨率超聲C–掃描結(jié)果Fig.8 High resolution ultrasonic C–scan results of specimen 1#

復(fù)合材料機身壁板實際檢測要求檢出最小缺陷為φ6，對φ6缺陷超聲相控陣法和高分辨率超聲C–掃描定量分析結(jié)果進行了對比分析，如圖9所示。對于超聲相控陣法底波成像檢測結(jié)果，在復(fù)材機身壁板厚度范圍內(nèi)，φ6缺陷Y方向檢出尺寸與設(shè)計值偏差為0～1.2mm，X方向偏差為–0.1～1.0mm；φ6缺陷超聲相控陣法底波成像檢測結(jié)果與高分辨率超聲檢測結(jié)果之間的偏差為Y方向0.4～1.4mm，X方向–0.3～1.1mm。超聲相控陣法底波成像結(jié)果中，X、Y方向定量分析結(jié)果與設(shè)計值和高分辨率超聲結(jié)果之間的偏差均在±1.5mm范圍內(nèi)，考慮到缺陷制備誤差，試驗結(jié)果表明，本研究中超聲相控陣底波成像檢測方法對復(fù)材機身壁板中φ6缺陷具有較好的定量分析準確度，滿足機身壁板實際檢測中缺陷定量分析精度和靈敏度調(diào)節(jié)需求。采用同樣的方法對1#、5#試樣中的φ9、φ12缺陷定量分析結(jié)果進行驗證，缺陷檢出尺寸與設(shè)計值、高分辨率超聲檢出結(jié)果之間的偏差同樣在±1.5mm之間，滿足機身壁板不同驗收等級缺陷定量分析精度和靈敏度調(diào)節(jié)需求。此外，試驗結(jié)果表明，就缺陷檢出尺寸而言，采用高分辨率超聲方法，缺陷檢出尺寸準確性好于超聲相控陣檢測結(jié)果，而且缺陷邊界更為清晰。

圖9 φ6缺陷超聲相控陣與高分辨率超聲C–掃描缺陷定量分析結(jié)果Fig.9 Ultrasonic phased array and high resolution ultrasonic C–scan defect quantitative analysis results of φ6 defects

2.3 蒙皮–長桁膠接結(jié)構(gòu)的超聲相控陣檢測與缺陷定量分析

蒙皮與長桁膠接質(zhì)量是復(fù)合材料機身壁板另一個無損檢測評估重點。7#蒙皮–長桁膠接試塊具有典型的壁板結(jié)構(gòu)，針對試塊的蒙皮–長桁膠接區(qū)域進行超聲相控陣C–掃描檢測分析。蒙皮–長桁膠接區(qū)域的厚度為4mm，根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，選擇聚焦深度為4mm，陣元數(shù)為4，對應(yīng)增益為26.3dB。如圖10所示，超聲相控陣對復(fù)合材料機身壁板蒙皮–長桁膠接界面的預(yù)制模擬脫黏缺陷均能有效檢出，相較于高分辨率超聲C–掃描結(jié)果（圖11），部分缺陷形狀存在失真情況，試樣蒙皮–長桁膠接區(qū)與單蒙皮區(qū)域能在超聲相控陣C–掃描圖中清晰分辨。模擬脫黏缺陷的超聲相控陣與高分辨率超聲定量分析結(jié)果如表3所示，結(jié)果表明高分辨率超聲檢測法中不同大小的模擬脫黏缺陷的尺寸與設(shè)計值之間的偏差為–0.2～0.4mm，而超聲相控陣底波成像法中模擬脫黏缺陷的尺寸與設(shè)計值之間的偏差為–0.1～1.0mm，相較于高分辨率超聲，偏差明顯較大，可能是合成的超聲波聲束受到膠膜、膠接界面的干擾導(dǎo)致；但超聲相控陣底波掃描成像法對膠接區(qū)模擬脫黏缺陷的檢出能力和定量分析準確度仍然滿足復(fù)合材料機身壁板蒙皮–長桁膠接區(qū)域的無損檢測需求。此外，采用高分辨率超聲檢測方法，檢出缺陷尺寸偏差分布更?。▓D12）。

圖12 7#試樣超聲C–掃描缺陷尺寸實測值與設(shè)計值差值分布圖Fig.12 Specimen 7# ultrasonic C–scan defect size distribution chart of difference between measured value and design value

表3 7#試樣缺陷定量分析結(jié)果Table 3 Defect quantitative analysis results of specimen 7#

圖10 蒙皮–長桁膠接結(jié)構(gòu)模擬脫黏試塊（7#）超聲相控陣C–掃描結(jié)果Fig.10 Ultrasonic phased array C–scan results of simulated debonding defects test block(specimen 7 #)with skin adhesive bonding-long truss structure

圖11 7#試樣高分辨率超聲C–掃描結(jié)果Fig.11 High resolution ultrasonic C–scan results of specimen 7#

3 結(jié)論

（1）針對復(fù)合材料機身壁板蒙皮、蒙皮–長桁膠接結(jié)構(gòu)進行超聲相控陣檢測成像分析，采用底波成像檢測方法，簡化了聚焦深度和激發(fā)陣元數(shù)n的調(diào)節(jié)過程，確定了復(fù)合材料機身壁板檢測中最優(yōu)激發(fā)陣元數(shù)N的范圍為3～6。試驗結(jié)果表明，該檢測方法對復(fù)合材料機身壁板蒙皮中的模擬分層和蒙皮–長桁膠接區(qū)模擬脫黏均有較好的檢出效果和定位效果，缺陷檢出能力覆蓋了復(fù)合材料機身壁板的厚度范圍。

（2）通過超聲相控陣B–掃描和C–掃描，對機身壁板蒙皮、蒙皮–長桁膠接區(qū)域的預(yù)制缺陷進行了定量分析，并與高分辨率超聲C–掃描結(jié)果進行了對比分析，采用底波成像的超聲相控陣結(jié)果與設(shè)計值、高分辨率超聲的缺陷定量分析結(jié)果的誤差均在±1.5mm內(nèi)，表明超聲相控陣檢測法有較好的檢出缺陷定量分析精度，滿足復(fù)合材料機身壁板實際檢測中缺陷定量分析要求，為超聲相控陣法在大型復(fù)合材料機身無損檢測中的應(yīng)用提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。