超聲相控陣技術檢測蜂窩復合材料案例

白小寶，孫建罡，周建平，周 莉，江運喜

（1.矩陣科技有限公司，北京 100102；2.上海衛星裝備研究所，上海 200240；3.上海航天精密機械研究所，上海 201600）

20世紀60年代由于高新技術的發展，對材料性能的要求日益提高，單質材料很難滿足工程應用對材料性能的綜合要求和高指標要求。復合材料以其可設計性的特點受到各發達國家的重視，因而發展很快，成為航空航天業的首要關鍵材料［1］。其中，蜂窩夾層材料具有顯著的優勢，其比模量和比強度高，抗疲勞性、減震性、破損安全性和成型工藝性好，是飛機反推力門中的重要部件。對于蜂窩夾層復合材料的無損檢測方法，主要包括射線檢測和超聲檢測方法。其中，射線方法主要用于檢測蜂窩芯本身的缺陷，如芯格開裂、芯格拼接縫膠接缺陷、夾雜物、芯格塌陷等。而超聲方法與射線方法具有互補作用，主要是用于檢測蜂窩芯與蒙皮界面的分層、脫粘等對射線不敏感的缺陷［2－3］。

1 蜂窩夾層復合材料及其檢測方法

蜂窩夾層復合材料一般是由上、下蒙皮中間夾一層比較厚的蜂窩芯構成的。蜂窩芯的網格形式有正六邊形、正方形、菱形等，材料可以是紙、玻璃布、鋁合金、芳綸紙（NOMEX紙）等；蒙皮可采用膠合板、纖維板、鋁合金板、玻璃鋼板等。目前，比較常用的蜂窩芯是紙蜂窩和鋁蜂窩，而蒙皮使用最多的是碳纖維和鋁合金。蜂窩夾層架構有類似工字梁的力學性能，其最大的特點就是比模量和比強度高，隔音、隔熱性能突出，抗疲勞性、減震性、破損安全性和成型工藝性好，與其它夾層材料相比，強度相同時重量要輕得多［4］。

蜂窩夾層復合材料工件在制造過程中可能會產生各種各樣的缺陷，如節點分離、芯格斷裂、芯格壓塌等蜂窩芯內部缺陷主要用射線方法進行檢測，而對于影響整體質量的分層、脫粘等重要缺陷則主要用超聲方法進行檢測［2］。

超聲波檢測法廣泛用于材料探傷，也是最早用于復合材料無損評價的方法之一。它主要利用復合材料本身或其缺陷的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料內部和表面的缺陷，如氣泡、分層、裂紋、脫粘、貧膠等。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強、檢驗速度快、成本低和對人體無害等優點。對于蜂窩夾層復合材料的檢測，常用的是脈沖回波法和穿透法［3］。

由于分層和脫粘缺陷都是平行于蒙皮表面的，所以常使用0°縱波進行檢測，常規方法有手工A超法和超聲C掃描法。手工A超法可以逐點覆蓋檢測結構件的所有檢測面，設備簡單，易于操作；但是由于蒙皮厚度較薄，一般在0.3～2mm之間，所以會使得蒙皮的上表面波、下表面波和缺陷波混疊在一起，單純靠波形變化來判斷非常困難，檢測可靠性低，對操作者的要求非常高；而且因為是手動逐點掃描，所以檢測效率也較低。超聲C掃描法由于顯示直觀，已成為飛行器零件等大型復合材料構件普遍采用的檢測技術，但是大型超聲C掃描系統需要噴水耦合，而且仍然是逐點掃描，檢測效率雖比手工A超法有所提高，但是仍舊較慢，難以滿足實際需求［5］。

相控陣技術是將一塊常規晶片切割成許多的小晶片，然后通過對單個晶片施以不同的激發及接收延遲來使各晶片產生的小波發生干涉，從而在檢測工件中的理想位置實現聚焦或波束偏轉的技術。對于蜂窩復合材料的檢測，只需要做0°電子線性掃查即可。其相當于同時激發了多個常規探頭，使得檢測效率大大提高，另外，通過掃查得到的C掃描視圖可以很容易地判定出缺陷，能夠很好地滿足實際應用需求。

2 相控陣檢測應用案例

對于蜂窩夾層復合材料，可使用相控陣技術中的線性電子掃查。即將探頭中的晶片等間距地設定多個激發組，每組激發的晶片數量相同。同時通過施加延遲，使得各組晶片依次激發。由于各組激發間距極短，可以看成是同時激發，相當于同時激發多個常規探頭，使得檢測效率大大提高。

以下采用法國M2M公司的Multi2000 32×128設備，用0°線性電子掃查技術檢測蜂窩夾層工件。

2.1 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件

工件蒙皮厚1mm，工件如圖1所示。在工件內放置了3個大小不等的人工缺陷來模擬蜂窩芯與蒙皮之間的脫粘，缺陷直徑分別為25，15和10mm。

圖1 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件圖

采用超聲相控陣方法的檢測結果如圖2所示。從圖中可以看出，3個大小不等的人工缺陷可以很容易地被分辨出來。

圖2 碳纖維蒙皮鋁蜂窩工件檢測結果

2.2 帶涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件

工件蒙皮厚約2mm，蒙皮表面帶有涂層，工件截面如圖3所示。在工件內放置了2排共8個大小不等的人工缺陷來模擬蜂窩芯與蒙皮之間的脫粘，最小缺陷直徑為6mm，最大缺陷直徑為20mm。由于有涂層的存在，加大了檢測難度，但通過調整參數，依然可以檢出缺陷，檢測過程及結果如圖4和5所示。可見，8個大小不等的人工缺陷可以很容易地被分辨出來。

圖3 帶有涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件截面圖

圖4 帶涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件現場檢測圖

圖5 帶有涂層的碳纖維蒙皮紙蜂窩工件檢測結果

2.3 無涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件

工件蒙皮厚約2mm，工件與2.2節所述類似，沒有涂層。工件中未添加人工缺陷，而是從背面分別用不同程度的撞擊來制造脫粘缺陷。不同沖擊程度的相探陣檢測結果如圖6所示。

圖6 不同程度沖擊對無涂層碳纖維蒙皮紙蜂窩工件造成的脫粘缺陷檢測結果

從圖6可以看出，對于不同程度的沖擊對工件造成的損傷，超聲相控陣檢測技術可以很清晰地反映出來。

3 結語

通過對不同蜂窩夾層工件的檢測結果可以看出，使用相控陣探頭電子掃查技術不僅可以提高檢測效率，而且通過C掃視圖，可以方便地發現和判定缺陷，降低了對檢測人員的要求，提高了缺陷檢出率，在復合材料檢測方面有很好的應用前景。

［1］ 吳人潔.復合材料［M］.天津：天津大學出版社，2000.

［2］ 張永民.復合材料蜂窩夾層結構射線檢測中常見的缺陷分析［C］.西安：陜西省第十三屆無損檢測年會，2012.

［3］ 徐麗，張幸紅，韓杰才.航空航天復合材料無損檢測研究現狀［J］.材料導報，2005，19（8）：79－82.

［4］ 范秋習.蜂窩夾層復合材料［J］.北京輕工業學院學報，1998，16（2）：77－81.

［5］ 周正干，高翌飛.金屬基復合材料超聲無損檢測及評價技術的發展［J］.航空制造技術，2009（4）：101－104.