相控陣超聲檢測技術在碳纖維結構分層缺陷檢測中的試驗

張海兵, 杜百強

(1.海軍航空大學青島校區 航空機械工程與指揮系，青島 266041; 2.海軍裝備部，北京 100071)

碳纖維復合材料是目前應用最為廣泛的先進復合材料之一，其中層壓結構具有較高的比強度、比模量，綜合性能良好，從而廣泛應用在高性能飛機的關鍵結構中。碳纖維層壓板是由兩層或多層浸有樹脂的碳纖維復合材料經由疊合、熱壓后合成的整體復合材料。通過調整層壓結構鋪層的取向和層數，可以滿足設計上對材料強度和剛度上的要求，得到性能優良的結構材料，其擁有媲美金屬鋼材的強度，又由于多聚合物結構致密，吸水性和透氣性小，故具有較強的抗腐蝕能力[1]。

碳纖維層壓結構復合材料在生產過程與實際使用過程中會出現缺陷。特別是在使用過程中,由于結構所處環境因素與所承受應力載荷的影響，易產生分層缺陷，從而影響飛行安全。如某型飛機的無損檢測手冊中明確提出碳纖維層壓結構單塊分層面積不得大于150 mm2。

因此，對使用過程中的碳纖維層壓結構復合材料進行無損檢測，具有重要意義；對已經出現或者可能產生的缺陷進行檢測，從而及時地進行修理或者換件，能夠有效地保障碳纖維結構質量和性能要求，維護裝備的使用安全。

1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測技術是常規超聲檢測技術的延伸，采用多個相互獨立陣元晶片制成的陣列換能器，通過設置各陣元晶片的激勵與接收超聲波的延遲時間，改變超聲波到達某點或某區域的相位關系，實現超聲合成波束聚焦點和聲束方位的變化，即聲束的聚焦深度和偏轉角度，便于對復雜結構的內部損傷進行檢測[2]。

2 CIVA仿真檢測

2.1 碳纖維層壓材料的模型建立

根據碳纖維層的實際厚度，在模型中設置碳纖維層的厚度為125 μm(設置為40層)，總厚度為5 mm，長度為50 mm，寬度為50 mm，碳纖維材料密度為1 670 kg·m-3。在層壓結構模型底部分別設置尺寸(長×寬)為30 mm×4 mm的長方形平底槽，直徑為4 mm的圓形平底孔，檢測深度隨檢測要求進行調節，模型結構如圖1所示。

2.2 碳纖維層壓模型的聲場仿真

使用聲場仿真模塊進行相控陣聲場計算，按照以下參數進行設置(見圖2)，晶片為4×4平面陣列，聲波入射形式為縱波入射，縱波聲速為3 000 m·s-1，入射角度為-20°20°，角度步進為1，步數為40；設置掃查起點，并調節合適的步進與步數以保證掃查區域完全覆蓋缺陷面積；設置合適的計算空間，保證缺陷在計算空間內。考慮聲波衰減影響，并分別使用1，3，5，7 MHz的激勵頻率進行仿真。

圖1 碳纖維層壓結構缺陷模型

圖2 檢測參數設置

圖3 深度為2 mm的φ4 mm圓形缺陷在探頭不同發射頻率下的檢測圖像

2.3 碳纖維層壓模型的仿真結果分析

以深度為2 mm的φ4 mm圓形缺陷為例，分析其檢測結果，研究探頭發射頻率對檢測精度的影響。各頻率下的檢測圖像如圖3所示(各A掃圖中的數字為超聲波傳播的時間,μs；S掃圖中上面的數字表示缺陷圖像中心在水平方向的坐標，mm;下面的數字為測量得到的缺陷深度,mm)。

超聲波頻率是影響超聲波檢測能力的重要因素，很大程度上決定了超聲波的檢測能力。超聲波頻率高時，能量集中，產生的波長短、聲束窄、分辨力較好，更容易檢測出小尺寸的缺陷[3],但是高頻率具有掃查范圍小的不足，僅能夠發現聲束軸線附近的缺陷。當超聲波的頻率較低時，能量不集中，產生的波長較長，聲束較寬、擴散角大，導致分辨力較弱，不能夠很好地識別小缺陷，但是其優點在于掃查空間較大，而且在材料中傳播的衰減小，具有比較強的穿透能力。因此，對探頭頻率上限的選擇主要取決于衰減和回波信號的大小；而對下限的選擇則應考慮檢測靈敏度、脈沖寬度和分辨率等因素。

根據仿真結果可以清楚地發現，檢測頻率越高，檢測誤差越小、檢測精度越高、檢測效果越好，不同頻率下的檢測參數與實際參數如表1所示。其中檢測頻率達到7 MHz時，檢測結果與實際缺陷參數基本相符。因此選定7 MHz的探頭檢測頻率作為碳纖維復合材料的最佳檢測頻率。

表1 不同頻率下的檢測參數與實際參數

根據超聲波傳播原理，高頻(1 MHz10 MHz)超聲波脈沖在傳播過程中，其頻率越高,在介質中的衰減越明顯。因此，當缺陷深度增加時，超聲波脈沖在介質中的衰減也將增大，脈沖能量減弱，進而對檢測精度產生影響。因此，若缺陷深度超過一定限度，導致檢測誤差過大時，應當考慮更換較低的檢測頻率，以減小衰減對檢測精度的影響[4]。

3 試件設計制作

依據GJB 1038.1A-2004 《纖維增強復合材料無損檢測方法 第1部分 超聲波檢測》設計試件中缺陷的尺寸和位置。試件中設計了多種尺寸的長方形平底槽和圓形平底孔模擬分層缺陷。長方形平底槽結構示意如圖4所示，圓形平底孔結構示意如圖5所示。

圖4 長方形平底槽結構示意

圖5 圓形平底孔結構示意

分層缺陷可采用在鋪層之間添加厚度為20 μm的聚四氯乙烯薄膜來制作；當制作溫度、壓力等原因造成單層聚四氯乙烯薄膜難以檢測時，應采用兩層同樣厚度、大小，且圓周閉合、中間帶有空氣隙的聚四氯乙烯來制作。

參考標準，缺陷的深度分別為被測試件厚度的1/4、1/2和3/4，試件厚度為4 mm，即平底孔深度設計為1，2，3 mm，然后按圖紙尺寸對試件進行缺陷加工。

4 相控陣超聲檢測試驗

4.1 試驗過程

試驗儀器采用OmniScan MX便攜式相控陣超聲檢測儀，探頭選用檢測頻率為7 MHz的相控陣硬面直接接觸式直探頭。

首先對被檢材料進行定義，選擇被檢材料的幾何尺寸，其類型選擇為平板，定義厚度為5 mm，材料種類設置為碳纖維。選擇手動相控陣檢測方式，并選用A掃描與S掃描方式的匯總圖進行顯示。調整探頭匹配頻率參數，依據CIVA仿真中的參數信息，設置相控陣聲束在被測試件中的聲速等參數。探頭置于空氣中的顯示圖像如圖6所示；將探頭處涂抹適量耦合劑，后使用檢測探頭對被檢試件表面進行掃查，試件完好處的檢測圖像如圖7所示。

不同深度的φ4 mm缺陷的檢測圖像如圖8所示。

不同深度的30 mm×4 mm缺陷檢測圖像如圖9所示。

圖6 全頻段空氣接收顯示圖像

圖7 正常區域的檢測圖像

圖8 不同深度的φ4 mm缺陷檢測圖像

圖9 不同深度的30 mm×4 mm缺陷檢測圖像

4.2 檢測結果分析

通過對檢測結果中的A掃顯示波形進行分析可以發現，利用相控陣探頭檢測的波形雜波較多，對缺陷的判定識別有一定影響。

這是因為在檢測前的參數設置中，將接收頻率設置為了接收全頻率波段(0.5 MHz～19.0 MHz)，使得在接收超聲回波的過程中，也接收了大量雜波，影響了缺陷信號的接收與識別。如果選擇單一頻率進行濾波接收，雜波會明顯減少，檢測響應波形更加清晰可辨，后期應考慮對檢測信號進行濾波處理。

對S掃顯示圖像進行分析，接收頻率設置為接收所有頻率時，對于位置較深的缺陷，可以較為清晰地觀測到缺陷響應圖像；但當檢測近表面缺陷時，接收各頻率(高頻與低頻)信號幅值會覆蓋到缺陷響應圖像[5]。對參數進行調整，選擇單一頻率(這里選擇與探頭頻率一致的7 MHz作為接收器頻率)，若適當降低增益、提高抑制，可以發現檢測圖像雜波明顯減少，能夠較為清晰地識別出缺陷響應。可以推斷，在同一深度下，不同面積的分層檢測圖像也有很大區別，面積大時，A掃描中觀察到的反射回波幅值更高，S掃描中缺陷處會有更明顯的紅色。因此，相控陣超聲檢測也可以進行分層面積的判斷。

5 結語

對碳纖維層壓結構進行CIVA仿真檢測，并制作試件進行檢測試驗，結果表明，相控陣超聲檢測技術對于碳纖維層壓結構的檢測具有可視化好，可進行定量檢測的優點，能有效應用于碳纖維層壓結構分層缺陷的檢測中，可準確定位分層的位置，也可進行分層面積的大致測量，適合外場條件下的原位檢測。