復合材料層壓板的超聲相控陣檢測

黃景興，朱 政，丁能圣，閆麗永，方慧波

（昌河飛機工業（集團）有限責任公司，景德鎮 333002）

復合材料由于具有比強度及比模量高、耐疲勞性能好、抗振性能好、熱膨脹系數小和質量輕等優點而廣泛應用于航空航天等軍工業領域［1］。由于復合材料的特殊制造工藝以及其組分的多樣性和各向異性等因素的影響，通常會在制造過程中形成無規律分布的孔隙、疏松、分層、夾雜和粘接不良等缺陷。這些缺陷嚴重地影響著構件的力學性能和整體完整性。為了保證產品高質量、高可靠性、長壽命和高性能的要求，必須對復合材料產品進行100%無損檢測。常規超聲檢測由于受到儀器、探頭等性能的影響，其檢測靈敏度及分辨率較低；同時由于復合材料厚度方向一般不存在加工余量，所以不允許存在檢測盲區［2－3］，常規超聲檢測很難滿足復合材料無損檢測要求。筆者采用超聲相控陣檢測方法對復合材料層壓板進行了檢測。

1 層壓板人工缺陷檢測

1.1 試塊設計

為了模擬復合材料缺陷的大小和位置，設計了一個350mm×300mm，厚度為7層碳纖維布（每層碳纖維布的厚度約為0.15mm）的試塊。試塊內部埋有以特氟隆（聚四氟乙烯）為材料的6組人工缺陷，其中每組缺陷由四個不同半徑人工缺陷組成，同時每組缺陷分布在不層數之間，從而形成不同尺寸和深度的人工缺陷。試塊詳細的缺陷位置和尺寸如圖1所示。

1.2 檢測設備與檢測過程

圖1 層壓板試塊

檢測過程采用Omni Scan MX探傷儀，探頭（5L64－A2）頻率為5MHz、64個晶片一維排列式，楔塊（SA2－OL）為有機玻璃。

采用零度線性聚焦法則，設置從第1個晶片開始激活到第64個結束，電子掃描步距為1，聚焦深度為2mm，聲速為3000m／s的縱波。顯示方式為A＋C掃形式。采用水作為耦合劑與層壓板耦合。在A掃顯示中將閘門A置于始波與底波之間，由閘門A采集的信號轉換為相應的C掃圖像。對圖1第六組φ3mm的人工缺陷（最大埋深的缺陷）進行掃查，同時調整相應的增益使得C掃圖像清晰可辨。然后以該增益作為檢測靈敏度，采用雙邊掃查方式對試塊進行100%掃查。

1.3 檢測結果與分析

圖2為層壓板的人工缺陷C掃查結果。圖像中清楚地顯示出不同埋深的人工缺陷。可見超聲相控陣檢測法具有檢測復合材料特有缺陷的能力。圖像中缺陷近似橢圓形，而人工缺陷設計為規則的圓形。這是由于探頭陣元是長條形，晶片掃查速度與人工掃查速度不一致時容易造成圖像的偏差。采用超聲相控陣檢測法對缺陷進行評定時需注意圖像偏差所引起的誤差。

圖2（a）的人工缺陷位于檢測面方向的第一層與第二層碳布之間，該圖清晰地顯示出不同半徑的人工缺陷，可見該方法具有避免由于存在上表面盲區所引起漏檢的能力，可以滿足復合材料厚度方向一般不存在加工余量的檢測要求。

由于復合材料結構的特性，超聲波耦合后在A掃圖像中界面波與底波之間出現層間的回波，如圖3所示。從圖3（a）可見，當層壓板中不存在缺陷時，A掃圖像中層間回波較低，而底面回波較高。圖3（b）為位于第一層與第二層碳布之間的φ3mm人工缺陷A掃與C掃圖。從圖中可見，當檢測發現人工缺陷時，層間回波波幅增大到80%，底波幅度降低。當層壓板上存在缺陷時，A掃圖像中層間回波波幅增大，而底波波幅降低，此時閘門A采集的信號轉換為相應的C掃圖像。

根據超聲相控陣探傷儀發射的聲波在控制平面上波束的尺寸公式dst＝λ·（其中λ為入射波波長；F為聚焦深度；A為探頭晶片總長度，該探頭晶片A＝38.4mm）［4］，可知該波束尺寸為0.03mm。與常規探頭相比，其具有較好的橫向分辨率。

從圖中可以看出，不同埋深的缺陷中φ3mm的最小缺陷均能被檢測出來，滿足復合材料檢測靈敏度的要求。

2 應用實例

2.1 層壓板分層缺陷檢測

分層是目視表面不可檢的層與層之間的分離。分層可使復合材料層合結構性能，特別是壓縮強度明顯下降［1］。采用超聲相控陣技術對復合材料層壓板區域進行100%的檢測，從C掃查圖發現異常顯示，如圖4（a）所示。對該部件出現異常顯示的區域進行解剖，結果發現該區域存在嚴重的分層，該缺陷深度為0.8mm，如圖4（b）所示。

2.2 層壓板夾雜缺陷檢測

復合材料層壓板在制造過程中由于操作人員疏忽等原因容易產生夾雜缺陷。該缺陷的存在使得層壓板鋪層間分離，力學性能下降，在使用過程中存在嚴重的安全隱患。圖5（a）為采用超聲相控陣技術對復合材料層壓板進行100%檢測的C掃圖。從圖中可以看出，該檢測區域存在大面積的異常顯示。對出現異常顯示的對應區域進行解剖，結果發現該區域離檢測面0.3mm處存在夾雜，如圖5（b）所示。

3 結論

（1）超聲相控陣檢測法具有檢測復合材料特有缺陷的能力。

（2）超聲相控陣檢測法具有避免由于上表面盲區所引起漏檢的能力，可以滿足復合材料厚度方向一般不存在加工余量的檢測要求。

（3）與常規探頭相比，超聲相控陣探頭具有較好的橫向分辨率。

（4）經實際應用表明，超聲相控陣檢測法可用于復合材料層壓板結構的無損檢測。

［1］楊乃賓，章怡寧.復合材料飛機結構設計［M］.北京：航空工業出版社，2002.

［2］《國防科技工業無損檢測人員資格鑒定與認證培訓教材》編審委員會.超聲檢測［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［3］劉松平.復合材料無損檢測與缺陷評估技術［J］.無損檢測，2008，30（10）：673－678.

［4］ 相控陣 輔導［EB／OL］.http：／／www.olypums－ims.com／zh／ndt－tutorials／phased－array.