熊文超，龍飛飛

(大連民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 大連116605)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有強(qiáng)度高、密度低、耐腐蝕等優(yōu)良特性，在航空航天、儲(chǔ)罐制造以及運(yùn)動(dòng)器材等多方面都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。但由于其特殊的結(jié)構(gòu)，材料內(nèi)部容易出現(xiàn)分層等結(jié)構(gòu)損傷，從而降低了材料的使用性能，材料的服役期限減少，甚至造成嚴(yán)重的安全事故，因此，對(duì)CFRP進(jìn)行安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)非常必要。超聲波檢測(cè)技術(shù)是從近代發(fā)展起來的一種安全有效的無損檢測(cè)技術(shù)，適合用于對(duì)CFRP進(jìn)行無損檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)。

2011年，夏明星[4]在研究中采用了超聲波掃描方法，觀察了低能量沖擊對(duì)含孔隙CFRP層合板力學(xué)性能的影響，獲得了較好的觀察效果，但未考慮損傷處幾何形貌對(duì)波形傳播的影響。鄔冠華等[5]采用超聲C掃描實(shí)現(xiàn)了CFRP沖擊損傷尺寸測(cè)量，驗(yàn)證了其有限元模型的有效性，如能給出實(shí)際損傷面積計(jì)算過程會(huì)更嚴(yán)謹(jǐn)。2013年，張惠玲[6]基于穿透法C掃描和反射法A掃描研究了預(yù)制CFRP試塊的分層等缺陷，在理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，論證了超聲波檢測(cè)CFRP缺陷的可行性，但未能給出預(yù)制缺陷與工件表面平行的說明。2014年，周正干等[7]分析了先進(jìn)復(fù)合材料超聲無損檢測(cè)新技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)果表明超聲波在檢測(cè)材料分層等缺陷時(shí)效果顯著。2016年，劉晶晶[8]采用超聲檢測(cè)方法，研究了預(yù)制CFRP試塊，驗(yàn)證了超聲檢測(cè)CFRP結(jié)構(gòu)的可行性，但缺少檢測(cè)面積理論計(jì)算過程。徐幀等[9]通過超聲C掃描獲得了碳纖維層合板的沖擊損傷面積等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了損傷狀態(tài)的表征，但對(duì)缺陷邊緣的確定需要進(jìn)一步研究。2017年，張建釗[10]通過建立有限元損傷模型，并對(duì)預(yù)制復(fù)合材料承壓板的分層缺陷試板進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，最后對(duì)沖擊后的試板進(jìn)行超聲掃描，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，但未考慮實(shí)驗(yàn)過程中工件形貌變化對(duì)波形傳播的影響。2020年，張璐等[11]通過制作不同焊透深度的對(duì)接焊縫，同時(shí)建立仿真模型，研究不同焊透深度對(duì)超聲波傳播的影響，獲得了幾何形狀對(duì)超聲波傳播的影響遠(yuǎn)大于材料性能對(duì)超聲波傳播的影響的結(jié)論，但是未能給出定量結(jié)論。史俊偉等[12]基于超聲反射法對(duì)預(yù)制CFRP分層缺陷試板進(jìn)行了超聲檢測(cè)表征與定量研究，其定量分層缺陷的精度能夠達(dá)到1個(gè)鋪層厚度，但未考慮其他制作工藝對(duì)復(fù)合材料成型的影響。何瀟等[13]采用超聲檢測(cè)與CIVA仿真相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同形式與類別缺陷的表征，但缺少對(duì)圖像中缺陷面積的計(jì)算與缺陷邊緣標(biāo)識(shí)。王茹等[14]基于超聲C掃描方法研究了復(fù)合板的結(jié)合面，獲得了清楚準(zhǔn)確的圖像，如能清楚標(biāo)識(shí)缺陷圖像邊緣會(huì)更合理。

綜上所述，超聲在CFRP分層缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用較好，但大部分研究集中于缺陷的檢出和評(píng)價(jià)，少有研究被檢構(gòu)件與聲束方向非正交時(shí)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。本文通過預(yù)埋雙層聚四氟乙烯薄膜(PTFE)制成含有分層缺陷的CFRP試板，采用水浸超聲檢測(cè)方法，獲取試板在不同傾角下的分層缺陷超聲A掃描信號(hào)，通過分析傾角對(duì)信號(hào)回波能量、峰值到達(dá)時(shí)間、回波幅值以及缺陷超聲C掃描面積的影響，解決被檢構(gòu)件存在傾斜情況時(shí)缺陷深度和缺陷大小的評(píng)價(jià)問題。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

依照標(biāo)準(zhǔn)[15]預(yù)制T700樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分層試板，如圖1。采用厚度為0.148 mm的碳纖維逐層鋪設(shè)，共42層，鋪層方式為[0°/90°]，試板尺寸200 mm×150 mm×6.2 mm。分層缺陷采用厚度0.04 mm、直徑6 mm的圓形聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，兩層，中間用PP-PE塑料膠水黏合而成。預(yù)制缺陷置于試板上側(cè)第21層與第22層中間。

圖1 預(yù)制碳纖維分層試板及缺陷尺寸

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用TABLET UT超聲儀作為數(shù)據(jù)采集工具。為提高對(duì)CFRP試板深度方向的檢測(cè)分辨率，需要頻率高且具有聚焦效果的探頭，本實(shí)驗(yàn)選擇中心頻率為10 MHz的水浸超聲波點(diǎn)聚焦探頭，探頭晶片直徑12.7 mm，焦距50.8 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

依照標(biāo)準(zhǔn)[16]選取幅值的0.1倍作為門檻，對(duì)超過門檻的分層缺陷回波進(jìn)行研究。按照0°、0.73°、1.45°、2.18°、2.9°、3.63°、4.36°、5.09°、5.74°依次調(diào)整試板，順次完成數(shù)據(jù)采集。采用厚度1.9 mm、直徑25 mm的金屬片，墊起試板200 mm邊長的中心點(diǎn)，計(jì)算試板傾斜傾角。

2 結(jié)果與討論

本文主要研究?jī)A角對(duì)分層缺陷回波的影響，為便于觀察缺陷回波情況，調(diào)整缺陷回波起始幅值為0.8，同時(shí)利用信號(hào)上包絡(luò)線獲得回波峰值到達(dá)時(shí)間[17]；通過計(jì)算超過門檻的分層缺陷回波上包絡(luò)線與時(shí)間軸圍成的曲邊梯形面積，獲得分層缺陷回波能量值，如圖2。分層缺陷回波峰值坐標(biāo)及能量分別為：a(66.652 519,0.802 092)，0.197 87；b(65.692 519,0.599 532)，0.123 46；c(64.282 519,0.517 366)，0.108 12；d(62.872 148,0.404 846)，0.084 96；e(61.473 53,0.335 574)，0.064 91；f(60.224 856,0.231 868)，0.039 63；g(58.750 341,0.132 933)，0.013 78；其中，h、i分層缺陷回波幅值均低于門檻，不再計(jì)算。

a)0° b)0.73° c)1.45°

d)2.18° e)2.9° f)3.63°

g)4.36° h)5.09° i)5.74°圖2 不同傾角下分層缺陷回波

分別對(duì)不同傾角下的分層缺陷進(jìn)行C掃描檢測(cè)。傾角在0°到4.36°之間時(shí)，分層缺陷回波在門檻以上，而在超過4.36°之后，分層缺陷回波幅值降至門檻以下。從數(shù)據(jù)分布來看，探頭晶片直徑有限的條件下，隨著試板傾角增加，分層缺陷回波被反射到探頭接收范圍以外，這造成探頭接收的缺陷回波幅值低于門檻。

考慮到制造過程中可能產(chǎn)生的誤差及檢測(cè)誤差、儀器誤差等因素，選擇以試板傾角為0°時(shí)的C掃描面積作為計(jì)算相對(duì)誤差的真值。實(shí)際掃描區(qū)域約為20 mm×20 mm，所獲得的圖像分辨率為60×60。隨著傾角增大，缺陷與正常區(qū)域的區(qū)分難度隨之增大。從獲得的C掃描圖中，肉眼已經(jīng)較難分辨分層缺陷完整形貌，這是因?yàn)榉謱尤毕莼夭ǚ惦S著傾角的增加而降低。

圖像處理軟件計(jì)算C掃描結(jié)果中的缺陷區(qū)面積，通過合理設(shè)置閾值門檻，得到缺陷區(qū)域如圖3，計(jì)算結(jié)果見表1。

a)0° b)0.73° c)1.45°圖3 圖像處理后的C掃描圖

d)2.18° e)2.9° f)3.63° g)4.36°圖3 圖像處理后的C掃描圖

表1 傾角與分層缺陷回波相關(guān)數(shù)值表

結(jié)果表明傾角對(duì)損傷面積檢測(cè)的影響可以忽略不計(jì)。對(duì)傾角與缺陷回波能量、表面回波到達(dá)時(shí)間、缺陷回波到達(dá)時(shí)間、缺陷回波幅值分別采用MATLAB2017a版本軟件中數(shù)據(jù)擬合工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示,隨著傾角增加，這四項(xiàng)數(shù)值總體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

傾角與分層缺陷回波能量采用最小二乘法擬合，獲得擬合曲線如圖4，曲線方程為y=13.716 69×cos(0.0027 4x+1.558 24)，隨著傾角遞增，分層缺陷回波能量積逐漸降低，并且斜率的變化逐漸減小。

圖4 傾角與缺陷回波能量擬合曲線

傾角與表面回波到達(dá)時(shí)間采用最小二乘法擬合方法獲得的曲線如圖5，曲線方程為y=-1.842 26x+64.811 73，隨著傾角變大，表面回波到達(dá)時(shí)間線性降低。

圖5 傾角與表面回波到達(dá)時(shí)間擬合曲線

傾角與峰值到達(dá)時(shí)間采用最小二乘法擬合獲得曲線如圖6，曲線方程為y=-1.842 12x+66.862 96，隨著傾角的變大，峰值到達(dá)時(shí)間線性降低。

圖6 傾角與缺陷回波到達(dá)時(shí)間擬合曲線

傾角與回波幅值擬合曲線采用傅里葉級(jí)數(shù)擬合方法獲得曲線如圖7，曲線方程為y=-0.143 78x+0.745 45，隨著傾角的增加，幅值逐漸減小，并且與傾角呈線性關(guān)系。

圖7 傾角與回波幅值擬合曲線

3 結(jié) 論

(1)傾角與試板表面回波到達(dá)時(shí)間呈線性關(guān)系，用擬合方程可求試板傾斜角度。這種現(xiàn)象實(shí)際上是由水中聲程變化引起，在溫度一定時(shí)，聲程與到達(dá)時(shí)間呈現(xiàn)線性關(guān)系。

(2)在0°至4.36°范圍內(nèi)，傾角與分層缺陷回波達(dá)到時(shí)間和缺陷回波能量均呈線性關(guān)系；若回波達(dá)到時(shí)間及回波能量滿足擬合方程，可確定缺陷為分層缺陷。擬合曲線是在分層缺陷上制作，實(shí)際應(yīng)用需要考慮與其他缺陷處波形相互作用而產(chǎn)生的影響。

(3)在0°至4.36°范圍內(nèi)，傾角對(duì)分層缺陷檢測(cè)面積沒有影響。合理利用圖像處理技術(shù)，增強(qiáng)對(duì)圖像面積變化的準(zhǔn)確判斷，對(duì)圖像處理在超聲C掃描檢測(cè)中的應(yīng)用有一定借鑒意義。