變厚度碳纖維／環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料層壓板的多電子閘門C掃成像

張 婷，劉 奎，周 輝，于 光

（上海飛機(jī)制造有限公司航空制造技術(shù)研究所，上海 200436）

近年來(lái)，隨著輕量化進(jìn)程的加快，飛機(jī)選材發(fā)生了巨大變化。最重要的趨勢(shì)是總體用材上，傳統(tǒng)的金屬正在被樹(shù)脂基復(fù)合材料所替代［1］。復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量不斷上升，并已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)用主要材料，大量應(yīng)用復(fù)合材料更是成為衡量新一代民機(jī)技術(shù)水平先進(jìn)性的重要標(biāo)志［2－3］。以空客公司為例，復(fù)合材料用量從A300 的5%發(fā)展到A350 的53%，大大減少了飛機(jī)的質(zhì)量，降低了飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本，而且在一定程度上減少了維護(hù)費(fèi)用，符合低成本制造的發(fā)展趨勢(shì)，并提高了飛機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［4］。

但是，對(duì)于復(fù)合材料而言，由于纖維的表面狀態(tài)、樹(shù)脂粘度、低分子物含量、線性高聚物向體型高聚物轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)速度、樹(shù)脂與纖維的浸漬性、組分材料熱膨脹系數(shù)的差異以及工藝參數(shù)控制等的影響，導(dǎo)致不管用任何工藝方法制造，在制造過(guò)程中都難免會(huì)存在孔隙、分層等缺陷和損傷，從而影響制品的各項(xiàng)性能［5－6］。但是對(duì)于航空復(fù)合材料制件而言，制件的缺陷控制非常嚴(yán)格，因此為了保證制件的質(zhì)量，需要采用一種不造成制件破壞、不改變制件性能的檢測(cè)方法對(duì)制件進(jìn)行檢測(cè)，以確保制件性能的可靠性和安全性［7－10］。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可在不破壞復(fù)合材料的情況下有效地檢測(cè)出復(fù)合材料中的各種缺陷和損傷，因此被廣泛地應(yīng)用于工程中［11－13］。而超聲檢測(cè)是航空復(fù)合材料制件無(wú)損檢測(cè)最常用的手段之一，它基本可以解決零件制造階段90%以上的檢測(cè)問(wèn)題［14－17］。在各大主機(jī)廠中，復(fù)合材料制造車間里面的超聲檢測(cè)設(shè)備多為噴水型C 掃描。這些大型設(shè)備檢測(cè)大尺寸零件是非常方便的，但是對(duì)一些小尺寸零件往往不方便在大型設(shè)備上檢測(cè)，一來(lái)工裝夾具不好做，另外一方面大型設(shè)備的使用效率也低。這些小尺寸零件通常采用小型的水浸超聲C 掃裝置進(jìn)行檢測(cè)，水浸超聲檢測(cè)裝置大多數(shù)比較簡(jiǎn)單，只有X、Y、Z三個(gè)軸，且只能實(shí)現(xiàn)脈沖回波法檢測(cè)，因此往往只能檢測(cè)簡(jiǎn)單的等厚度層壓板制件。而實(shí)際的層壓板生產(chǎn)中，會(huì)存在大量的變厚度層壓板制件，普通的脈沖式水浸超聲C掃裝置無(wú)法對(duì)這類零件檢測(cè)。為此，筆者采用一種多電子閘門成像技術(shù)解決變厚度層壓板超聲脈沖回波C掃檢測(cè)的問(wèn)題。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試件所用材料為T300 級(jí)碳纖維／環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料，外形尺寸為300mm×200mm，厚度變化為1.5～3 mm，鋪層順序自上而下保持準(zhǔn)各向同性。試件共16層預(yù)浸料，其中最厚處（A 區(qū)）有16層預(yù)浸料，最薄處（C區(qū)）有8層，所有預(yù)浸料的寬度均裁剪為200mm。為了使試件的厚度均勻變化平緩過(guò)度，預(yù)浸料長(zhǎng)度方向的尺寸按照每10mm 依次遞增，并且每隔兩層鋪放一層全尺寸（300 mm×200mm）料片。人工缺陷采用直徑分別為3，6，9mm，厚0.127 mm 的聚四氟乙烯薄膜，人工缺陷在試件中的分布如圖1所示，整個(gè)試件在三個(gè)厚度分區(qū)共預(yù)置了18個(gè)人工缺陷。鋪貼過(guò)程中，每隔四層抽真空預(yù)壓實(shí)一次，以便排出層間的空氣。

圖1 變厚度試件中人工缺陷的分布示意

試件采用熱壓罐成型工藝固化，起始抽真空，當(dāng)熱壓罐內(nèi)壓力達(dá)到0.14 MPa時(shí)卸真空。當(dāng)壓力達(dá)到0.6 MPa時(shí)，開(kāi)始升溫，升溫速率為1.5 ℃／min，當(dāng)溫度達(dá)到180℃后保溫2h，然后降溫至60℃，降溫速率為1.5 ℃／min。

試件的超聲檢測(cè)采用Panametric 5058PR 作為超聲波探頭激勵(lì)及接收裝置，通過(guò)超聲C 掃描控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)C 掃描及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。所采用的檢測(cè)技術(shù)為水浸超聲脈沖反射法，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)將試件的平面作為超聲波的入射面。所用探頭為水浸聚焦探頭，頻率為10MHz，探頭激勵(lì)電壓為400V，阻尼電阻為100Ω，放大器增益為0dB。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

變厚度試件雖然厚度不均勻，但由于B 區(qū)的厚度變化比較平緩，上下表面不平行，下表面反射回波的角度不大。另外，由于在超聲檢測(cè)時(shí)使用了聚焦探頭，聲束的焦點(diǎn)很?。ㄖ睆郊s1mm），在變厚度區(qū)如此小的范圍內(nèi)可近似視為平面。綜合上述兩方面原因，使用脈沖反射法進(jìn)行變厚度區(qū)檢測(cè)時(shí)，探頭仍然可以接收到底面回波。

雖然在變厚度區(qū)可以接收到底面反射回波信號(hào)，但常規(guī)的水浸式脈沖回波法采用底波高度成像仍然有一定的局限性。對(duì)于等厚度的層壓板，底面反射回波在超聲波A 型顯示波形的時(shí)間軸上處于固定的位置，在這種情況下使用一個(gè)寬度較窄的閘門可以對(duì)底波進(jìn)行數(shù)據(jù)采集形成C 掃描圖像。而對(duì)于變厚度的層壓板，其底面反射回波隨著厚度的變化在時(shí)間軸上處于變化的位置，因此無(wú)法用一個(gè)閘門來(lái)選取底波信號(hào)成像，如果閘門設(shè)置范圍過(guò)寬會(huì)使缺陷回波的信號(hào)進(jìn)入閘門內(nèi)，從而無(wú)法形成有效的C掃描圖像。

針對(duì)常規(guī)水浸脈沖超聲C 掃成像的局限性，采用了一種多電子閘門數(shù)據(jù)采集成像的技術(shù)，在試件最厚的位置（即A 區(qū)），在表面回波與底面回波之間設(shè)置多個(gè)首尾相連的閘門，采集每個(gè)閘門內(nèi)的信號(hào)單獨(dú)成像，這樣所有閘門信號(hào)所成圖像組合在一起就包含了整個(gè)變厚度試件內(nèi)部的缺陷信息。具體做法為：試件A 區(qū)的超聲A 型顯示波形，如圖2所示，在上表面回波與底面回波之間共設(shè)置了5個(gè)閘門，即gate1～gate5，這5個(gè)閘門首尾相連，覆蓋了整個(gè)試件厚度上的聲程，分別采集信號(hào)形成C掃描圖像。

圖2 多電子閘門超聲C掃數(shù)據(jù)采集原理示意圖

變厚度試件采用了上述多電子閘門超聲C 掃成像方法進(jìn)行檢測(cè)，圖3所示為檢測(cè)結(jié)果。C 掃圖的位置關(guān)系對(duì)應(yīng)圖1中試件的俯視圖，C 掃圖從左至右對(duì)應(yīng)試件的A、B、C 區(qū)?？偣膊捎昧?個(gè)閘門來(lái)覆蓋整個(gè)試件的厚度，即試件A 區(qū)的厚度，閘門設(shè)置如圖2所示。圖3中a區(qū)所示為gate1 的C 掃成像結(jié)果，gate1在試件中所對(duì)應(yīng)的厚度區(qū)間最靠近超聲波的入射面。從圖中可以清楚地看出，最右側(cè)帶黑色圓圈所在的淺色區(qū)域即為該閘門的底波信號(hào)，三個(gè)黑色的圓圈，就是預(yù)埋在該厚度的人工缺陷，對(duì)應(yīng)圖1 中最右側(cè)的一排缺陷。圖3中b～e區(qū)分別對(duì)應(yīng)著gate2～gate5的C 掃描圖像，圖中黑色圓圈所在的淺色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)各個(gè)閘門的底波信號(hào)，黑色的圓圈為人工缺陷。將圖3中a～e區(qū)五幅圖組合起來(lái)看，所有黑色圓圈所在的淺色區(qū)域拼接在一起，就包含了整個(gè)試件各個(gè)區(qū)域的內(nèi)部缺陷信息，預(yù)埋在試件中的18個(gè)缺陷均可以清楚地中顯示出來(lái)。因此所采用的多電子閘門超聲C 掃成像技術(shù)可以很好地解決變厚度層壓板的超聲脈沖回波法檢測(cè)問(wèn)題。

圖3 試件的多電子閘門超聲C掃成像

3 結(jié)論

提出了一種基于多電子閘門的變厚度復(fù)合材料層壓板超聲脈沖回波法C 掃成像技術(shù)。該技術(shù)的基本思路是在變厚度層壓板的最厚區(qū)的上下表面回波之間設(shè)置若干個(gè)首尾相連的閘門，在每一個(gè)閘門內(nèi)提取相應(yīng)厚度的底面回波幅值進(jìn)行成像，將所有閘門信號(hào)所成圖像組合分析，就可以得到變厚度層壓板各個(gè)區(qū)域的內(nèi)部缺陷信息。使用該方法對(duì)所制備的T300級(jí)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料變厚度層壓板進(jìn)行了超聲檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)共設(shè)置了5個(gè)閘門以涵蓋試件的最大厚度，最終形成5幅C 掃圖像，這5幅C掃圖可以清楚地再現(xiàn)所有預(yù)埋的人工缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明使用多電子閘門脈沖回波超聲檢測(cè)技術(shù)可以很好地解決變厚度層壓板的超聲C 掃檢測(cè)中底波位置變動(dòng)的問(wèn)題。

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