陳棟康康，周玉鋒，張宇民，鄧亞

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國防科技重點實驗室，哈爾濱 150001）

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP 材料）由于具有一系列優(yōu)異性能［1-4］，現(xiàn)已廣泛運用于航空航天領(lǐng)域［5-7］.其中CFRP 復(fù)合材料在大飛機中的應(yīng)用比例已經(jīng)相當(dāng)可觀［8］.然而，由于在鋪放、成型、加工、裝配、服役過程中的環(huán)境和應(yīng)力的變化，復(fù)合材料的內(nèi)部會產(chǎn)生孔隙和分層等一系列的缺陷［9］.CFRP材料內(nèi)部的缺陷會大大影響材料的各項性能，復(fù)合材料在使用期間定期檢測孔隙和損傷可以大大降低服役過程中突然失效的可能.

在眾多無損檢測方法中，超聲波的產(chǎn)生較為容易，價格較低，在可以接受的衰減范圍內(nèi)能夠在材料中傳播較長距離，輸出信號含有豐富的有關(guān)材料內(nèi)部特征信息，已被用來檢測材料中各種較大及微小尺寸的特性［10-13］，并被用于評價材料的性能因子，如復(fù)合材料的界面、織構(gòu)、孔隙率、應(yīng)變、彈性常數(shù)、硬度、強度和韌性等，可對機械性能的演變進行測量和評估［11］.

超聲沖擊共振法測試CFRP 材料內(nèi)部缺陷實驗擬利用XY 桌面級繪圖儀連NLAD Cheetah 超聲沖擊共振法設(shè)備的沖擊錘，利用XY 繪圖軟件勻速運動帶動沖擊錘掃描材料表面.超聲檢測設(shè)備的快速電子機械沖擊錘敲擊材料的表面，通過聲學(xué)的寬頻接收器記錄震動結(jié)果，之后設(shè)備會分析并判斷材料的完整性.利用超聲沖擊共振法對零部件中不同尺寸的缺陷進行檢測，以對材料中缺陷的位置進行確定和記錄，并與預(yù)置的缺陷設(shè)計值進行比較，以驗證XY Plotter 繪圖儀及Makeblock 機器人小車和超聲檢測設(shè)備聯(lián)合超聲掃描的正確性.大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測平臺搭建實驗是用Makeblock 機器人小車帶動超聲檢測設(shè)備運動.利用攝像頭拍攝記錄缺陷位置和信號燈顏色，再通過材料缺陷定位軟件分析，并給出大尺寸復(fù)合材料內(nèi)部缺陷分布的云圖.

1 實驗部分

1.1 材料

超聲沖擊共振法測試CFRP 材料內(nèi)部缺陷實驗使用的預(yù)置缺陷試樣是由鋁蜂窩結(jié)構(gòu)與碳纖維復(fù)合材料層合板夾持結(jié)合而成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，試樣中蜂窩夾層膠連厚度約為1mm，試樣尺寸為155 mm×204 mm ×29 mm，如圖1（a）所示.

圖1 實驗所需要檢測的試樣及其預(yù)置缺陷示意圖Fig.1 Test sample and preset defect

該試樣內(nèi)部預(yù)置缺陷，預(yù)置缺陷分布設(shè)計如圖1（b）所示.其中，綠色矩形框部分為材料未損傷區(qū)域，用以調(diào)整設(shè)備初始化設(shè)置與參數(shù)預(yù)調(diào)；紅色圓圈區(qū)域為預(yù)置的脫膠缺陷區(qū)域，缺陷直徑為2 mm.

不同孔隙尺寸及敲擊強度測試實驗的試樣是碳纖維復(fù)合材料層合板，試樣如圖2所示.試樣尺寸為 1045 mm × 780 mm × 2.37 mm（長×寬×厚度）.該試樣預(yù)置缺陷，每列4 個孔，每個孔間相距100 mm，共有9列缺陷，缺陷直徑從1 mm 到9 mm逐漸變大，預(yù)置缺陷深度為1 mm，預(yù)置缺陷形狀與分布位置見圖2中紅色區(qū)域.

圖2 檢測試樣二預(yù)置缺陷示意圖Fig.2 Preset defects on test sample 2

1.2 檢測設(shè)備

美國NLA Diagnostics 公司生產(chǎn)的NLAD Cheetah便攜式超聲無損檢測儀.該設(shè)備是一款專為復(fù)合材料研發(fā)的自動化沖擊實驗裝置.NLAD Cheetah 超聲檢測設(shè)備包括兩部分，超聲檢測設(shè)備機身和快速機電沖擊錘（REMIH）.通過快速機電沖擊錘給被測材料表面一個輕微可控的敲擊，振動信號穿透被測材料并被沖擊錘的接收器接收，經(jīng)超聲檢測設(shè)備主機分析即可得到時間和頻域數(shù)據(jù).

超聲沖擊共振法測試CFRP 材料內(nèi)部缺陷實驗中帶動REMIH 沖擊錘勻速走動的設(shè)備是XY 桌面級繪圖儀V2.0.大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測平臺搭建實驗帶動超聲檢測設(shè)備主體和沖擊錘勻速走動的設(shè)備是Makeblock 平臺設(shè)計的機器人小車.與XY V2.0 相比最大的優(yōu)點就是行動范圍不受限制，可以手動遙控其運動軌跡. 實驗中，缺陷信號及位置信息由Vimba_V2.0 攝像頭記錄，可以做到實時記錄結(jié)果并由復(fù)合材料缺陷定位軟件直接分析缺陷結(jié)果.

1.3 檢測原理

超聲沖擊共振法是一種通過分析由短時機械運動引起的表面運動來檢測材料內(nèi)部缺陷的方法［14］.本文中用到的超聲檢測設(shè)備通過自帶的橡膠錘敲擊材料表面，激發(fā)信號，并利用寬頻擴音器記錄信號經(jīng)過產(chǎn)生、反射、折射等各種響應(yīng)時的聲波變化［15］.

當(dāng)一個擾動（應(yīng)力或變形）突然施加在一個固體表面上的一點時，擾動會以三種類型的應(yīng)力波通過固體：一個縱波，一個橫波，一個瑞利波.如圖3所示，縱波和橫波沿球面波傳播［16］. 縱波與正應(yīng)力有關(guān)，而橫波與剪應(yīng)力有關(guān).

圖3 某結(jié)構(gòu)表面一點由沖擊引起的應(yīng)力波Fig.3 Stress wave caused by impact at a point on the surface of a structure

圖4 為使用沖擊共振法檢測材料內(nèi)部缺陷設(shè)備中沖擊錘作用的示意圖.當(dāng)沖擊錘對待測材料表面特定位置產(chǎn)生一個沖擊時，材料表面會產(chǎn)生一系列的振動，每種振動模式都具有固定的頻率和持續(xù)時間［15］.表面沖擊會產(chǎn)生沿表面?zhèn)鞑サ囊粋€縱波和一個橫波和一個遠離沖擊點的表面波（瑞利波）.縱波和橫波在內(nèi)部缺陷或外邊界會被反射（聲阻抗不同）.當(dāng)反射波返回到表面處，所產(chǎn)生的位移會被接收傳感器測量到.若傳感器布置在沖擊點近處，響應(yīng)信號被由縱波反射波支配.波形開始階段出現(xiàn)的向下的大位移是由瑞利波引起的，之后一系列重復(fù)的低振幅的向下位移是由縱波經(jīng)過在表面與內(nèi)部孔洞間的多次反射產(chǎn)生的.

圖4 沖擊錘作用示意圖Fig.4 Impact hammer action sketch

超聲沖擊共振法設(shè)備將接受信號（A-scan）轉(zhuǎn)變?yōu)槟茏V. 所產(chǎn)生的電壓-時間信號被數(shù)字化和后處理，通過數(shù)據(jù)窗口和快速傅里葉變換（FFT）算法來提供沖擊共振法的振幅譜截圖. 采用漢明窗，與其他窗口相比可以減少“振鈴”譜值.振動在材料沿表面和多層的界面上以不同模式傳播.材料中的缺陷會引起局部的、高頻的響應(yīng)和泛音，實驗采用的寬頻擴音器可以采集到信號從噪聲到峰值到最大水平的所有頻率范圍，因此可以保證分析的結(jié)果能準(zhǔn)確檢測出材料內(nèi)部的分層、氣孔等基本缺陷.

1.4 實驗方法

1.4.1 不同敲擊強度與孔隙尺寸下超聲沖擊共振法的精度研究

為充分研究超聲沖擊共振法產(chǎn)生信號過程及振動信號的基本信息，搭建超聲沖擊共振法檢測材料缺陷平臺，利用音頻記錄設(shè)備以及高清攝像頭記錄敲擊運動的聲波及圖像（圖5），其中所用的材料為試樣1. 音頻設(shè)備錄音采樣頻率為2 kHz，視頻采集2000幀，傳感器為μs級，中心頻率為1 MHz.實驗采集振動信號，逐一分析沖擊共振法產(chǎn)生的振動信號的周期時間以及頻譜情況.利用不同敲擊強度下高清攝像頭采集的運動圖像，分析單位時間內(nèi)不同敲擊強度記錄的幀數(shù)，計算沖擊錘與復(fù)合材料板間的作用時間與作用力.

圖5 高清攝像頭記錄敲擊運動圖像Fig.5 Image of the knocking motion recorded by HD camera

此外，為測試設(shè)備的測量精度，利用沖擊錘不同敲擊強度，以及試樣2中不同的缺陷尺寸，來分析不同強度及缺陷尺寸下設(shè)備的精度情況.

1.4.2 超聲沖擊共振法測試CFRP材料內(nèi)部缺陷

將XY 桌面級繪圖儀組裝好，并將超聲檢測設(shè)備的沖擊錘和繪圖儀機械臂組裝起來.置于待測材料之上，如圖6 所示.利用軟件繪出矢量移動圖，矢量圖的大小為180 mm × 90 mm.圖中線條呈Z 字形依次排布，其中每兩行間隔2.5 mm，根據(jù)移動圖設(shè)置移動速度和移動路徑.實時記錄超聲檢測設(shè)備的手機中顯示的檢測結(jié)果. 檢測結(jié)束后，整理實驗結(jié)果，對比預(yù)置缺陷位置，完成實驗.

圖6 REMIH和繪圖儀機械臂組裝示意圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical arm of REMIH and XY plotter

1.4.3 大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測平臺搭建

大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測平臺的搭建示意圖如圖7 所示.成像系統(tǒng)安裝于被檢測復(fù)合材料板的上方，可以對整個復(fù)合材料板區(qū)域進行成像.超聲探頭上部貼有定位標(biāo)志，探頭控制器上根據(jù)被測位置有無缺陷顯示不同顏色的圓形標(biāo)志.成像系統(tǒng)采集探頭和控制器圖像，計算探頭標(biāo)志的位置，并讀取探頭控制器上的標(biāo)志顏色，將位置信息和檢測狀態(tài)數(shù)據(jù)存入檢測文件.根據(jù)不同的檢測需要，分為水平檢測和垂直檢測兩種.利用開發(fā)的材料定位檢測軟件自動分析缺陷位置和情況，并記錄數(shù)據(jù)，形成缺陷分布圖.

圖7 大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測平臺搭建示意圖Fig.7 Schematic diagram of defect detection platform for large-size composite components

2 結(jié)果與討論

2.1 不同敲擊強度與缺陷尺寸下超聲沖擊共振法的精度研究

記錄沖擊錘敲擊待測材料表面運動，分析高清攝像頭記錄敲擊運動的圖像，分析單位時間內(nèi)不同敲擊強度記錄的幀數(shù)如圖8所示.其中，設(shè)備可設(shè)置的敲擊強度即沖擊錘與復(fù)合材料接觸時撞擊的力度，并不代表實際數(shù)值，只是與產(chǎn)生的信號幅度直接對應(yīng)的相對數(shù)值. 根據(jù)材料種類不同、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整或損傷狀態(tài)，相同的敲擊強度可對應(yīng)不同的信號幅度值，單點重復(fù)敲擊情況下的信號幅度值穩(wěn)定在+/-30 mVpp時認定結(jié)果精確.從記錄下的數(shù)據(jù)結(jié)合圖表分析可以得到隨著沖擊錘敲擊強度的增加，拍攝到的運動幀數(shù)降，沖擊錘與復(fù)合材料每次接觸時的作用時間增加，單位時間內(nèi)沖擊錘與復(fù)合材料接觸的次數(shù)減少.

圖8 不同敲擊強度下高清攝像頭拍下的幀數(shù)Fig.8 Number of frames captured by HD camera under different knocking intensity

通過傳感器設(shè)備記錄每次敲擊作用力，聯(lián)系沖擊錘與復(fù)合材料之間作用距離與單位時間內(nèi)接觸次數(shù)，計算沖擊錘與復(fù)合材料板間的作用時間與作用力隨敲擊強度變化示意圖如圖9 所示.數(shù)據(jù)顯示隨著敲擊強度的增加，沖擊錘與復(fù)合材料直接的作用時間大體上呈先下降后上升趨勢，作用力基本呈上升趨勢，等敲擊強度大于60后作用力趨于平衡.

圖9 不同敲擊強度下的作用時間與作用力Fig.9 Action time and force under different knocking strengths

在不同的材料和缺陷尺寸情況下，使用不同敲擊強度檢測材料缺陷時采集到的信號幅度值會對應(yīng)產(chǎn)生變化.為探究檢測復(fù)合材料層合板內(nèi)部缺陷時信號幅度值與敲擊強度的對應(yīng)關(guān)系，使用試樣2預(yù)置不同尺寸缺陷的復(fù)合材料進行檢測，得到不同缺陷尺寸下沖擊錘敲擊強度與信號幅度值對應(yīng)表如表1 所示.其中信號幅度值標(biāo)準(zhǔn)值為檢測復(fù)合材料完好無損區(qū)域時穩(wěn)定的信號幅度數(shù)值，當(dāng)誤差范圍在標(biāo)準(zhǔn)值±100 mVpp 時檢測精度為85%以上，而標(biāo)準(zhǔn)值±50 mVpp 時檢測結(jié)果準(zhǔn)確率為95%以上.為保證結(jié)果準(zhǔn)確率，完好區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)值參照標(biāo)準(zhǔn)值±30 mVpp 記錄數(shù)據(jù). 不同缺陷尺寸下信號幅度值的穩(wěn)定值如表1 所示.缺陷處的幅度值范圍分為下限（范圍1）和上限（范圍2），通常認定在此幅度值范圍內(nèi)的檢測點存在缺陷，但由于設(shè)備精度和準(zhǔn)確率限制，現(xiàn)實情況是即使信號幅度值達到穩(wěn)定，也無法分辨出是否存在缺陷，這種情況下需要根據(jù)預(yù)置缺陷存在情況與位置來缺點設(shè)備的檢測精度.

表1 不同缺陷尺寸下沖擊錘敲擊強度與信號幅度值對應(yīng)表Tab.1 Correspondence between knock strength and signal amplitude under different defect sizes

使用不同敲擊強度測量試樣2中不同的預(yù)置缺陷尺寸，根據(jù)預(yù)置缺陷情況與檢測結(jié)果判定，得到不同強度及缺陷尺寸下設(shè)備的精度情況如圖10 所示.分析實驗結(jié)果，可得在敲擊強度過小的情況下，小尺寸的缺陷不能檢測出來.當(dāng)敲擊強度大于等于25，缺陷尺寸為1 mm之后的缺陷大小都可被檢測出來，且隨著敲擊強度進一步的增加，檢測得到的精度也得到改善.但是當(dāng)敲擊強度大于40 之后，由于強度過大，會忽略掉尺寸過小的缺陷，又將降低實驗的精度.因此得到使用該設(shè)備超聲沖擊錘測量復(fù)合材料層合板的最佳敲擊強度應(yīng)為50～55 之間，在此敲擊強度之下，材料完好區(qū)域采集到的信號幅度值范圍應(yīng)為（670～750）±50 mVpp 之間，超過此范圍的檢測結(jié)果認定材料受損.

圖10 不同敲擊強度與缺陷尺寸下超聲沖擊共振法的精度對比Fig.10 Accuracy comparison of ultrasonic shock resonance method under different knocking strengths and defect sizes

2.2 超聲沖擊共振法測試CFRP材料內(nèi)部缺陷

相比于現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于CFRP 復(fù)合材料內(nèi)部缺陷檢測使用的工業(yè)CT法和超聲C掃等檢測方法，超聲沖擊共振法的優(yōu)勢在于可以快速、準(zhǔn)確得到檢測結(jié)果，設(shè)備成本低、對操作人員要求低、且不受外場限制、不受材料尺寸和結(jié)構(gòu)形狀限制、對不同尺寸的缺陷靈敏度高.然而其缺點是無法自動生成缺陷大小和分布位置圖，只能人工逐點排查.為驗證實驗結(jié)果準(zhǔn)確性，并利用自動移動超聲沖擊設(shè)備實現(xiàn)整塊材料的缺陷檢測，使用桌面繪圖儀控制設(shè)備檢測，整理實驗中各時間點坐標(biāo)及材料完好狀況. 人工記錄材料各坐標(biāo)點檢測結(jié)果（材料完好、材料可能受損、材料確定受損情況）如圖11（b）所示，在根據(jù)材料尺寸及設(shè)備移動速度繪制好的坐標(biāo)系中手動記錄實驗情況，完成實驗后錄入數(shù)據(jù)到計算機，經(jīng)軟件二維重現(xiàn)，得到檢測材料內(nèi)部缺陷還原圖如圖11（c）所示.

值得注意的是，因為REMIH 沖擊錘占一定體積，實驗中實際檢測材料面積為180 mm×90 mm，所在位置如圖11（a）中紫色框內(nèi)所示.

圖11 實驗得到的材料缺陷示意圖及其預(yù)置缺陷示意圖Fig.11 The schematic diagram of material defect and its preset defect

對比可得，檢測得到的材料內(nèi)部缺陷還原圖和檢測試樣預(yù)置缺陷示意圖完全一致，利用XY 桌面式繪圖儀和超聲檢測設(shè)備聯(lián)合超聲掃描還原缺陷分布方法無需耦合劑，在空氣中即可檢測，且無需手動操作設(shè)備移動.該方法簡單易操作，且結(jié)果直觀可見，適用于日常工作中對于CFRP復(fù)合材料的維護和缺陷檢測工作.然而由于需要手動記錄坐標(biāo)位置及檢測結(jié)果，只能實現(xiàn)單點檢測及缺陷排查工作，想要獲得缺陷分布示意圖仍需后期計算機輔助軟件人為錄入實驗數(shù)據(jù)，獲得分布圖費時且效率低.

2.3 大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測

為進一步提升超聲沖擊法檢測復(fù)合材料的效率及實現(xiàn)自動化，快速獲得檢測得到的缺陷分布情況，筆者利用設(shè)備特性及實驗設(shè)計開發(fā)了一個與該大尺寸復(fù)合材料缺陷檢測平臺配合的材料缺陷定位軟件.選擇未知缺陷的復(fù)合材料層合板進行快速無損檢測，試樣尺寸為900 mm×600 mm×2.5 mm（長×寬×厚度）.將如圖7 所示的搭建好的缺陷檢測平臺設(shè)備連接計算機，利用攝像頭定位、軟件自動記錄設(shè)備移動的位置坐標(biāo)點及同一時刻實驗得到的信號燈顯示結(jié)果，實時記錄數(shù)據(jù).在結(jié)果的數(shù)據(jù)表格中，軟件自動記錄材料的編號、實驗時間、X 點、Y 點實時坐標(biāo)及檢測信號燈結(jié)果，其中調(diào)試好合適敲擊強度及信號幅度值范圍的設(shè)備信號燈顏色直接對應(yīng)該坐標(biāo)點處材料的缺陷情況（設(shè)備紅燈表示該處受損、黃燈表示疑似受損、綠色表示該點材料完好）.

開發(fā)的復(fù)合材料缺陷檢測定位軟件配合攝像機實時記錄的坐標(biāo)和指示燈信號可得材料在各坐標(biāo)位置的缺陷存在情況，并自動將記錄下來的結(jié)果導(dǎo)出到表格中存儲.通過記錄的檢測位置及缺陷狀況可得到待測材料中的缺陷位置分布坐標(biāo)及缺陷位置分布云圖，如圖12 所示，其中橫縱坐標(biāo)皆表示材料的位置坐標(biāo)，單位為mm.圖中紅色區(qū)域為確認受損部位，綠色為檢測完整材料區(qū)域，黃色為疑似缺陷.手動逐點控制設(shè)備移動檢測缺陷，以坐標(biāo)點為單位對比得到通過控制移動機器人帶動檢測設(shè)備可自動檢測復(fù)合材料平板內(nèi)部3 mm以上缺陷，檢測誤差不超過10%.

圖12 缺陷位置分布坐標(biāo)及缺陷位置分布云圖Fig.12 Distribution of defect location

3 結(jié)論

CFRP 復(fù)合材料中缺陷的定期檢測可以有效避免復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在使用中突然失效.本文利用了桌面式繪圖儀和超聲檢測設(shè)備還原缺陷分布的方法操作簡便，成本低廉，結(jié)果準(zhǔn)確，尤其適用于檢測材料中的分層、脫膠和降解損傷，可作為日常工作過程中快速排查材料內(nèi)部缺陷分布的方法.利用機器人小車帶動超聲檢測設(shè)備運動測量大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件缺陷檢測的方法快捷，可實時得到缺陷分布狀況和缺陷分布圖，直觀、準(zhǔn)確.

（1）提出了一種自動化的針對大尺寸CFRP 材料內(nèi)部缺陷的快速且有效的無損檢測方法.

（2）將便攜式超聲無損檢測儀搭載到簡易機器人上，通過固定攝像頭記錄移動位置的缺陷檢測信號，使用設(shè)計開發(fā)的缺陷檢測定位軟件，可快速準(zhǔn)確得到待測材料內(nèi)部缺陷分布情況，實現(xiàn)可視化.

（3）通過控制機器人帶動檢測設(shè)備可自動檢測復(fù)合材料平板內(nèi)3 mm以上缺陷，誤差不超過10%.