基于重叠预埋物的超声纵向精度检测方法

2020-11-28傅天航刘松平李乐刚

工程塑料应用 2020年11期

傅天航，刘松平，李乐刚

(中国航空制造技术研究院复合材料技术中心，北京 101300)

超声检测是一门综合技术，集传感器技术、信号处理技术、模式识别和图像显示等技术于一体，已广泛应用于医疗、交通、航空航天、冶金等领域[1]。在超声检测技术众多应用领域中，超声无损检测技术一直都是研究的热点，是工业生产中保证产品质量与使用性能的重要手段。当今世界各发达国家都越来越重视超声无损检测技术的发展。国外无损检测的文献资料中，有关超声无损检测内容的比例约占45%[2]。

近些年，我国在飞机制造领域有了很大进展，突破性成果是碳纤维增强复合材料在飞机结构上大量应用，这也是衡量飞机先进程度的重要指标。与金属结构相比，碳纤维增强复合材料(CFRC)的强度–质量比更高，可大大降低飞机质量[3–6]。具有不同检测灵敏度的多种无损检测方法可用于CFRC无损检测与评价，如涡流[7]、X 射线[8–9]、超声[10–14]、声发射[15]、红外热成像[16]。对于CFRC，在众多无损检测方法中，超声无损检测方法是最有效和应用最广的检测方法[17–22]。超声无损检测是使用超声换能器产生超声波，超声波将传播并与介质相互作用，会因缺陷、分层或界面分离引起的材料密度变化而被反射，从而实现超声无损检测。

超声无损检测过程中，需要超声检测仪和超声换能器匹配使用，匹配后的检测能力直接影响CFRC 的内部质量和使用安全。因此，国内外针对超声检测仪和超声换能器，发布了相应的标准用于测试检测能力。国内如《JB／T 9214–2010 无损检测A 型脉冲反射式超声检测系统工作性能测试方法》、《JJG 746 超声探伤仪检定规程》、《GB／T 18694–2002 无损检测超声检验探头及其声场的表征》、《GB／T 11345–2013 焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》等。国外如《ASTM E317-16不使用电子测量仪器评估超声脉冲回波检测仪器和系统性能特性的标准操作规程》等。

超声纵向精度是指分辨超声波传播方向上两个缺陷的能力。对于CFRC，内部为层结构，每层厚度约为0.13 mm，常见的分层、孔隙和夹杂等缺陷一般位于层与层之间。因此，对超声检测仪搭配超声换能器使用时的超声纵向精度有很高的要求，需能够分辨两个相邻铺层的缺陷，即超声纵向精度能够达到单层预浸料厚度。上述这些标准均使用专用的电子仪器或金属试块，但CFRC 在材料性质、成型工艺、成品制件状态、几何尺寸加工以及无损检测要求等方面均与金属材料有很大的不同，使用上述标准进行的测试无法代表所使用的超声检测仪和超声换能器在CFRP 中的检测能力。针对此问题，笔者提出了一种专门用于CFRC 超声无损检测仪纵向检测精度的阶梯式嵌入物的CFRC 试块，并基于此CFRC 试块，测了不同超声检测仪搭配不同超声换能器情况下的超声纵向精度和超声脉冲周期数。

1 声学检测原理

1.1 声学原理

超声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播，在超声波传播路径上的质点，会在超声波到达时在平衡位置附近振动。超声波在固体中进行传播时，会由于介质的粘滞性造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变为热能，造成声波的衰减；同时，超声波在固体中传播也满足反射和透射原理。超声无损检测主要是基于超声波在液体或固体中传播时发生的反射和透射特性，通过测量介质中某一点的声压实现缺陷的检测。

如图1 所示，超声波在入射到两介质界面时，会产生反射和透射。

图1 超声波的入射、反射和折射

当入射角为θi时，入射声压沿x 方向的分量Pi为：

式(1)、(2)、(3)中，ω 为声源简谐振动的圆频率；C1为介质1 中的声速，C2为介质2 中的声速。

由此可知两介质分界面上反射声压和入射声压的之比rp为：

两介质分界面上透射声压和入射声压之比tp为：

由式(4)、(5)可知，反射声压和透射声压仅与声波的入射角度、透射角度以及介质1 的密度、介质2密度、介质1 中的声速、介质2 中的声速有关。

1.2 CFRC 声学特性分析

CFRC 为层结构，缺陷延伸方向基本与表面平行。因此，在进行超声无损检测时，通常要求入射波垂直于CFRC 表面，即== 0。则式(4)、(5)可简化为：

由此可知，反射声压强度和透射声压强度仅与两种介质的密度和声速有关。

CFRC 中常见的缺陷为分层，其密度与空气接近，即ρ2≈340 m／s，c2≈1.29 kg／m³。CFRC 密度ρ1≈1.60 kg／m³，声速c1≈3 000 m／s，则超声波传播到CFRP 与缺陷的界面时：

这表示入射声波会反射大约83%。式(8)中的负号表示缺陷反射回波信号的相位与入射声波相位相反。

因此，可在CFRC 内预埋密度和声速与CFRC差异很大的异物，用于模拟CFRC 中分层缺陷，从而对超声检测仪及超声换能器的检测性能进行评估。

2 超声纵向精度检测方法

针对CFRC 的特点，设计了一种内嵌重叠预埋物的检测试块，用于超声纵向精度的检测，如图2 所示。试块长L=100 mm，宽W=80 mm，厚度H=5 mm。

图2 检测试块设计图

试块中预埋了2 个部分重叠的圆形预埋物I1和I2，直径D=10 mm，预埋物I1和I2在垂直于铺层方向间隔层数n=1，预埋物I1和I2在平行于铺层方向间隔Δd=D／2=5 mm。预埋物I1距试块表面的距离。

根据上述CFRC 声学检测原理，移动超声换能器至任意预埋物I1上方，使预埋物I1的反射回波信号R1幅值达到最大；调节超声检测仪增益，使预埋物I1的反射回波信号R1幅值达到满屏刻度的80%；向I2方向缓慢移动超声换能器，使预埋物I1和I2反射回波信号R1和R2幅值相近且达到最高，如图3 所示。图3 中，N 为试块表面回波信号，F 为底面回波信号。

图3 超声纵向精度检测方法

当预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置与预埋物I2反射回波信号R2分离，视为能够区分预埋物I1和I2。此时，若hl为CFRC 单层厚度，则超声纵向精度AL为：

当预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置没有与预埋物I2反射回波信号R2分离，视为无法区分预埋物I1和I2，则超声检测仪及匹配使用的超声换能器的超声纵向精度无法达到一层预浸料厚度，不建议进行CFRC 的超声无损检测。

3 超声纵向精度检测条件

3.1 超声检测仪

使用的超声检测仪为中航复合材料有限责任公司生产的FCC–B–1 超声检测仪(如图4 所示)和FCC–D–1 超声检测仪(如图5 所示)，以及英国声纳公司生产的700M 超声检测仪(如图6 所示)。其中，FCC–B–1 为模拟式超声检测仪，FCC–D–1 和700M 为数字式超声检测。

图4 FCC–B–1 超声检测仪

图5 FCC–D–1 超声检测仪

图6 M 超声检测仪

3.2 超声换能器

超声换能器为中航复合材料有限责任公司生产的FJ–1 超声换能器和FJ–1W 超声换能器以及美国通用电气公司生产的ALPHA 超声换能器，见图7。其中，FJ–1 和ALPHA 频率为5MHz，FJ–1W 频率为2.25MHz。

图7 超声换能器

3.3 检测试块

根据前述内容制备了检测试块，如图8 所示。材料为碳纤维复合材料，单层厚度hl=0.13 mm。

图8 检测试块

4 超声纵向精度检测与数据分析

4.1 超声纵向精度检测

(1) FCC–B–1 搭配FJ–1 检测结果。

使用FCC–B–1 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器的典型超声A–显示信号如图9 所示。图9 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图9 可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2分离，根据式(9)可得FCC–B–1 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器时的超声纵向精度为：

图9 FCC–B–1／FJ–1 典型超声A–显示信号

(2) FCC–B–1 搭配ALPHA 检测结果。

使用FCC–B–1 超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器的典型超声A–显示信号如图10 所示。图10 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图10 中可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2没有分离，则FCC–B–1 超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器的超声纵向精度没有达到一层预浸料厚度。

图10 FCC–B–1／ALPHA 典型超声A–显示信号

(3) FCC–B–1 搭配FJ–1W 检测结果。

使用FCC–B–1 超声检测仪搭配FJ–1W 超声换能器的典型超声A–显示信号如图11 所示。

图11 FCC–B–1／FJ–1W 典型超声A–显示信号

从图11 可以看到，预埋物I1 反射回波信号R1已经与预埋物I2反射回波信号R2基本重合，无法区分R1和R2，则FCC–B–1 超声检测仪搭配FJ–1W超声换能器的超声纵向精度没有达到一层预浸料厚度。

(4) FCC–D–1 搭配FJ–1 检测结果。

使用FCC–D–1 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器的典型超声A–显示信号如图12 所示。

图12 FCC–D–1／FJ–1 典型超声A–显示信号

图12 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图12 可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2分离，根据式(9)可得FCC–D–1 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器时的超声纵向精度为：

(5) FCC–D–1 搭配ALPHA 检测结果。

使用FCC–D–1 超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器的典型超声A–显示信号如图13 所示。图13 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图13 中可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2分离，根据式(9)可得FCC–D–1 超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器时的超声纵向精度为：

图13 FCC–D–1／FJ–1 典型超声A–显示信号

(6) FCC–D–1 搭配FJ–1W 检测结果。

使用FCC–D–1 超声检测仪搭配FJ–1W 超声换能器的典型超声A–显示信号如图14 所示。

图14 FCC–D–1／FJ–1W 典型超声A–显示信号

从图14 可看到，预埋物I1反射回波信号R1已经与预埋物I2反射回波信号R2基本重合，无法区分R1和R2，FCC–D–1 超声检测仪搭配FJ–1W 超声换能器的超声纵向精度没有达到一层预浸料厚度。

(7) 700M 搭配FJ–1 检测结果。

使用700M 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器的典型超声A–显示信号如图15 所示。

图15 M／FJ–1 典型超声A–显示信号

图15 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图15 可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2分离，根据式(9)可得700M 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器时的超声纵向精度为：

(8) 700M 搭配ALPHA 检测结果。

使用700M 超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器的典型超声A–显示信号如图16 所示。图16 中，R1为预埋物I1的反射回波信号，R2为预埋物I2的反射回波信号。从图16 中可以看到，预埋物I1反射回波信号R1在满屏刻度20%位置明显与预埋物I2反射回波信号R2分离，根据式(9)可得FCC–D–1超声检测仪搭配ALPHA 超声换能器时的超声纵向精度为：

图16 M／ALPHA 典型超声A–显示信号

(9) 700M 搭配FJ–1W 检测结果。

使用700M 超声检测仪搭配FJ–1W 超声换能器的典型超声A–显示信号如图17 所示。从图17可以看到，预埋物I1反射回波信号R1已经与预埋物I2反射回波信号R2基本重合，无法区分R1和R2，则700M 超声检测仪搭配FJ–1W 超声换能器的超声纵向精度没有达到一层预浸料厚度。

图17 M／FJ–1W 典型超声A–显示信号

4.2 数据分析

表1 是对不同超声检测仪搭配不同超声换能器进行超声纵向精度检测结果的对比。从表1 可以看出，FJ–1 超声换能器具有0.13 mm 的超声纵向检测精度，并且搭配3 种型号的超声检测仪均能够达到0.13 mm 的超声纵向检测精度。FJ–1W 超声换能器搭配3 种超声检测仪的超声纵向检测精度均大于0.13 mm，无法有效区分相邻两层的缺陷。

表1 超声纵向精度检测结果对比 mm

观察图9～图17 可以发现，超声脉冲宽度也会影响超声纵向检测精度。超声脉冲宽度需要通过专门的电子仪器进行测量，但超声脉冲宽度最直观的表现形式是超声脉冲周期数。图18 为通过分析图9～图11 得到的FCC–B–1 超声检测仪搭配不同超声换能器的超声脉冲周期数。

图18 FCC–B–1 超声脉冲周期数

图19 为通过分析图12～图14 得到的FCC–D–1 超声检测仪搭配不同超声换能器的超声脉冲周期数。

图19 FCC–D–1 超声脉冲周期数

图20 为通过分析图15～图17 得到的700M超声检测仪搭配不同超声换能器的超声脉冲周期数。

图20 700M 超声脉冲周期数

通过图18～图20 中的数据可知，FCC–B–1 和FCC–D–1 超声检测仪搭配FJ–1 超声换能器具有很好的超声脉冲周期数，能够达到1 个周期，因此在延超声波传播方向具有很好的检测能力。FJ–1W 超声换能器搭配3 种超声检测仪的超声脉冲周期数均在2 周以上，因此在延超声波传播方向的检测能力较弱。这和超声纵向检测精度的试验结果一致。