復合材料構件R區的超聲相控陣檢測實驗

張冬梅 于 光

(上海飛機制造有限公司，上海200436)

周正干 徐 娜

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京100191)

隨著航空制造技術的不斷發展，碳纖維、玻璃纖維等纖維增強樹脂基復合材料以其高的比強度、比模量及良好的抗疲勞性和耐腐蝕性獲得廣泛應用，并已在某些關鍵部位代替金屬［1］.然而，復合材料在生產和使用過程中，不可避免地會產生分層、脫粘、夾雜等缺陷，這些缺陷將嚴重影響復合材料構件的力學性能和整體完整性［2］，各種無損檢測方法是保證復合材料可靠使用的重要手段［3-4］.

為了滿足結構設計的要求和降低制造成本，越來越多整體成型的復合材料構件被廣泛使用，而這些復雜結構中普遍存在R過渡區［5］.R過渡區為曲面且空間尺寸狹小，十分不利于缺陷的檢測.同時，R區多為應力集中區域，對缺陷的容忍度較小，且在制造過程中極易出現缺陷.因此，對R區的質量控制就顯得非常重要.

近年來，超聲檢測方法作為一種方便、有效的檢測手段，被廣泛應用于復合材料構件的無損檢測［6］.其中，超聲相控陣檢測技術是一種新興的超聲檢測方法，采用由多個相互獨立的陣元晶片組成的陣列換能器，通過電子系統按照一定的規則和時序控制激勵各個陣元晶片，從而可以靈活、便捷、有效地控制聲束角度、焦距位置和尺寸［7-9］.因此，常規超聲需要移動探頭完成的掃查，采用相控陣檢測技術可以在一定范圍內通過各陣元晶片的電子掃描完成.目前Olympus公司的J.Habermehl等人設計了專門的弧形陣列換能器［10-11］，為R區的檢測提供了可行的檢測工具，但尚無采用線陣換能器檢測R區的相關報道.

本文在分析R區超聲檢測技術難點的基礎上，提出采用弧形和線形陣列換能器的兩種R區檢測方法;以碳纖維增強復合材料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)L型構件的R區為檢測對象，分別采用所提出的兩種檢測方法進行檢測實驗;并與常規超聲檢測方法進行對比，總結歸納了超聲相控陣檢測R區的技術優勢.

1 R區超聲檢測難點分析

典型的復合材料T型加筋壁板如圖1所示.根據復合材料的成型工藝特點，其R過渡區的缺陷類型主要有分層、氣孔和夾雜等，缺陷取向多沿層間分布［12］，其缺陷分布情況如圖2所示.

圖1 典型的復合材料T型加筋壁板試樣

圖2 R過渡區的缺陷分布示意圖

由于R區受形狀和空間尺寸的限制，存在圓弧區域曲率半徑小，不利于超聲探頭耦合，不能保證入射聲束與圓弧區域的檢測表面垂直，聲束不能覆蓋整個圓弧區域等問題，從而會影響檢測的靈敏度、缺陷檢出率等.

超聲相控陣檢測技術采用陣列換能器，通過控制各陣元發射激勵脈沖的延遲時間，達到合成波束聚焦、偏轉等多種相控效果.根據波束合成的情況，相控陣檢測可以進行線形掃描、扇形掃描、動態深度聚焦掃描［13］.并且可以根據被檢試樣的形狀和檢測要求，設計不同形狀的相控陣探頭和聲束掃描方案，從而實現對復雜構件的檢測.

2 相控陣檢測方案制定

2.1 弧陣換能器檢測方案

為了保證發射聲束垂直入射到R區的每個位置，采用相控陣弧形陣列換能器，檢測方式如圖3所示，保證弧陣換能器的圓弧圓心與R區的圓心重合.由于各陣元按照圓弧方式排列，掃描時各陣元直接激勵，不做任何延時處理，各陣元發射的超聲波在弧陣的圓弧圓心位置匯合，聲場能量在該處最強.掃描時采用順序掃查方式，即若干個陣元作為一個陣列孔徑，依次發射超聲波束，通過一個掃描周期，即可實現各陣列孔徑發射的超聲合成波束對試樣不同位置的檢測，從而達到對整個R區檢測面的全覆蓋掃描，減小了檢測盲區.

如圖3所示，當采用弧形換能器檢測R區時，由于弧陣換能器與工件的R區為同心圓，弧陣換能器的圓弧半徑R、陣元間距d、一個陣列孔徑的陣元個數n等參數與被檢工件的厚度T和圓弧半徑r等幾何參數之間，滿足如下表達式:

其中ls為檢測區域的弧長.

圖3 弧陣換能器檢測R區的示意圖

2.2 線陣換能器檢測方案

利用超聲相控陣檢測技術可以靈活控制聲束偏轉、聚焦的優勢，采用相控陣線形陣列換能器檢測R區，檢測方式如圖4所示.采用順序掃描方式，若干個陣元作為一個陣列孔徑，依次發射超聲波束，同時通過控制各陣列孔徑發射的超聲合成波束以不同的偏轉角度和聚焦深度垂直入射到R區檢測面的不同位置，實現對不同部位和取向缺陷的掃查，從而達到對整個R區的全覆蓋掃描.

采用線陣換能器檢測R區時，各陣列孔徑所發射的合成波束以不同角度偏轉聚焦，由于聲束的指向性，會造成不同角度合成波束能量的不一致，則所獲得的回波信號也會不均勻.因此，需要根據聲束的指向性函數，對不同陣列孔徑接收的回波信號進行指向性補償來解決不同偏轉角度能量不一致的問題.其中，發射和接收陣元的指向性函數［14］可表示為

其中，a是陣元大小;θ為偏轉角度;λ為超聲波的波長.

圖4 線陣換能器檢測R區的示意圖

3 檢測實驗

3.1 檢測系統及對象

超聲相控陣檢測實驗系統包括:超聲相控陣發射/接收設備、相控陣換能器及楔塊、編碼器、工控機等.工控機中安裝相控陣控制軟件，用于控制相控陣發射/接收設備、采集回波數據和實時成像等.

以CFRP的L型試樣R區為檢測對象，試樣厚4mm，R區圓弧半徑5mm.試樣中有預埋缺陷，埋深2 mm，長度10 mm，寬度5 mm.試樣的縱波聲速為2870 m/s.同時根據R區和換能器的幾何形狀，設計相應的弧形楔塊，以解決換能器和被檢試樣的耦合問題.

3.2 弧陣換能器檢測實驗

采用中心頻率5 MHz，陣元個數32個，陣元間距0.8 mm，圓弧半徑16 mm的相控陣弧陣換能器，對L型試樣進行檢測實驗，如圖5所示.采用每4個陣元為一個陣列孔徑的檢測方式，依次發射超聲波束，則一個掃描周期共有29個陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設置閘門繪制C型圖，如圖6所示.圖6中預埋缺陷清晰可見，測得缺陷長度為10.8 mm，缺陷寬度為5.8 mm.取C型圖中一個含缺陷信息的機械掃描位置，如第38個機械掃描位置為例，進行缺陷回波信號分析，圖7為該位置第15個陣列孔徑的A型圖.取該位置第3，9，15，21，27 個陣列孔徑的 A 型回波信號，可獲得缺陷埋深和試樣厚度值見表1.可見，不同陣列孔徑接收的回波信號測得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.157 mm和0.2 mm，測得的缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實際試樣信息的相對誤差僅為1.4%和1.6%，取得了良好的檢測結果.

圖5 弧陣檢測實物圖

圖6 弧陣檢測的C型展開圖

圖7 弧陣檢測機械掃描位置38陣列孔徑15的A型圖

表1 弧陣換能器檢測結果

采用弧陣換能器對復合材料構件R區進行檢測時，各陣列孔徑所發射的超聲合成波束在弧陣的圓心位置匯合，能量在R區的不同檢測位置基本一致，所獲得的回波信號也比較均勻，保證了缺陷檢測的可靠性和一致性.但是，弧陣換能器制造工藝復雜，價格比線陣換能器昂貴.

3.3 線陣換能器檢測實驗

采用中心頻率5 MHz，陣元個數32個，陣元間距0.6mm的相控陣線陣換能器，對該L型試樣進行線陣換能器檢測實驗，如圖8所示.

圖8 線陣檢測實物圖

采用每8個陣元作為一個陣列孔徑，依次發射超聲波束，則一個掃描周期共有25個陣列孔徑.在試樣界面波和底面波之間設置閘門繪制C型圖，如圖9所示，可測得缺陷長度為9.7 mm，缺陷寬度為5.3 mm.

圖9 線陣檢測的C型展開圖

取C型圖中第38個機械掃描位置，進行缺陷回波信號分析，圖10為該位置第13個陣列孔徑的A 型圖.取該位置第5，9，13，17，21 個陣列孔徑的A型回波信號，可獲得缺陷埋深和試樣厚度如表2所示.可見，不同陣列孔徑接收回波信號測得的缺陷埋深和試樣厚度僅偏差0.215 mm和0.2 mm，缺陷埋深和試樣厚度的平均值與實際試樣信息的相對誤差分別為5.8%和6.7%，取得了良好的檢測結果.

10 線陣檢測機械掃描位置38陣列孔徑13的A型圖

表2 線陣換能器檢測結果

采用線陣換能器對復合材料構件的R區進行檢測時，各陣列孔徑發射的聲束需要偏轉于不同角度以保證聲束垂直入射到R區的檢測面，最大偏轉角度可達45°，造成不同偏轉角度發射超聲波束的能量不一致.然而，通過對每個偏轉角度上的回波信號做指向性補償，可以解決不同偏轉方向能量不一致的問題，且與弧陣換能器相比，線陣換能器應用范圍廣，造價便宜.因此，采用線陣換能器實現對復合材料構件R區的檢測具有廣闊的發展空間.

3.4 實驗結果對比

將采用弧陣換能器和線陣換能器檢測L型試樣的檢測結果進行對比，線陣換能器的檢測結果略差于弧陣換能器，但兩種檢測方法各有利弊，均取得了良好的檢測結果.

在對L型試樣進行實驗后，也分別對復合材料T型加筋壁板試樣和飛機機翼縮比件的翼肋R區進行了檢測實驗，均取得了良好的檢測結果.

4 相控陣檢測優勢分析

采用常規超聲檢測方法，可以實現對開放的R區的檢測，且對不同尺寸的R區具有較好的適應性.但其探頭聲束截面小，檢測范圍窄，當采用如圖11所示的檢測方法時，僅能檢測R區的一個位置，聲束無法實現對整個區域的全覆蓋，存在漏檢現象.當對圓弧半徑較大的R區進行檢測時，需要多次旋轉探頭的角度來保證入射聲束與R區不同位置垂直.

圖11 常規超聲檢測R區的示意圖

采用超聲相控陣檢測時，其檢測分辨率比常規聚焦探頭更有優勢.超聲檢測分辨率主要包括橫向分辨率和縱向分辨率，橫向分辨率與超聲波束的寬度有關，聲束寬度越窄橫向分辨率越高.對于常規聚焦探頭，其焦點處的聲束直徑Φ與聲波波長λ、探頭聚焦長度F及探頭晶片直徑D之間滿足如下關系:

當聲波波長固定時，其聚焦位置和焦點直徑都是固定的.對于超聲相控陣探頭，其焦點處的聲束直徑Φ滿足:

其中D為相控陣換能器的陣列孔徑.由于超聲相控陣檢測可以通過電子方式靈活控制陣列孔徑D和聲束的聚焦長度F，所獲得的焦點直徑可比常規聚焦探頭小，因此，超聲相控陣檢測的橫向分辨率更有優勢.超聲檢測的縱向分辨率與超聲發射脈沖的持續時間有關，持續時間越短縱向分辨率越高，超聲相控陣檢測可以靈活控制脈沖的持續時間，因此在縱向分辨率方面也具有優勢.

與常規超聲檢測方法相比，采用超聲相控陣技術檢測R區時可以不旋轉探頭便能夠實現發射聲束對整個R區的全覆蓋掃描，檢測效率高，適用性強，檢測分辨率高，其檢測優勢總結如下:

1)采用超聲相控陣檢測技術實現對R區的檢測，可以控制換能器各陣元發射的超聲波束垂直入射到R區的檢測表面，實現對不同部位和取向缺陷的掃查，保證了缺陷檢測的可靠性;

2)相控陣換能器的一次多角度掃描，可以實現發射的超聲波束對R區整個檢測面的全覆蓋掃查，減小了檢測盲區;

3)采用超聲相控陣檢測時，其檢測分辨率比常規聚焦探頭更有優勢;

4)通過更換不同尺寸的楔塊可以實現對圓弧半徑在一定范圍內的R區的檢測，因此某一種尺寸的換能器可適應一定范圍的R區圓弧半徑，降低了使用成本;

5)超聲相控陣檢測可實時顯示A型、S型、C型和3D圖像，可以實現對R區的可視化掃查.

5 結論

針對常規超聲檢測方法難以完全勝任復合材料構件R區的檢測問題，開展了超聲相控陣檢測應用研究，取得以下研究結論:

1)提出的采用相控陣弧形陣列換能器和線形陣列換能器的兩種檢測方法，可以滿足復合材料R區的檢測要求;

2)以復合材料L型試樣為檢測實例，進行了相關檢測實驗，取得了良好的檢測結果;

3)將相控陣超聲與常規超聲的檢測方法進行了對比分析，結果表明所提出的相控陣檢測方法具有適用性強，成像直觀，檢測效率高等優點，具有廣泛的應用前景.

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