CFRP薄壁件超聲波檢測中延遲塊與零件表面狀態影響研究

付玉鵬，張海兵

1.海翔機械廠 河北邯鄲 057150

2.海軍航空大學青島校區 山東青島 266041

1 序言

碳纖維增強復合材料（CFRP）的服役損傷主要有分層、脫沾、沖擊損傷、鋪層開裂、壓坑、鼓包及燒傷等。局部損傷將導致CFRP結構強度大幅下降，而分層損傷是碳纖維復合材料較為常見的損傷之一，CFRP在工作過程中，時常受到壓力作用，由于分層損傷的存在，容易使整體結構在一定的壓力作用下發生分層擴展，從而導致其他形式的缺陷出現，致使其整體結構提前發生失效[1]。檢測CFRP分層和缺陷深度位置至關重要。因此，本文對超聲波檢測過程中對影響分層和缺陷深度判定的延遲塊與零件表面狀態兩個因素進行了分析。

2 CFRP檢測方法

CFRP常用的無損檢測方法有UT、X射線、紅外熱波等。由于復合材料構件多為薄板類結構（本文分析的厚度為5mm），分層缺陷多與零件上下表面平行，而UT的縱波脈沖反射法可以測定缺陷的深度位置。因此，UT方法是復合材料檢測中常用的、相對有效的檢測方法之一[2]。

在CFRP超聲波檢測時，為避免缺陷相位丟失，采用脈沖反射法A型顯示的未檢波信號進行檢測（見圖1）[2]。

圖1 射頻波形（未檢波）

3 檢測方法及探頭的選擇

某CFRP為碳纖維、層壓結構，試件尺寸為200mm×150mm×5mm，單層厚度約為0.125mm，內部預埋6個尺寸相同、深度不同的缺陷（見圖2）。根據試件特點，選擇的檢測設備為GE Phasor XS超聲波檢測儀，設備具有RF功能，測量分辨力為5ns，測量范圍為5～2500mm，聲速為1000～16000m/s，增益為0～110dB，接收器延遲為0～10.24μs（見圖3）。

圖2 CFRP試件

圖3 超聲波檢測儀

檢測過程中不允許存在表面檢測盲區，而超聲波檢測的缺點之一就是存在檢測盲區。為了避免檢測盲區的存在，提高探頭檢測的分辨力，選用水囊探頭或帶延遲塊的直探頭來避免盲區的存在，而采用有機玻璃制作的延遲塊，相比水囊探頭價格便宜、更換方便。因此，選擇帶延遲塊的直探頭進行檢測。

4 參數的確定

對于某CFRP，由于其結構厚度小，因此超聲波衰減因素可不考慮，而是主要考慮檢測靈敏度、分辨力和定位精度。

（1）檢測頻率的選擇 查閱GJB 1038.1A—2004《纖維增強復合材料無損檢測方法 第1部分 超聲波檢驗》，對于薄板（厚度＜10mm）接觸式脈沖反射法聚焦探頭的頻率推薦采用2.5～20MHz，超聲波頻率高時，有波長短、聲束窄等特點，因而發現小缺陷能力強，缺陷定位準確。而頻率越高，衰減越大，因此選擇頻率為5MHz的聚焦探頭[3]。

（2）延遲塊厚度的選擇 采用A掃描時，延遲塊厚度的設計理論上應滿足以下兩方面要求：①使超聲波在延遲塊中的傳輸時間必須大于在被檢材料中的傳輸時間，即應保證延遲塊的第二次底波位于被檢材料的第一次底波之后。②厚度應大于超聲波在延遲塊中的盲區。

例如，某CFRP的厚度為5mm，超聲波的傳播時間為：t＝s/c＝5×10-3/3200μs＝1.56μs。

延遲塊的最小厚度為：T＝2640×1.56×10-3mm＝4.1mm。

綜上所述，選用頻率5MHz、延遲塊直徑7.5mm、厚度9.5mm，對某CFRP進行檢測（見圖4），結果如圖5、圖6所示。

圖4 聚焦探頭及有機玻璃延遲塊

圖5 無缺陷波形

圖6 有缺陷波形

由試驗結果可知，所選擇的參數以及延遲塊檢測靈敏度較高，可用于對某CFRP的檢測（見表1）。

表1 超聲波檢測工藝卡

5 影響檢測分層缺陷和缺陷深度的分析

在使用帶延遲塊的直探頭過程中發現存在延遲塊表面磨損和零件表面未耦合不良情況，下面對這兩個問題進行研究分析。

5.1 延遲塊表面磨損對檢測缺陷的影響

脈沖反射法的優點之一就是可以利用傳播時間與距離的線性關系，通過A掃描時間基線的精確定標或者根據已知聲速，由脈沖波在時間基線上的位置可對缺陷進行精確定位。

由于被檢測零件為圓弧面且表面較為粗糙，因此在檢測過程中會對延遲塊探頭表面造成磨損，磨損情況如圖7所示。

圖7 磨損延遲塊與正常延遲塊對比

從圖7可看出，磨損延遲塊與未磨損延遲塊相比，表面已經與水平面形成了一定的角度，造成這種情況的原因是操作者在工作過程中用力不均勻。

由于所檢測CFRP構件為薄板類結構，分層缺陷多與表面平行，沿平面延伸分布，因此在復合材料檢測中應使延遲塊與被檢測零件表面平行，即主平面與聲速軸線垂直。未磨損延遲塊波形如圖8所示。

圖8 接觸法單探頭直射聲束脈沖反射法（有缺陷）

而當延遲塊磨損后，缺陷波與底波都受到了不同程度的干擾，這是由于延遲塊磨損后，入射聲波在進入被測零件后發生了折射現象，對探頭接收缺陷回波信號有一定影響，容易造成缺陷漏檢和定位不準，其波形如圖9所示。

按照工藝要求，底波應達到滿屏刻度的80%。通過未磨損延遲塊與磨損延遲塊波形對比（見圖10）發現，未磨損的延遲塊需要的增益為34.2dB，磨損的延遲塊底波高度為了達到工藝要求，只能通過加大增益來滿足，磨損的延遲塊需要的增益為46.2dB。

圖10 未磨損延遲塊與磨損延遲塊波形對比

未磨損延遲塊與磨損延遲塊缺陷波形對比如同圖11所示，圖11可看到，當增益增大時顯示的雜波較多，會直接影響到對缺陷以及缺陷位置的判斷。

圖11 未磨損延遲塊與磨損延遲塊缺陷波形對比

5.2 零件表面耦合情況

CFRP超聲波檢測通常采用無氣泡的水作為耦合劑，當零件表面粗糙或有油污時，耦合劑與零件表面之間會存在一層薄薄的氣膜，如圖12所示。

圖12 氣泡及存在氣膜的超聲波透射示意

由于空氣的聲阻抗可以忽略，因此幾乎沒有透射聲能，超聲波因不能進入零件而直接被反射回來，就會出現以下兩種情況：一是不能檢測出缺陷；二是在儀器上底波很小，這樣就不能很好地檢測出內部缺陷。

由于零件表面耦合不良，在相同的增益下，底波減小，如圖13a所示。而當檢測到缺陷時，缺陷波信號減小，如圖13b所示。

圖13 表面有氣膜的波形

6 結束語

綜上所述，CFRP在超聲波檢測過程中，延遲塊與被測零件表面的角度、零件的表面狀態都會對缺陷的檢測結果造成影響，因此提出以下建議。

1）操作者在工作過程中要時刻觀察延遲塊表面的情況，保持延遲塊表面與零件表面平行。

2）操作者在工作過程中不要按一個方向使用探頭，應在使用一段時間后將延遲塊旋轉90°，再繼續使用，使探頭在各個方向上均勻受力。

3）在檢測前用干凈的棉布去除被檢測零件表面的油污，防止出現耦合不良的情況。