朱濱海，王佳，付國，李怡琳，程夢婷

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106；2.成都國營錦江機(jī)器廠，四川 成都 610043）

在對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損檢測時，通常會遇到各種各樣不同類型的問題。例如：（1）由于受到多種因素影響而導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)了一些不規(guī)則的孔洞；（2）當(dāng)碳纖維復(fù)合材料中含有較多的雜質(zhì)或是存在較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時，就很容易產(chǎn)生分層現(xiàn)象；（3）當(dāng)碳纖維復(fù)合材料被應(yīng)用到飛機(jī)上后，如果沒有及時發(fā)現(xiàn)其中存在的分層情況，也可能造成嚴(yán)重后果。而目前針對這種缺陷主要采用目視檢查或破壞性檢驗來進(jìn)行檢測，但其存在效率低、成本高等缺點，因此迫切需要一種新的無損檢測方法來解決這一難題。近年來，出現(xiàn)了許多新型無損檢測方法，例如，超聲波C 掃描成像法、射線照相法、紅外熱像法以及聲發(fā)射檢測法等，都能夠?qū)崿F(xiàn)對不同類型的缺陷進(jìn)行有效的檢測與評價。

1 超聲相控陣檢測原理及探頭參數(shù)選取

1.1 超聲相控陣檢測原理

利用惠更斯原理，超聲波的形狀可以被描述為一系列的子波源，每個都會發(fā)出一系列的相關(guān)信號，這些信號會被傳播到彈性介質(zhì)（試件）中，從而形成一種機(jī)械振動。而相控陣成像技術(shù)則是利用控制陣列換能器中每個陣元的激勵（或接收）脈沖的時間延遲來實現(xiàn)對圖像的檢測和分析。我們將通過實驗驗證該理論的正確性以及可行性。首先，需要選擇合適的聲束入射角θ0，使得聲波以一定角度進(jìn)入待測區(qū)域；其次，還要確定一個合理的焦點位置X0，保證所發(fā)射出的所有波束能量集中于此點處，并且不至于發(fā)生散射現(xiàn)象。

1.2 探頭參數(shù)選取

在進(jìn)行檢測前，首先，要對檢測對象和檢測要求有一個全面、深入的認(rèn)識。通過分析可知，該檢測項目中需要用到的設(shè)備主要包括超聲波探傷儀(TOPDIA)、相控陣檢測儀等，而這些設(shè)備都是由不同類型的換能器組成的。因此，為了保證檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，就必須選擇合適的探頭參數(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對復(fù)合材料分層缺陷的檢測已經(jīng)做出了大量工作，并且也提出了很多有效的檢測方法。但是，每種檢測方法均存在一定的局限性，并不適用于所有情況。所以，在實際應(yīng)用時，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體問題來確定最佳的檢測方案。本文所采用的檢測方法屬于無損檢測范疇，故無須考慮檢測效率這一指標(biāo)；同時，由于該項檢測涉及多個方面，如檢測精度、檢測速度以及成本等，因而不能僅憑某一標(biāo)準(zhǔn)或某單一因素進(jìn)行判斷。基于此，本文主要從以下幾個方面對檢測方法進(jìn)行分析和討論。

2 實驗裝置和試件部分

2.1 實驗裝置

該實驗使用了奧林巴斯Olympls MX2 相控陣檢測儀和一個線性陣列探頭，它的頻率為5MHz，陣元數(shù)量為64 個，陣元間的距離為0.6mm，陣元的長度為10mm。這個探頭被安裝在一個厚度為20mm 的零度楔塊SD3-N0L上，以減小近場效應(yīng)。對于每種不同類型的缺陷，都可以通過改變掃查方式來實現(xiàn)。當(dāng)用常規(guī)的縱波垂直入射時，就會形成沿著深度方向傳播的反射波；而當(dāng)用橫波斜入射時，則會產(chǎn)生與之相反的情況。因此，只要將探頭移動到合適位置并且使其對準(zhǔn)需要檢查的區(qū)域即可。由于超聲波具有很好的指向性，所以能夠非常容易地確定缺陷所在的具體位置以及大小。但是，如果想得到更加準(zhǔn)確可靠的結(jié)果，還必須保證聲束足夠集中，這樣才能獲得較高質(zhì)量的圖像。

2.2 實驗試件

為了驗證本文提出的相控陣檢測方法在實際應(yīng)用中的可行性，選取某型號飛機(jī)上使用的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行實驗研究。該類型的碳纖維復(fù)合材料由于其特殊性，需要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析才能夠確定具體的分層情況，因此本次實驗采用無損檢測方式來完成。通過對該類型的復(fù)合材料內(nèi)部不同位置的分層情況進(jìn)行檢測，可以得到較準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，從而能夠更加全面地掌握該類復(fù)合材料的質(zhì)量狀況，并且也有利于后續(xù)工作的開展。此外，針對該類型的碳纖維復(fù)合材料，還要選擇合適的檢測設(shè)備以及相應(yīng)的檢測工藝參數(shù)等，以保證最終獲得的檢測數(shù)據(jù)具有較高的可靠度。為了使所設(shè)計的檢測方案能夠順利實施，首先，應(yīng)當(dāng)建立一個合理的實驗平臺，然后再利用相關(guān)的檢測儀器對其實施檢測操作。在這個過程中，主要是將超聲波換能器安裝到試塊上，同時使用螺栓固定住探頭，最后再把它們放到指定的檢測區(qū)域內(nèi)。需要注意的是，在實際的檢測操作前，一定要提前做好準(zhǔn)備工作，比如，對檢測對象進(jìn)行清理、碳纖維不打磨和除銹等，這樣才能夠確保檢測效果符合要求。另外，在正式開始檢測前，也可以先進(jìn)行預(yù)試驗，通過多次反復(fù)地調(diào)整來確定最佳的檢測位置以及檢測角度等，從而提高最終的檢測質(zhì)量與效率。在完成這些準(zhǔn)備工作后，就可以開展具體的檢測操作，并且還要保證每次都按照同樣的步驟來進(jìn)行，以便更好地控制誤差問題。一般來說，如果檢測對象為碳纖維復(fù)合材料，那么就應(yīng)該采用線掃描方式；但如果是金屬材料焊縫時，則最好還是扇掃描方式。一般情況下，在檢測時會采用相控陣技術(shù)來實現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料的檢測，但是由于該種技術(shù)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，所以要經(jīng)過大量實踐經(jīng)驗的積累，才可以獲得良好的應(yīng)用效果。

2.3 實驗流程

通過零度線性聚焦法則，我們將從第一個晶片開始激活，并在第64 個晶片結(jié)束時進(jìn)行電子掃描，每個陣元的聚焦深度為二毫米，并使用3000m/s 的縱波進(jìn)行測量。當(dāng)所有晶片都被激發(fā)后，對于每層的厚度，可以計算出其聲速，然后再用這種方式確定該區(qū)域內(nèi)是否存在缺陷。如果發(fā)現(xiàn)了缺陷，那么就要繼續(xù)沿著垂直方向逐漸移動探頭來檢查缺陷的位置、大小以及形狀等信息。最后，還需要利用超聲波C 掃成像系統(tǒng)來進(jìn)一步確認(rèn)缺陷的具體情況。

在實際的操作過程中，首先，按照上述所提到的方法分別制備好含有不同類型缺陷的試樣；接著，把這些試樣放入專用的模具中，并且保證各個試塊表面上沒有任何多余的雜質(zhì)；隨后，啟動超聲檢測儀器，開始對試樣進(jìn)行掃描檢測；在完成一次完整的檢測過程后，便可以將探頭從試樣表面移開；最后，通過計算機(jī)軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行分析處理。此外，為了更加直觀地觀察超聲相控陣檢測技術(shù)應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料分層缺陷時的效果，本文也制作了相應(yīng)的對比試塊。其中，第一組試塊只存在一個孔隙缺陷，第二組則包括兩個相同的孔洞缺陷。需要注意的是，由于這兩組試塊都屬于同一種型號的碳纖維復(fù)合材料，因此它們具有一定程度上的相似性。具體的操作步驟如下所示：首先，利用超聲波無損檢測設(shè)備分別對上述兩種類型的試塊進(jìn)行檢測，然后記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；其次，在完成所有檢測工作后，再使用CT 掃描儀對試塊內(nèi)部的情況進(jìn)行檢查；再次，結(jié)合圖像處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析技術(shù)等，對檢測過程中所出現(xiàn)的各種問題展開深入探究與討論。最后，針對發(fā)現(xiàn)的缺陷區(qū)域，可以借助相控陣超聲檢測系統(tǒng)中的掃查功能來實現(xiàn)進(jìn)一步的定位，從而為后續(xù)工藝加工提供必要的參考依據(jù)。通過以上一系列的分析可知，該項技術(shù)不僅能夠有效解決傳統(tǒng)超聲檢測方式存在的不足，同時還能夠顯著提升最終的檢測效果。因此，這就要求操作人員要充分掌握相應(yīng)的檢測技巧及知識點，并且嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來開展各項工作。此外，在實際應(yīng)用過程中，也要注意以下幾點內(nèi)容：首先，是合理選擇掃查位置、角度以及深度等參數(shù)信息；其次，就是應(yīng)當(dāng)選擇合適型號的探頭設(shè)備。除此以外，對于一些特殊情況下出現(xiàn)的分層現(xiàn)象來說，則更加適合采用相控陣超聲波檢測法。

3 結(jié)語

綜上所述，本次試驗采用了超聲相控陣技術(shù)對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行無損傷檢測。首先，通過實驗確定出不同層數(shù)和厚度的試樣；然后，利用超聲相控陣技術(shù)分別在0、2 ～6mm 以及7 ～10mm 這3 個深度范圍內(nèi)采集信號；最后，根據(jù)所獲取到的數(shù)據(jù)計算出各個層之間的相對誤差并以此來判斷該區(qū)域是否存在缺陷。

本文主要介紹了碳纖維復(fù)合材料分層缺陷的超聲相控陣檢測原理及具體操作步驟，但是實際上還有很多影響因素需要考慮，如探頭與被檢工件的距離、聲束入射角等都會直接影響最終的檢測結(jié)果。在以后的學(xué)習(xí)和實踐過程中，我們還會繼續(xù)對這些問題進(jìn)行深入的探討，爭取使得本次研究所提出的相關(guān)理論更加完善。但是由于該方法只能檢測出表層的缺陷，而無法探測深層次的缺陷。因此，還需要進(jìn)一步改進(jìn)與完善相關(guān)的檢測工藝及方法。本文提出了一種新的檢測方法，即在同一塊碳纖維板上沿著長軸方向依次設(shè)置多個掃查點，這樣就使得整個檢測過程變得更加方便快捷。這對今后開展類似的無損檢測工作有一定的借鑒意義。此外，文中提到的檢測方案雖然簡單易行，但仍需不斷優(yōu)化才能得到最佳結(jié)果。