田 勐,王麗萍,張 勇,程志義,李 凱,王 卓,石永佳

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

碳纖維復(fù)合材料在軌道車輛上的應(yīng)用帶來了兩大變化：一是通過應(yīng)用碳纖維零部件，減少傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)在軌道車輛車體上所占的比重，進而實現(xiàn)整車輕量化。二是增加了軌道車輛運行的安全性，碳纖維材料機械強度和抗沖擊性相比普通材料分別高35%和20%以上，同時不懼酸堿鹽等化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，使用壽命長，短時間內(nèi)經(jīng)歷較大的溫差可保持零部件的零變形。

碳纖維復(fù)合材料制備過程中形成的孔洞、分層等缺陷會嚴重影響其力學(xué)性能。碳纖維復(fù)合材料的橫向載荷與抗剪能力較低，在沖擊或疲勞等載荷的作用下極易發(fā)生損傷直至毀壞，一旦嚴重缺陷漏檢，直接影響軌道車輛行車安全。因此對碳纖維復(fù)合材料使用過程中進行無損檢測顯得至關(guān)重要。超聲波檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用[1]，碳纖維復(fù)合材料強度高、密度小[2]、質(zhì)量輕[3]，多為非厚度結(jié)構(gòu)[4]，成型過程中易形成孔洞、分層等缺陷[5]，相比其他無損檢測方法，超聲波檢測方法的設(shè)備價格低且更適合于現(xiàn)場使用，同時該方法穿透性強，操作簡單，成本低，可以檢測出氣孔、分層、夾雜等內(nèi)部缺陷，是檢測碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的一種簡單、實用的方法[6]。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1 試件

軌道車輛車體用復(fù)合材料制件超聲波檢測參照GJB 1038.1A—2004《纖維增強復(fù)合材料無損檢測辦法 第1部分 超聲波檢驗》執(zhí)行。本文采用軌道車輛車體用碳纖維復(fù)合材料作為母材制作層壓板對比試塊，圖1為碳纖維復(fù)合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像效果，圖2為碳纖維復(fù)合材料對比試塊人工缺陷的尺寸和位置分布，試塊厚度為1～3 mm，圓形人工缺陷直徑分別為3 mm、6 mm。

圖1 碳纖維復(fù)合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像

圖2 碳纖維復(fù)合材料對比試塊人工缺陷的大小和位置

1.2 試驗方法及試驗設(shè)備

1.2.1 常規(guī)超聲脈沖反射法檢測

常規(guī)超聲脈沖反射法檢測是將一個超聲直探頭直接接觸工件表面并發(fā)射和接收能量的超聲波檢測方法，其工作原理是：如果碳纖維復(fù)合材料的復(fù)合層界面質(zhì)量不好，如有氣孔、分層、夾雜等缺陷，將導(dǎo)致超聲波的往返透過率不同，從而表現(xiàn)出缺陷回波或底波幅度發(fā)生變化。探測前將探頭放置在試塊無缺陷區(qū)，始波波峰調(diào)整至熒光屏掃描線第一格處，高度調(diào)整至滿刻度的80%處。

常規(guī)超聲波脈沖反射采用PXUT-F3型超聲波探傷儀。由于碳纖維復(fù)合材料層間反射波較強且缺陷波不易分開，為了提高分辨缺陷的能力，應(yīng)選擇較高頻率且較小尺寸的探頭，因此采用頻率為5 MHz、晶片直徑為6 mm的帶有延遲塊的超聲波直探頭進行檢測，如圖3所示。

圖3 超聲波脈沖反射儀器和探頭

1.2.2 視頻超聲檢測

視頻超聲檢測是一種基于平面陣多晶元超聲實時成像原理的檢測技術(shù)，多陣元同時工作和采集圖像，包括A、B、C、D等多種顯示模式，可以直接進行C掃描成像并實時采集厚度信息。視頻超聲檢測技術(shù)相較于常規(guī)超聲技術(shù)，檢測面積大，成像效果精細，可測量直徑和面積，分辨率高；相較于超聲相控陣技術(shù)[7]，具有更簡單的參數(shù)設(shè)置和更高的分辨率，無需編碼器；相較于滾輪線掃描超聲相控陣技術(shù)具有靈活的操作和細節(jié)的成像效果。

視頻超聲檢測采用的是進口視頻超聲設(shè)備，如圖4所示。探頭規(guī)格為TRM-DA-10.00MHZ，晶元數(shù)量為128×128個，晶片尺寸為32 mm×32 mm,橫向最小分辨率為0.25 mm，根據(jù)工件厚度不同可檢出φ1 mm及以上的缺陷。

圖4 視頻超聲儀器和探頭

2 試驗結(jié)果

2.1 板厚1 mm區(qū)缺陷檢測

分別采用常規(guī)超聲檢測設(shè)備和視頻超聲檢測設(shè)備沿一定方向移動掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對碳纖維復(fù)合材料試塊1 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖5～圖10分別為1號、2號、7號、8號、13號和14號缺陷的檢測結(jié)果。

圖5 1號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果圖

圖6 2號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果圖

圖7 7號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖8 8號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

圖9 13號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖10 14號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

2.2 板厚 2 mm區(qū)缺陷檢測

分別采用常規(guī)超聲檢測設(shè)備和視頻超聲檢測設(shè)備沿一定方向移動掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對碳纖維復(fù)合材料試塊的2 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖11～圖16分別為3號、4號、9號、10號、15號和16號缺陷的檢測結(jié)果。

圖11 3號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖12 4號φ 6mm缺陷檢測結(jié)果

圖13 9號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖14 10號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

圖15 15號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖16 16號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

2.3 板厚3 mm區(qū)缺陷檢測

分別采用常規(guī)超聲檢測設(shè)備和視頻超聲檢測設(shè)備沿一定方向移動掃查碳纖維復(fù)合材料試塊，對碳纖維復(fù)合材料試塊的3 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖17～圖22分別為5號、6號、11號、12號、17號和18號缺陷的檢測結(jié)果。

圖17 5號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖18 6號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

圖19 11號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖20 12號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

2.4 結(jié)論

以上試驗結(jié)果表明，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)及視頻超聲檢測技術(shù)均可以實現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料層壓板1 mm、2 mm、3 mm板厚區(qū)上表面第二層與第三層之間、中間兩層之間、下表面第二層與第三層之間φ3 mm、φ6 mm人工缺陷的檢測，但視頻超聲檢測技術(shù)的檢測結(jié)果顯示圖像比常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)檢測結(jié)果更加直觀，缺陷判別更加容易。

圖21 17號φ3 mm缺陷檢測結(jié)果

圖22 18號φ6 mm缺陷檢測結(jié)果

3 結(jié)束語

隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的進步，其在軌道車輛中的應(yīng)用也在不斷擴展，其內(nèi)部缺陷的檢測已受到廣泛關(guān)注。通過以上試驗，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料層壓板不同厚度、不同深度、不同孔徑內(nèi)部缺陷的檢測，并采用視頻超聲技術(shù)驗證了與超聲波脈沖反射技術(shù)檢測結(jié)果的一致性，但針對蜂窩和泡沫夾層結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料待進一步試驗驗證。就設(shè)備價格而言，視頻超聲技術(shù)檢測設(shè)備價格較貴，常規(guī)超聲脈沖反射技術(shù)檢測設(shè)備價格較低；但就檢測結(jié)果的圖像顯示效果而言，視頻超聲檢測技術(shù)更加直觀，缺陷判別更加容易。如果條件允許，將視頻超聲檢測技術(shù)應(yīng)用在碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測上也是一種行之有效的辦法。