曹弘毅，馬蒙源，丁國強，姜明順，孫 琳，張 雷，賈 磊，田愛琴，梁建英

(1 山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061；2 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

碳纖維增強樹脂基復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)作為高性能結構材料，具有比強度高、比剛度大、耐腐蝕、可設計性好等優(yōu)點，在航空航天、軌道交通和船舶等領域獲得了廣泛應用[1-2]。但由于復合材料的特殊制造工藝及其多鋪層的特點，導致在制造過程中容易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，伴隨著某些制造缺陷的產生，常見的缺陷有分層、夾雜、脫粘、孔隙等，嚴重影響材料結構性能。并且缺陷在服役過程中由于應力作用不斷擴展，大大降低結構件的殘余強度，導致結構整體失效或其他災難性后果[3]。因此，復合材料缺陷檢測是復合材料制造過程中需要關注的焦點。

復合材料具有各向異性及多鋪層界面特性，導致其界面行為及缺陷信號特征復雜。而無損檢測與評估技術能夠提供復合材料內部損傷的基礎信息，是缺陷定量評估及損傷行為分析的一種有效手段[4-6]。因此，很多學者對復合材料無損檢測技術進行了廣泛研究，常用無損檢測技術包括超聲[7]、Lamb波[8]、紅外熱成像[9-10]等。超聲相控陣技術具有聲束靈活可控、檢測精度和靈敏度高、檢測效率高等優(yōu)勢，被認為是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ臒o損檢測方法，在復合材料無損檢測領域受到越來越多的關注[6]。Nageswaran等[11]通過在CFRP試樣中預埋特氟龍薄膜制備分層缺陷，并使用超聲相控陣技術對其檢測，準確識別出預埋缺陷形狀，但并未對缺陷進行定量評估；徐娜等[12]利用線型相控陣換能器對L型構件R區(qū)進行檢測，通過對相控陣聚焦法則的優(yōu)化設計，準確檢測出R區(qū)分層缺陷形狀及深度，但未對缺陷尺寸進行定量評估；張冬梅等[13]利用超聲相控陣技術對復合材料R區(qū)分層缺陷進行檢測，通過對線陣及弧陣相控陣探頭的實驗研究，對試樣厚度及缺陷深度進行了定量測量，缺少對缺陷尺寸的定量分析；李健等[14]利用超聲相控陣檢測A掃數(shù)據，結合小波包與BP神經網絡算法，對CFRP分層、夾雜和脫粘缺陷進行分類，有效提高了缺陷的檢測效率，但是僅限對缺陷進行定性分析識別，未進行有效的定量評估；Meola等[15]利用超聲相控陣技術對CFRP中預埋分層缺陷進行了檢測，并和紅外熱成像技術進行對比，證明超聲相控陣技術能夠有效檢測出預埋缺陷的形狀、尺寸和深度，但其僅預埋一個直徑20 mm的圓形缺陷，數(shù)量較少且直徑較大，不利于對超聲相控陣技術檢測能力進行充分評估；Caminer等[16]為充分評估超聲相控陣技術對CFRP分層缺陷的檢測能力，制備了預埋多種不同材質、形狀、尺寸及埋深分層缺陷的試樣，并對鋪層方式及厚度對檢測結果的影響做了研究，但其制作工藝及缺陷材質特性導致其預埋分層缺陷易產生變形，一定程度上影響對檢測結果的定量評估，且缺陷尺寸較大(≥10 mm)也不利于對超聲相控陣檢測能力的評估。上述研究中受限于分層試樣的制作效果，對分層缺陷的檢測誤差分析較少；此外，預埋缺陷數(shù)量較少、直徑較大，不能對超聲相控陣檢測能力進行很好的評估。

針對上述問題，本工作首先制備含有不同埋深及尺寸分層缺陷的CFRP層壓板試樣；然后利用超聲相控陣技術對其進行檢測，通過S掃描與C掃描圖像對檢測結果進行分析與測量，并結合聲場仿真對檢測結果進行誤差分析，實現(xiàn)了試樣分層缺陷的可視化分析與定量評估。

1 實驗材料及方法

1.1 分層缺陷試樣

超聲信號在復合材料傳播過程中，當內部存在損傷或缺陷時，由于聲阻抗的不同，將會導致入射聲波發(fā)生反射、衍射等行為。聲波的反射強度(能量)與缺陷的物理性質(如密度、彈性常數(shù))有關：

(1)

式中：R為入射聲波在缺陷界面的聲壓反射系數(shù)；νD為入射聲波在缺陷中的傳播速率；ρD為缺陷區(qū)密度；νC為入射聲波在復合材料中的傳播速率；ρC為復合材料的密度。R值越大，表明聲波反射越強烈。因此，選擇聲阻抗與復合材料相近的聚酰亞胺薄膜作為分層缺陷，聲波在缺陷處反射信號較弱，能夠有效地評估超聲相控陣對分層缺陷的檢測能力，且聚酰亞胺耐高溫可有效防止預埋缺陷在制備過程中的扭曲變形。

分層缺陷試樣尺寸為250 mm×200 mm，厚度為3.0 mm。原材料為東麗T300編織碳纖維斜紋預浸布(FAW200/69)，克重200 g/m2，單層名義厚度0.25 mm。試樣鋪層方式[90/0]7，共14層，其中0°方向為長邊方向。通過在鋪層之間預埋聚酰亞胺薄膜制備分層缺陷，薄膜厚度為0.025 mm。試樣鋪層及缺陷埋入方式如圖1所示，預埋位置共3處，分別為淺層(第2，3鋪層之間)、中間層(第7，8鋪層之間)、深層(第11，12鋪層之間)，每層預埋4個圓形缺陷，直徑分別為12，9，6，3 mm。聚酰亞胺薄膜預埋入鋪層時噴涂適量脫模劑，阻止其與預浸布鋪層發(fā)生粘連，有效防止其在試樣固化成型過程中發(fā)生扭曲變形。試樣使用熱壓罐成型工藝制備，將鋪疊后的試樣毛坯密封于真空袋內，抽真空后放入熱壓罐中，按照預浸布固化工藝進行升溫、升壓、固化成型，固化溫度與壓力分別為130 ℃，600 kPa。

圖1 試樣尺寸及缺陷預埋方式

鋪疊后試樣名義厚度為3.5 mm，但在試樣制備過程中由于高溫高壓作用，試樣成品最終厚度約為3 mm。假定固化過程中各鋪層具有相同的壓縮量，則各層分層缺陷預埋深度(ds)分別為淺層0.43 mm、中間層1.50 mm、深層2.34 mm。

1.2 超聲相控陣檢測技術

超聲相控陣檢測原理如圖2所示，超聲相控陣技術可以同時對陣列探頭中的多個晶元進行激勵，通過控制每個晶元的激發(fā)延遲時間，實現(xiàn)發(fā)射聲束的自動偏轉與聚焦；在反射信號處理過程中，對每個晶元接收到的反射信號進行時間延遲校準，然后進行疊加處理即可得到當前檢測點的反射信號。檢測過程中，通過對激發(fā)孔徑和聚焦法則的設置，可以動態(tài)調整發(fā)射聲束的偏轉方向、聚焦深度和焦點大小。

圖2 超聲相控陣檢測原理

相控陣探頭接收到的原始信號以A掃描的形式被記錄，每一掃查點的入射波、缺陷波及底面波以幅值-時間(或厚度)曲線的形式顯示。通過不同成像算法對A掃信號進行處理，可得到超聲S掃與C掃圖像。超聲相控陣檢測視圖如圖3所示，對于線性聚焦掃查方式，超聲S掃描圖像為橫斷面視圖，由探頭陣列方向的A掃描信號處理后得到，能夠提供缺陷深度信息及斷面形狀；超聲C掃描圖像為平面視圖，由掃查區(qū)域內所有A掃信號處理后得到，包括幅值或深度兩種不同的視圖形式，能夠提供缺陷平面形狀及尺寸信息。

圖3 超聲相控陣檢測視圖

超聲相控陣檢測系統(tǒng)如圖4所示，主機為OmniScan MX2便攜式超聲相控陣探傷儀，相控陣探頭選擇線性陣列近壁探頭(5L64-NW1)，晶元數(shù)為64，晶元中心間距為1 mm，探頭中心頻率為5 MHz。為解決檢測近表面盲區(qū)問題，使用高度為20 mm的有機玻璃楔塊。在楔塊與被檢試樣之間使用純凈水作為耦合劑，確保超聲信號能夠順利經楔塊射入試樣，探頭在掃查方向的行程位置通過ENC1-2.5-DE編碼器獲取。

圖4 超聲相控陣檢測實驗裝置

相控陣探頭聚焦法則選擇線性聚焦方式，超聲聲束只聚焦不偏轉。設置激活孔徑為8，晶元步距為1，即每次通過軟件控制激發(fā)8個晶元產生超聲聲束，然后從第1個晶元到第64個晶元依次移動激發(fā)。在不移動探頭的情況下即可獲取57(64-8+1)個掃查點，掃查寬度約為57 mm。采用單線掃查方式對試樣進行檢測，一次掃查可覆蓋寬度為57 mm。因此，需要對試樣進行3次單線掃查，每次掃查只檢測同一埋深位置的分層缺陷。掃查方案如圖5所示，單線掃查方向為試樣長邊方向，圖中CFRP板為分層缺陷試樣實物。

圖5 掃查方案

為準確獲得缺陷深度信息，檢測前需要對試樣中的聲速進行校準。試樣厚度通過測量其4個邊的中心位置厚度，然后取平均值得到。選擇試樣中無明顯制造缺陷的位置進行聲速校準，試樣校準聲速為2857.1 m/s。

2 實驗結果與分析

圖6為單線掃查的結果圖像，包含A掃、S掃和C掃視圖，S掃和C掃圖像均對A掃信號幅值進行顏色編碼，建立信號幅值與圖像顏色的對應關系，信號幅值強度范圍0%(白色)到100%(紅色)。C掃描成像結果與A掃描圖像中設定的閘門(Gate A)范圍和閾值緊密相關，當反射信號在閘門范圍內且幅值大于設定閾值時，被識別為有效反射信號，因此需要準確設置閘門參數(shù)。檢測前先對試樣無缺陷區(qū)域進行掃查，分析其噪聲信號幅值強度。掃查結果顯示，試樣噪聲信號幅值均在15%以下。為保證成像效果，閘門閾值應稍高于噪聲幅值，因此實驗中設定閘門閾值為20%。

圖6 掃查結果視圖

由于復合材料自身具有各向異性及多層界面特性，超聲信號在其內部傳播過程中衰減嚴重，深層反射信號較弱，導致深層缺陷檢測尺寸偏小或出現(xiàn)漏檢。而且試樣中所預埋的聚酰亞胺缺陷聲阻抗與復合材料相近，缺陷界面反射信號能力較弱，進一步減弱了深層反射信號強度。因此，在對分層缺陷試樣進行超聲相控陣檢測時，使用時間校正增益技術增強反射信號[17]，改善深層信號質量，提高檢測精度。設定增益后，底部反射信號幅值與上表面反射信號幅值相同。

2.1 C掃描幅值圖像分析

圖7為分層缺陷C掃描幅值圖像，可以看出，預埋的12個分層缺陷被全部檢出，缺陷形狀近似圓形，與預埋的圓形薄片基本一致，且缺陷圓形區(qū)域內顏色無明顯差別，表明預埋薄膜未發(fā)生明顯褶皺變形。圖中分層缺陷與其他區(qū)域顏色差別較明顯，圖像顏色為紅色或黃色，反射信號較強；其他區(qū)域圖像顏色為藍色，反射信號較弱。除缺陷外其他區(qū)域顏色均勻，試樣無明顯其他制備缺陷。

圖7 分層缺陷C掃描幅值圖像

圖7(a)～(c)中同一埋深處分層缺陷圖像顏色基本相同，反射信號強度相近。但仍然能夠觀察到隨著缺陷直徑的減小，缺陷顏色變淺，說明缺陷越小其反射信號能力越弱，越不容易被檢測。圖7(a)，(b)中缺陷中心在同一水平位置，與鋪層時預埋位置一致，制備過程中未發(fā)生偏移；而圖7(c)中3 mm缺陷中心位置相比其他3個缺陷有明顯下移，說明此缺陷在制備過程中發(fā)生了移位。對比不同埋深分層缺陷圖像顏色可知，隨著缺陷埋深的增大，缺陷圖像顏色由紅變黃，反映出隨著缺陷埋深的增加其反射信號越來越弱。

為對分層缺陷尺寸進行定量評估，使用-6 dB方法[18-19]對超聲相控陣檢測結果進行定量測量，此方法中分層缺陷邊界為信號幅值下降到缺陷區(qū)域內最大幅值的50%時位置。使用OmniPC 4.4軟件的數(shù)據分析功能，首先利用數(shù)據光標定位缺陷內最大幅值點，獲取缺陷內最大幅值，然后根據-6 dB方法確定缺陷邊界，實現(xiàn)缺陷長度與寬度的測量，分層缺陷長度與寬度檢測誤差分別如圖8(a)，(b)。可明顯看出，超聲相控陣檢測結果比缺陷實際尺寸稍微偏大，長度測量值誤差均比寬度測量值誤差大，寬度測量值更接近缺陷實際直徑。

圖8 分層缺陷檢測誤差

由于線陣超聲相控陣探頭只能沿陣元寬度(步進方向)聚焦，對選定超聲探頭，聚焦聲束焦斑尺寸是由激活孔徑、聚焦深度決定。為對上述誤差原因進行準確分析，建立基于瑞利積分的固固界面多點源三維聲場模型，使用MATLAB對平行于試樣平面方向超聲聲場進行仿真[20]。仿真中楔塊密度為1.18 g/cm3，縱波聲速為2730 m/s，聚焦深度為3 mm，激活孔徑為8。圖9為聚焦點位置處平面聲場仿真結果，能夠直觀觀察到超聲聲束在步進方向聚焦效果較好，掃查方向上焦斑尺寸較大大，使用-6 dB方法測量聚焦聲場在掃查方向與步進方向尺寸分別為5.7，1.9 mm。

圖9 聚焦點位置聲場仿真圖像

根據上述仿真結果，當聲束沿掃查方向向缺陷移動時，聚焦點中心到達缺陷邊緣前已經產生較強缺陷反射信號(信號幅值大于設定閘門閾值)。在圖7中可以發(fā)現(xiàn)，隨著探頭在掃查方向移動，反射信號逐漸增強，導致圖像顏色逐漸變深；同樣在探頭遠離缺陷時也會發(fā)生部分聲束反射現(xiàn)象，反射信號逐漸變弱，圖像顏色逐漸變淺。相控陣超聲聚焦聲場的不對稱導致缺陷檢測尺寸的不對稱結果，在步進方向聚焦焦斑尺寸更小，檢測結果更接近真實值。聚焦聲束焦斑掃查方向與步進方向尺寸差值為4 mm，而缺陷檢測結果在兩個方向的誤差差值約2 mm，為焦斑尺寸差值的一半。因此，在實際工程應用中，應該以步進方向檢測結果為準，為準確檢測缺陷長寬尺寸可對缺陷進行兩次方向垂直的掃查。

為驗證上述分析的正確性，調整掃查方向為試樣短邊方向(與原掃查方向垂直)，對不同埋深的3 mm缺陷進行單線掃查。掃查結果如圖10所示，調整后缺陷掃查方向尺寸依然大于步進方向尺寸，驗證了上述分析的正確性。

圖10 3 mm缺陷C掃幅值圖像

綜上，超聲相控陣C掃描幅值圖像能夠直觀呈現(xiàn)分層缺陷沿鋪層方向的形狀，對最小直徑3 mm缺陷依然有很好的檢測效果。在對分層缺陷進行定量評估時，特別是對于小尺寸缺陷，應對缺陷進行兩次不同方向掃查并以步進方向檢測結果為準，以提高定量評估準確性。

2.2 C掃描深度圖像分析

圖11為分層缺陷C掃描深度圖像，圖中同一埋深處缺陷深度顏色基本相同，說明缺陷埋深相同，與缺陷預埋在同一鋪層一致；對比不同埋深缺陷圖像，淺層、中層、深層缺陷圖像顏色分別為黃色、綠色、藍色，圖像顏色所代表缺陷埋深基本與預設埋深ds一致。

圖11 分層缺陷C掃描深度圖像

為對缺陷深度進行定量評估，選取圖像中缺陷中心位置深度作為檢測深度(dt)，表1為缺陷深度檢測結果。中間層及底層缺陷埋深檢測結果較準確，最大誤差僅為0.04 mm；而淺層缺陷埋深檢測結果誤差相對較大，4處缺陷埋深誤差均為0.11 mm。超聲相控陣對分層缺陷深度檢測精度較高，但對于近表層缺陷深度誤差相對較大。

表1 分層缺陷深度

2.3 S掃描圖像分析

S掃圖像是基于信號渡越時間的試樣斷面深度圖像，不同埋深分層缺陷中心位置S掃描圖像如圖12所示，圖中上表面波與底面波圖像顏色為紅色，表明信號在此處發(fā)生較強的界面(楔塊-試樣界面、試樣-空氣界面)反射，而缺陷圖像顏色相比要淺很多，說明缺陷反射信號較弱；另外在缺陷下部均未發(fā)現(xiàn)明顯聲影，說明聲波在遇到缺陷后大部分發(fā)生透射，與缺陷所用聚酰亞胺材質聲阻抗特性一致。圖中分層缺陷外其他位置能夠明顯觀察到淺藍色橫向條紋，表明在鋪層界面處發(fā)生了超聲弱反射現(xiàn)象，說明超聲相控陣技術具有很高的縱向分辨力。

圖12 分層缺陷S掃描圖像

S掃圖像能夠反映試樣整個厚度區(qū)間的斷面信息，更加直觀地觀察到不同埋深缺陷在試樣厚度方向上的位置及缺陷斷面形狀。并且能夠實現(xiàn)對試樣厚度、缺陷深度及缺陷斷面尺寸的定量檢測(詳見圖中標注尺寸)。圖像上缺陷斷面形狀為直線，說明缺陷未發(fā)生扭曲變形。缺陷中心位置斷面尺寸與通過C掃描測量的寬度信息基本一致，缺陷形狀為圓形相符。

3 結論

(1)實驗所制備的分層缺陷標準試樣效果較好，缺陷實際形狀、深度及尺寸置信度較高，能夠實現(xiàn)對超聲相控陣檢測能力的評估。

(2)仿真結果顯示，相控陣超聲聚焦聲束的不對稱導致了檢測結果的不對稱，步進方向尺寸誤差較小，在工程應用中對缺陷定量分析時應以此方向結果為準。

(3)定量測量結果表明，超聲相控陣技術能夠準確識別分層缺陷形狀、尺寸及位置，對不同深度及尺寸的分層缺陷均具有很好的檢測效果，尺寸檢測結果誤差<1 mm，深度檢測結果誤差<0.1 mm。

(4)超聲相控陣C掃圖像能夠呈現(xiàn)缺陷形狀及大小，S掃描圖像能夠揭示缺陷位置及斷面形狀，結合C掃描圖像與S掃描圖像，可實現(xiàn)對分層缺陷的可視化檢測分析，是對分層缺陷進行定性分析與定量檢測的有效手段。