復合材料蜂窩夾層結構制件的超聲可視化無損檢測

史俊偉，劉松平，程文禮

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

復合材料蜂窩夾層結構由于比強度高、質輕、隔音、隔熱等優良性能特點，在航空航天領域得到了廣泛的應用，如雷達罩、夾芯壁板、夾芯墻、儲油箱、安定面、蜂窩舵面等部位［1－2］。同時，制備工藝、結構特點、設計要求、應用環境等復雜因素均會使復合材料蜂窩夾層結構在制造和服役過程中形成缺陷，需要針對其苛刻的檢測要求研究專門的無損檢測方法和缺陷可視化表征技術，從而實現復合材料蜂窩夾層結構的超聲成像檢測。

目前主機廠及一些航空研究單位針對復合材料蜂窩夾層結構的檢測多采用噴水超聲穿透法，但實際檢測中噴水速度、噴水距離和噴水角度等工藝參數均對檢測結果有較大影響［3］，北京航空材料研究院劉穎韜等人將紅外線檢測技術應用于蜂窩結構復合材料中人工缺陷的檢測試驗，取得了較好的檢測效果［4］。筆者主要針對共固化工藝復合材料蜂窩夾層結構中的脫黏類型缺陷，選取接觸式超聲反射檢測為主要技術方法，采用超聲A－掃、B－掃和C－掃等多信息方法來表征復合材料蜂窩夾層結構及其脫黏缺陷，并用金相結果進行驗證分析。

1 試驗內容

1.1 試驗對象

共固化復合材料蜂窩夾層結構檢測試驗件，如圖1（a）所示。該試樣尺寸為650mm×570mm，上下蒙皮厚度均為0.5 mm，蒙皮材料為T700／LT－03A，各4層。蜂窩夾層結構材料為NRH 芳綸紙蜂窩，蜂窩格邊長為2mm，蜂窩壁厚為0.05mm，采用共固化工藝方式，即蒙皮面板與蜂窩膠接同時固化成型，通過厚度為0.15mm 的膠層與上下蒙皮黏接，如圖1（c）所示。要特別指出的是，由于采用共固化工藝，由外壓水平分力與芯材內壓等因素的作用，蜂窩芯材四邊向其中間部位形成塌陷變形（Core Crush），如圖1（b）所示。

圖1 共固化復合材料蜂窩夾層檢測試驗件結構及尺寸

1.2 檢測特征

根據復合材料蜂窩檢測試樣的結構特征與成型工藝以及檢測要求，分析該復合材料蜂窩夾層結構的特點和檢測難點，具體如表1所示。

表1 復合材料蜂窩夾層結構的特點和檢測難點

2 試驗方法

2.1 超聲A－Scan檢測方法

基于水膜耦合的超聲反射法，結合人工掃查方式對復合材料蜂窩夾層結構進行全覆蓋超聲AScan檢測，記錄典型蜂窩夾層結構的超聲A－Scan典型特征波形。試驗裝置為FCC－D 復合材料超聲檢測儀；換能器為聚焦超聲換能器（5MHz）；耦合條件為水膜耦合。

2.2 超聲C－Scan檢測方法

采用水浸耦合的C－Scan成像檢測方法，設置相應的成像閘門與掃描參數，對復合材料蜂窩夾層結構試樣進行成像檢測，記錄典型結構的成像表征規律和可能存在缺陷類型的成像特征。試驗裝置為CUS－21復合材料超聲成像檢測系統；換能器為聚焦超聲換能器（5 MHz）；耦合條件為水浸耦合。

2.3 超聲B－Scan檢測方法

采用水浸耦合方式，對復合材料蜂窩夾層結構試樣沿厚度方向進行成像檢測，記錄蜂窩夾層結構沿厚度方向的檢測程序結果并進行分析。試驗裝置為CUS－21復合材料超聲成像檢測系統；換能器為聚焦超聲換能器（5 MHz）；耦合條件為水浸耦合。

3 典型的試驗結果與分析

3.1 超聲A－Scan檢測結果與分析

圖2為針對復合材料蜂窩夾層結構試樣的典型超聲A－Scan檢測結果，采用人工掃查方式，針對復合材料蜂窩夾層結構的四處特征區域，如圖2（a）所示。

區域①為換能器位于蜂窩壁正上方，由于沒有反射界面的存在，入射聲波沿蜂窩壁一直向下傳遞，故圖2（b）中只有界波信號“F”而沒有回波信號出現，另外由于蜂窩壁壁寬較窄（0.05mm），隨換能器的掃查移動，該特征波形經過蜂窩壁正上方的時域延續很短暫，該特征波形往往稍縱即逝。區域②為換能器位于蜂窩格正上方，入射聲波經過蒙皮與膠層在膠層與空氣的界面處反射，故圖2（c）中出現高峰值的反射回波信號“B”以及其二次回波信號“B2”。區域③為換能器位于膠層的“膠瘤”區域正上方，由于膠層與空氣形成的反射界面與入射聲波方向角度關系復雜且通常不垂直，入射聲波在該界面形成的反射回波不能回到換能器，故通常沒有反射回波信號出現，另一方面，膠層的聲學特征類似于富脂，而富脂的超聲A－Scan特征波形往往呈現“W”型規律，如圖2（d）中圓圈標示。對比圖2中的（c）、（d）、（e），區域②與區域④由于反射界面的存在，故可以觀察到反射界面（區域②中為膠層與空氣界面，區域③中為復合材料蒙皮與空氣界面）的二次回波信號，而區域③中類似富脂的膠層，由于“膠瘤”現象造成實際工藝下膠層狀態復雜，通常不存在二次回波信號。區域④為復合材料蜂窩夾層結構中可能出現的脫黏類型缺陷，脫黏類型缺陷會使層壓板與蜂窩壁的界面之間出現氣隙，入射聲波會在該界面形成反射回波信號，相比區域②中的回波信號“B”，脫黏缺陷回波信號“D”在時域上與界波“F”的距離SD略小于底面回波信號“B”與界波“F”的距離SB，兩者的距離差為膠層的厚度。

圖2所示的典型區域特征A－Scan波形相對比較明顯，但在實際檢測中，由于復合材料蜂窩夾層結構幅值、網格尺寸較小數量大且存在“膠瘤”現象引起的膠層狀態復雜，對區域②③④的A－Scan波形往往分辨難度較大，通過觀察圖2分析可知，蜂窩網格A－Scan檢測波形特征的判據因素包括：一次回波是否存在、一次回波幅值、二次回波是否存在、回波波形特征、時域位置等。因而在人工手動進行超聲A－Scan檢測時，檢測難度大，缺陷表征、記錄以及傳遞不方便，且容易造成漏檢。

圖2 典型的超聲A－Scan檢測波形

3.2 超聲C－Scan成像檢測結果與分析

首先采用接觸式超聲C－Scan成像檢測技術對復合材料蜂窩夾層結構中的預制人工缺陷進行成像檢測，檢測試樣預埋單層厚度為0.1mm 的聚四氟乙烯薄膜模擬脫黏缺陷，直徑分別為φ3 mm、φ5mm和φ9mm，檢測結果如圖3所示，其預制的人工缺陷及蜂窩格結構清晰可見，這說明所采用的接觸式超聲C－Scan成像檢測技術對復合材料蜂窩夾層結構具有很強的檢測能力。

圖3 預制人工缺陷的超聲成像檢測結果

人工缺陷與實際缺陷存在的差別會造成缺陷識別困難，此時結合A－Scan波形采用不同的成像閘門進行多次成像檢測。圖4為采用水浸耦合超聲C－Scan檢測的典型成像結果，成像閘門設置分別如圖4（a），（b）所示。圖4（c）設置成像閘門對蜂窩與復合材料蒙皮的膠接結構進行C－Scan 成像，圖4（d）設置成像閘門對蜂窩網格結構進行C－Scan成像。圖4（d）中灰度高的區域為蜂窩網格內部，灰度低的區域為蜂窩壁及蜂窩壁旁的“膠瘤”部分。

由3.1節中對于超聲A－Scan波形信號的分析，對蜂窩網格進行C－Scan成像，因為膠層回波與“膠瘤”區域波形出現的時域位置與蜂窩網格一次回波的時域位置相近，在蜂窩網格一次回波的時域位置設置成像閘門容易受到膠層回波與“膠瘤”區域波形的干擾，影響成像質量；另一方面，由于類富脂的膠層區域不會出現二次回波，故設置成像閘門以二次回波的峰值的時域位置進行成像效果較好。

圖4 典型的超聲C－Scan檢測結果

為得到良好的可視化效果，針對超聲C－Scan二維成像檢測結果（局部）進行數值處理形成3D 成像，如圖5所示。由3D 后處理結果可以較清晰的看到蜂窩網格的結構分布，橢圓線所示區域疑似蜂窩脫黏。對疑似蜂窩脫黏區域進行金相取樣在100倍光學金相觀察驗證分析，同時對比良好區域的金相圖像，好區結果如圖6（a）所示，疑似脫黏區域結果如圖6（b）所示。

圖5 蜂窩網格結構超聲C－Scan成像3D 后處理結果

圖6 蜂窩不同區域微觀形貌對比

3.3 超聲B－Scan成像檢測結果與分析

圖7水浸耦合超聲B－Scan檢測的典型成像結果，掃描6次，掃描路徑由圖中虛線所示①～⑥，由超聲B－Scan檢測結果中的灰度分布可以清晰的看到蜂窩網格的成像規律。同時，由于掃描路徑與蜂窩格排列方向存在一定夾角，當換能器位于蜂窩格上方移動，如路徑①的A 段，則成像結果中出現蜂窩格的灰度圖像，當換能器位于蜂窩壁上方移動，如路徑④的B 段，則成像結果中不會出現蜂窩格的灰度圖像。由圖中可見，隨著設定一定的步進量，對復合材料蜂窩夾層結構試樣進行超聲B－Scan進行掃描檢測，可以得到復合材料蜂窩夾層結構試樣沿厚度方向的結構分布特征。

圖8為聲B－Scan成像檢測結果與A－Scan檢測波形的聯合分析，圖中“F”標示出來自蜂窩蒙皮外側的界波所形成的灰度圖像，“B”與“B2”分別標示出來自蜂窩格處的一次反射回波與二次反射回波所形成的灰度圖像。

由超聲B－Scan成像結果進行厚度的計算分析，見公式（1）、（2）：

圖7 復合材料蜂窩網格超聲掃描B－Scan成像檢測結果

圖8 掃描超聲B－Scan成像檢測結果與分析

式中：S為由超聲B－Scan成像檢測結果所計算得到的蒙皮與膠層的距離之和，即“F”與“B”之間的距離；v為聲速，蒙 皮材料為T700／LT－03A，測聲速v＝3 100m／s；t為渡越時間，即入射聲波進入蒙皮，經過蒙皮與膠層至蜂窩格處反射至換能器的時間，由B－Scan檢測圖像，取t＝0.44μs；S′為蒙皮與膠層的理論厚度；S1為蒙皮理論厚度，取S1＝0.50mm；S2為膠層理論厚度，取S2＝0.15mm。

由超聲B－Scan成像結果進行蜂窩網格的計算分析，見公式（3）：

式中：I為由超聲B－Scan成像檢測結果所計算得到的相鄰蜂窩格的間距；L為為減小誤差，測量連續10個相鄰蜂窩格的距離。

I′為相鄰蜂窩格的理論距離，I′為3.46mm。

由上述計算分析可見，由于實際工藝中膠層厚度會存在微小的變化造成實測值出現微小的偏差，采用超聲B－Scan 成像檢測結果所得到的厚度信息S（0.628mm）與實際理論厚度S′（0.65mm）基本一致，同時蜂窩網格間距計算值I＝3.4mm 與實際理論間距I′＝3.46mm 基本一致，超聲B－Scan成像檢測結果具有很高的檢測靈敏度和準確的成像精度，可以定量的得到復合材料蜂窩夾層結構的信息。

4 結語

（1）接觸式超聲反射檢測方法可以檢出復合材料蜂窩夾層結構中的直徑為3、5、9mm 的脫黏類人工預制缺陷。

（2）對于復合材料蜂窩夾層結構的實際缺陷，應用接觸式超聲反射檢測法建立可以相互印證的多維多信息的可視化表征，并通過金相驗證了接觸式超聲反射檢測方法對于實際脫黏缺陷的檢測能力。

（3）該超聲檢測方法在復合材料蜂窩夾層結構的工藝研究、結構制造和產品服役檢測等領域具有廣泛的應用前景。

［1］鄭義珠，顧軼卓，孫志杰，等.Nomex蜂窩夾層結構真空袋固化過程蜂窩變形［J］.復合材料學報，2009，26（4）：29－35.

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［3］王柄方，韓贊東，原可義，等.復合材料噴水超聲檢測工藝［J］.無損檢測，2010，32（8）：616－619.

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［5］原崇新，李敏，顧軼卓.蜂窩夾層結構真空袋共固化工藝過程實質研究［J］.復合材料學報，2008，25（2）：57－62.