小截面方管結(jié)構(gòu)CFRP復(fù)合材料的超聲檢測方法

高曉進(jìn)，周金帥，張鐵夫

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小截面方管結(jié)構(gòu)CFRP復(fù)合材料的超聲檢測方法

高曉進(jìn)，周金帥，張鐵夫

(航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074)

新型飛行器已采用小截面碳纖維增強(qiáng)樹脂基(Carbon Fiber Reinforce Polymer, CFRP)復(fù)合材料方管結(jié)構(gòu)。針對該類復(fù)合材料方管的材料組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析和對比了常用的超聲穿透法、超聲反射法和整體超聲穿透法對復(fù)合材料方管內(nèi)部質(zhì)量檢測的適用性，提出了超聲對面內(nèi)壁反射法。采用超聲對面內(nèi)壁反射法對試塊中的人工缺陷和實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行檢測。結(jié)果表明，采用該檢測方法能夠全部檢出試樣中的10 mm×10 mm的人工分層缺陷，且可有效地檢測實(shí)際產(chǎn)品的分層和孔洞缺陷。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料；小截面；方管；超聲檢測

0 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforce Polymer, CFRP)是由碳纖維、樹脂基體和界面組成，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，作為一種先進(jìn)的復(fù)合材料在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。隨著對減重需求的進(jìn)一步增加[3-7]，無人機(jī)、導(dǎo)彈等飛行器的機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)已采用小截面CFRP復(fù)合材料方管結(jié)構(gòu)作為承力骨架。該結(jié)構(gòu)一般由纏繞工藝或硅橡膠熱膨脹成型工藝[8]制備，容易產(chǎn)生分層、疏松、孔洞和夾雜等缺陷，作為承力構(gòu)件，其中的缺陷會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

目前，超聲檢測是CFRP復(fù)合材料最有效的無損檢測方法[9-10]，可準(zhǔn)確地檢測出材料內(nèi)部的缺陷，保證材料內(nèi)部的質(zhì)量。小截面CFRP復(fù)合材料方管具有管壁薄、材料聲衰減大、內(nèi)腔小、長度大等特點(diǎn)，采用普通的超聲檢測法難以檢測。本文根據(jù)復(fù)合材料方管的成型工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出超聲對面內(nèi)壁反射法，實(shí)現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)的超聲無損檢測，對保證飛行器飛行安全起到重要作用。

1 檢測方法的分析

復(fù)合材料常用的超聲檢測方法有脈沖穿透法和反射法[11]。超聲穿透法對CFRP復(fù)合材料具有很好的檢測效果，檢測時(shí)超聲穿透法需要使用2個(gè)超聲波探頭，一個(gè)探頭放置在復(fù)合材料方管外，另一個(gè)放置在復(fù)合材料方管內(nèi)腔里面。但由于小截面CFRP復(fù)合材料方管的內(nèi)腔尺寸小，探頭及探頭加持工裝無法放入內(nèi)腔進(jìn)行檢測。因此，超聲穿透法不適用于小截面CFRP復(fù)合材料方管內(nèi)部缺陷的檢測。

復(fù)合材料方管厚度較薄，一般為0.5～2 mm。圖1是頻率為5 MHz的普通超聲波平探頭采用反射法檢測復(fù)合材料方管的反射信號圖。從圖1中可知，從A掃信號中無法分辨出界面波和底波。主要原因是方管的復(fù)合材料對超聲波信號的衰減嚴(yán)重，界面波較寬，檢測信號的信噪比較低，無法分辨界面波和底波。

圖1 超聲反射法檢測信號

由上述分析可知，采用超聲穿透法和反射法均難以檢測小截面CFRP復(fù)合材料方管中的缺陷。根據(jù)復(fù)合材料方管件材料的組成和結(jié)構(gòu)，擬采用整體超聲穿透法。

采用整體超聲穿透法檢測示意圖如圖2所示，采用液浸的方式進(jìn)行耦合，探頭放在復(fù)合材料方管平行外壁的兩側(cè)。發(fā)射探頭發(fā)射超聲波信號，超聲波信號經(jīng)過2個(gè)外壁到達(dá)接收探頭，接收探頭接收超聲波信號，在超聲儀上顯示。檢測時(shí)，當(dāng)復(fù)合材料方管內(nèi)部存在分層、孔洞或夾雜等缺陷時(shí)，超聲波信號在復(fù)合材料方管中的傳播受到阻斷，接收探頭接收的超聲波(穿透波)信號的幅值將降低或消失，因此可根據(jù)穿透波的幅度來判斷復(fù)合材料方管中有無缺陷。采用該方法判斷缺陷直觀，實(shí)施起來容易，但檢測復(fù)合材料方管時(shí)，不能判斷缺陷所處的深度位置，即檢測出缺陷時(shí)，不能判斷是方管的哪一個(gè)外壁中存在缺陷。

圖2 整體穿透法示意圖

針對超聲穿透法、超聲反射法無法檢測復(fù)合材料方管中的缺陷以及整體超聲穿透法無法準(zhǔn)確檢測復(fù)合材料方管中缺陷所處的深度位置的情況，本文提出了超聲對面內(nèi)壁反射法，即采用超聲反射法檢測產(chǎn)品的一面時(shí)，根據(jù)另外一面的內(nèi)壁反射波的幅值來判斷檢測面內(nèi)的缺陷情況。根據(jù)復(fù)合材料方管的成型工藝，可知方管內(nèi)部的模具為金屬或硅橡膠，復(fù)合材料方管件脫模后內(nèi)壁較平整，對超聲波的反射效果較好，所以可采用超聲對面內(nèi)壁反射法。

超聲對面內(nèi)壁反射法檢測復(fù)合材料方管，如圖3所示，采用液浸的方式進(jìn)行耦合，只采用單探頭，該探頭既發(fā)射超聲波信號又接收超聲波信號，超聲波經(jīng)過被檢測的復(fù)合材料方管的一面，傳播至被檢面的對面的內(nèi)表面，經(jīng)內(nèi)表面反射后，沿原路徑返回。根據(jù)內(nèi)表面反射波幅值的高低來判斷檢測面一層的復(fù)合材料中是否存在缺陷。由于方管的形狀規(guī)則，故采用C掃的方式進(jìn)行掃查。

采用超聲對面內(nèi)壁反射法，用頻率為1 MHz的超聲波探頭對復(fù)合材料方管有、無分層缺陷處分別進(jìn)行檢測。圖4為無缺陷處的A掃信號，界面波幅值為滿幅的72%，對面內(nèi)壁反射波幅值為24%。圖5為有缺陷處的A掃信號，界面波幅值為95%，對面內(nèi)壁反射波幅值為0。由圖4、5可知，從無缺陷處到有缺陷處，界面波幅值由72%增加到90%，原因?yàn)榉謱尤毕莘瓷洳ǖ寞B加效果導(dǎo)致界面波幅值增加，增加的倍數(shù)為90%/72% =1.25，實(shí)際檢測時(shí)難以根據(jù)界面波區(qū)分有無缺陷，因?yàn)橐话阈枰戎荡笥?時(shí)[12]才能準(zhǔn)確檢測和判斷有無缺陷；從無缺陷處到有缺陷處，對面內(nèi)壁反射波幅值由24%降低為0，幅值變化很明顯，可根據(jù)對面內(nèi)壁反射波幅值來判斷檢測面一側(cè)是否存在缺陷，檢測結(jié)果具有很高的可靠性，即超聲對面內(nèi)壁反射法可用于檢測小截面CFRP復(fù)合材料方管。

圖3 超聲對面內(nèi)壁反射法示意圖

圖4 超聲對面內(nèi)壁反射法檢驗(yàn)無缺陷界面時(shí)的A掃信號

圖5 超聲對面內(nèi)壁反射法檢驗(yàn)有缺陷界面時(shí)的A掃信號

2 檢測試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 試塊制備

因產(chǎn)品要求檢測的最小的缺陷為10 mm×10 mm，故將10 mm×10 mm的兩層聚四氟乙烯薄膜置于檢測面復(fù)合材料內(nèi)的不同厚度處，模擬不同深度的分層缺陷，制作試塊，如圖6所示。

圖6 設(shè)置了人工缺陷的試塊示意圖

2.2 檢測結(jié)果

2.2.1 檢測參數(shù)

檢測方法：超聲對面內(nèi)壁反射法；探頭參數(shù)：頻率為1 MHz、直徑為10 mm的水浸平探頭；掃查步進(jìn)：1 mm；耦合方式：水浸耦合；靈敏度：對面內(nèi)壁反射波幅值為25%；閾值：雙色(12.5%～100%為黃色，0～12.5%為紅色)；掃查速度：100 mm·s-1；掃查方向：與方管長度方向垂直。

2.2.2 檢測結(jié)果

按照檢測參數(shù)對預(yù)置缺陷試樣進(jìn)行檢測，得到C掃圖如圖7所示。對C掃圖中的缺陷進(jìn)行編號，從左向右測量缺陷的面積，測量數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，預(yù)置缺陷面積的測量值與理論值誤差均小于10%，可見C掃圖能夠準(zhǔn)確地顯示出預(yù)置缺陷的面積。

圖7 試樣檢測的C掃圖

表1 試樣C掃圖中缺陷的面積

2.2.3 實(shí)際產(chǎn)品檢測

對某件小截面CFRP復(fù)合材料方管實(shí)際產(chǎn)品按照2.2.1中的對面內(nèi)壁反射法的檢測參數(shù)進(jìn)行檢測，得到C掃圖如圖8所示，從圖8中可以發(fā)現(xiàn)缺陷。對缺陷處進(jìn)行解剖，得到的金相圖如圖9所示，從金相圖可以看出明顯的分層和孔洞缺陷，表明實(shí)際缺陷區(qū)域與檢測結(jié)果一致，且提出的方法能有效檢測出產(chǎn)品中的分層和孔洞缺陷，但難以區(qū)分這兩類缺陷。

圖8 實(shí)際產(chǎn)品檢測的C掃圖

圖9 缺陷處金相圖

3 結(jié)論

(1) 超聲穿透法、超聲反射法和整體超聲穿透法均不適合檢測小截面CFRP復(fù)合材料方管，提出了超聲對面內(nèi)壁反射法。

(2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用提出的檢測方法能夠全部檢出試樣中的10 mm×10 mm的人工缺陷，且可有效地檢測實(shí)際產(chǎn)品中的分層和孔洞缺陷。

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Ultrasonic testing method for CFRP composites of small section square tube structure

GAO Xiao-jin, ZHOU Jin-shuai, ZHANG Tie-fu

(Research Institute of Aerospace Special Materials and Processing Technology, Beijing 100074, China)

The CFRP composites of small square tube structure have been applied in new aircrafts. According to the material and structure characteristics of the CFRP square tube, the applicability of the frequently used ultrasonic penetration method, ultrasonic reflection method and entire ultrasonic penetration method to square tube quality inspection is analyzed and compared, and a method of ultrasonic reflection on the opposite inner wall is proposed and used to test the artificial defects in test specimen and actual products. The results show that this method can inspect all the artificial delamination defects of 10mm×10mm in the test specimen and the delamination and hole defects in the actual products.

Carbon Fiber Reinforce Polymer (CFRP) composite; small section; square tube; ultrasonic testing

TB559

A

1000-3630(2019)-01-0058-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.009

2018-01-26;

2018-03-08

高曉進(jìn)(1987－), 男, 江西人, 碩士, 研究方向?yàn)閺?fù)合材料無損檢測。

高曉進(jìn),E-mail: gao19870311@163. com