玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件超聲波檢測技術(shù)研究

張朝暉 高冠楠 王曉青

摘要：針對高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件超聲波檢測聲衰減速度快、聲波無法穿透等問題，根據(jù)玻璃纖維材料在航空領(lǐng)域中的使用要求及使用中產(chǎn)生的損傷和缺陷類型，設(shè)計制作人工缺陷對比試塊，選擇檢測設(shè)備、探頭，確定檢測方法。實(shí)踐結(jié)果表明，上述檢測系統(tǒng)能有效檢出結(jié)構(gòu)件的分層和脫粘等缺陷，設(shè)備便攜，檢測效率高，費(fèi)用低，可以更好地為航空航天及其他工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維復(fù)合材料；缺陷；超聲波檢測

Keywords：glass fiber composite material；defect；ultrasonic inspection

0 引言

高性能玻璃纖維復(fù)合材料是一種具有強(qiáng)度高、重量輕、容易成型等優(yōu)點(diǎn)的航空航天工業(yè)材料，在航空航天、軍工、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等，其中高強(qiáng)度玻璃纖維性價比較高，因此使用增長率較快，年增長率達(dá)到10%以上。高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料已應(yīng)用在軍用方面，如直升飛機(jī)機(jī)翼、雷達(dá)罩、衛(wèi)通天線罩等。

由于高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料與碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料、金屬材料性質(zhì)有很大差別，采用常規(guī)超聲波檢測時聲衰減速度快、聲波無法穿透，X射線檢測又存在很多弊端，加之飛機(jī)訓(xùn)練強(qiáng)度大、載荷高，容易出現(xiàn)原缺陷擴(kuò)展和產(chǎn)生新的層狀缺陷等，目前使用單位反饋玻璃纖維結(jié)構(gòu)在役使用中已出現(xiàn)局部鼓包甚至局部掉塊、分層和脫粘等現(xiàn)象，這些缺陷對飛機(jī)的性能危害很大。為在役玻璃纖維結(jié)構(gòu)件檢測（包括使用過程中的結(jié)構(gòu)件檢測、損傷修理后的結(jié)構(gòu)件檢測和修理后的跟蹤檢測）選擇合適的檢測方法和檢測系統(tǒng)，是保證飛機(jī)飛行質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

1 玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件檢測技術(shù)

高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)和層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結(jié)構(gòu)件在服役過程中容易產(chǎn)生片狀面積型分層和脫粘等缺陷，層壓結(jié)構(gòu)缺陷如圖1所示，層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結(jié)構(gòu)缺陷如圖2所示。超聲波檢測為首選檢測方法，采用超聲波縱波反射式檢測技術(shù)對高強(qiáng)度玻璃纖維材料結(jié)構(gòu)件進(jìn)行原位檢測。

首先，為了穿透高強(qiáng)度玻璃纖維材料，發(fā)射電路需選用調(diào)諧式電路，其諧振頻率由電路中的電感、電容決定，發(fā)出的超聲脈沖頻帶較窄；另外，要求發(fā)射脈沖頻帶范圍包含探頭自身的頻帶范圍，頻帶越寬，發(fā)射脈沖越窄，可達(dá)到的穿透力和分辨力越好。因此，玻璃纖維材料結(jié)構(gòu)件無損檢測超聲檢測儀采用獨(dú)特的寬帶窄脈沖激勵技術(shù)。

其次，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在役使用中產(chǎn)生的缺陷多種多樣且復(fù)雜，采用射頻信號顯示形式，使探頭輸出的脈沖信號為原始形式，可以通過分析信號相位來判斷識別信號特征，因此，對于玻璃纖維材料層壓結(jié)構(gòu)的超聲檢測，采用寬帶窄脈沖射頻無損檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏度高、分辨率好，適用于室內(nèi)室外玻璃纖維材料的無損檢測。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 超聲波探傷儀

超聲波探傷儀集模擬性能與數(shù)字優(yōu)點(diǎn)于一身，既有數(shù)字設(shè)計的眾多優(yōu)點(diǎn)，又兼具以前只有在模擬CRT顯示中才能獲得的詳細(xì)動態(tài)回波信息。其特點(diǎn)包括：獨(dú)特的信號處理技術(shù)，可以顯示波形強(qiáng)度變化、模擬圖像與性能等A掃描信息；高分辨率彩色液晶顯示；60Hz刷新率和實(shí)時測量技術(shù)，能為檢測提供快捷流暢的顯示；15Hz～6kHz脈沖重復(fù)頻率；實(shí)時TTL和模擬輸出，能處理許多系統(tǒng)應(yīng)用問題，使檢測應(yīng)用范圍更廣闊；智能觀察功能；“sparkle”功能能像模擬儀器一樣顯示波形的強(qiáng)度變化；RF顯示模式；聲程范圍1～27940mm，覆蓋薄壁到大聲程工件。

2.2 超聲波探頭

高強(qiáng)度玻璃纖維材料結(jié)構(gòu)件在服役過程中容易產(chǎn)生片狀面積型分層和脫粘等缺陷，所以采用超聲波縱波直探頭進(jìn)行檢測。由于玻璃纖維罩體尺寸為5～14mm，為了規(guī)避近場區(qū)的影響，檢測時在縱波直探頭前加裝延遲塊，延遲塊長度應(yīng)不小于15mm。為了穿透聲衰減速度快的高強(qiáng)度玻璃纖維材料結(jié)構(gòu)，需采用低頻探頭。

2.3 對比試塊

1）玻璃纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)對比試塊

設(shè)計制作玻璃纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)成型件制盲孔工藝試塊，試塊長250mm、寬200mm，制作時采用材料為F？BG-5-06玻璃纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)成型件制盲孔工藝，試塊制作的示意圖如圖3所示。孔底為平面，每種尺寸規(guī)格的孔底平面距零件上表面有三種不同尺寸。孔底距上表面小于1mm、大于單層玻璃纖維布厚0.21mm，中部和孔深小于1mm、大于單層玻璃纖維布厚0.21mm。缺陷尺寸如圖3所示，分別為φ10mm、φ13mm、φ19mm。

2）玻璃纖維復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)對比試塊

設(shè)計制作玻璃纖維復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)成型件制盲孔工藝試塊，試塊長200mm、寬100mm，制作采用材料為F？BG-5-06玻璃纖維復(fù)合材料層壓板-蜂窩芯-層壓板結(jié)構(gòu)成型件制盲孔工藝，試塊制作的示意圖如圖4所示。孔底為平面，缺陷孔尺寸如圖3所示，分別為φ10mm、φ13mm、φ19mm。

3 檢測及分析

調(diào)節(jié)檢測模式為射頻模式，按驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中不允許存在的最小缺陷調(diào)節(jié)檢測系統(tǒng)靈敏度。

3.1 層壓板檢測

1）將探頭置于與受檢件厚度相同或接近的對比試塊上，調(diào)整檢測參數(shù)，使該缺陷的反射回波或底反射回波幅值在60%～80%，如圖5所示。

2）對層壓板缺陷的評定方法

對于成群的彌散性缺陷（如密集小氣孔、疏松區(qū)等），采用與對比試塊上優(yōu)區(qū)比較的方法來確定，用底波信號幅度降低對缺陷進(jìn)行分析與評定。

對于單個缺陷的評定，可通過對比試塊人工缺陷調(diào)節(jié)層間波信號幅度至規(guī)定值進(jìn)行缺陷的分析與評定。

3）層壓板常見相關(guān)波形

層壓板表層分層缺陷波形如圖6所示，層間粘接反射信號波形如圖7所示。

3.2 層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結(jié)構(gòu)檢測

將探頭置于與被檢件厚度相同或接近的對比試塊上的優(yōu)區(qū)處，調(diào)整檢測參數(shù)使優(yōu)區(qū)蜂窩格芯處膠接連接處反射回波幅值不低于熒光屏正負(fù)一格，蜂窩芯格中心反射信號如圖8所示，同時保證脫粘處反射回波幅值不低于熒光屏正負(fù)兩格，蜂窩芯脫粘反射信號如圖9所示。

對層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結(jié)構(gòu)缺陷的評定方法：對層壓板與蜂窩夾芯間的脫粘缺陷進(jìn)行檢測，采用與對比試塊上優(yōu)區(qū)、缺陷區(qū)比較的方法進(jìn)行膠接連接區(qū)缺陷的分析與評定。

層壓板-蜂窩夾芯-層壓板結(jié)構(gòu)蜂窩蒙皮分層反射信號如圖10所示，表面漆層反射信號如圖11所示。

4 結(jié)束語

玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件超聲波檢測能夠檢測出航空裝備用高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)中的分層和脫粘等缺陷，具體而言能有效檢測出高強(qiáng)度玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中蒙皮-芯間脫粘的Φ10 mm、Φ13 mm、Φ19 mm缺陷以及蒙皮分層的Φ10 mm、Φ13 mm、Φ19 mm缺陷。玻璃纖維材料結(jié)構(gòu)件無損檢測超聲檢測儀采用寬帶窄脈沖激勵技術(shù)，穿透力和分辨力高，檢測靈敏度高，對缺陷和損傷不漏檢、不誤判，檢測效率高、費(fèi)用低，能更好地為航空航天及其他工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]杜善義.先進(jìn)復(fù)合材料與航空航天[J].復(fù)合材料學(xué)報，2007，24（1）：1-12.

作者簡介

張朝暉，工程師，主要研究方向：超聲波檢測和渦流檢測。