復合材料結構中R區超聲反射信號特征及其檢測應用

劉松平，劉菲菲，傅天航，周德武

(1.中航復合材料有限責任公司/中航工業復合材料技術中心， 北京 101300；2.大連長豐實業總公司, 大連 116034)

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復合材料結構中R區超聲反射信號特征及其檢測應用

劉松平1，劉菲菲1，傅天航1，周德武2

(1.中航復合材料有限責任公司/中航工業復合材料技術中心， 北京 101300；2.大連長豐實業總公司, 大連 116034)

R區是復合材料結構中的重要幾何過渡區和連接區，利用超聲反射法檢測時，入射聲波在R區形成的反射信號的復雜性明顯影響了缺陷的判別和評定。為此，采用寬帶窄脈沖超聲檢測方法，通過專門設計的超聲檢測系統及水膜耦合換能器，提取和分析來自實際復合材料結構R區的超聲反射信號的時域特征，結合超聲檢出結果進行解剖驗證分析。結果表明：采用水膜耦合可以獲得較好的聲學耦合效果和穩定的超聲反射信號；來自R區分層等缺陷和R區層間界面及樹脂界面的反射信號在其單周特性、幅值特性、多次反射行為等方面存在明顯的時域差別，基于此特征，可有效地進行復合材料R區缺陷的判別和定位，并有效地檢出R區近表面單個鋪層深度(約0.13 mm)的分層；基于此信號特征的B掃描為復合材料結構中R區缺陷的檢測與評估提供了一種非常直觀的可視化方法。

超聲檢測；復合材料；R區；信號特征；缺陷識別

隨著復合材料在先進飛機上的不斷應用，特別是各種復合材料承力結構的不斷推出，復合材料結構的無損檢測越來越受到關注，通常要求對飛機復合材料結構進行100%檢測。由于超聲方法可以非常有效地實現大部分飛機復合材料結構的無損檢測和缺陷的定性定量無損評估，因此，超聲檢測是一種非常重要和廣泛應用的復合材料無損檢測方法。為了實現復合材料結構的超聲檢測和缺陷評估，通常需要針對不同復合材料的特點和結構，研究或選用不同的超聲檢測技術，其中超聲反射法和穿透法是目前應用效果最好的超聲檢測方法[1-4]，對復合材料結構及其缺陷具有很好的檢出能力[1-2]。不過，超聲反射法和穿透法各有優缺點[3]。其中基于超聲反射法和穿透法的C掃描檢測技術已成為一種非常普遍和有效的復合材料結構件無損檢測方法，且有了很好的工程實際應用[5-6]；而且，利用超聲3D掃描技術還可以實現復雜航空復合材料結構的自動無損檢測[6]。利用超聲檢測得到的信號及其變化規律，還有望實現復合材料內部的缺陷自動判別[6-7]；通過優化超聲檢測工藝，改進復合材料超聲檢測效果[8]，甚至可以利用空氣耦合超聲方法解決一些特殊的復合材料結構的無損檢測[9]。

圖1 R區超聲檢測方法及結構示意

不過在大多數情況下，超聲檢測需要對被檢測復合材料及其結構中的超聲信號特征有一個合理的提前認識和積累。復合材料及其結構越復雜，對檢測人員了解和認知其內部超聲反射信號規律的要求就越高。有些較為復雜的復合材料結構中，往往存在許多復合材料蒙皮與加強筋幾何連接部位，在結構成型過程中，這些連接部位會形成各種各樣的幾何過渡區，簡稱R區，它起著結構過渡和一定的傳載作用。因此，通常要求對復合材料結構R區進行無損檢測，目前主要采用超聲反射法對其檢測。因其結構開敞性受限明顯且入射聲波在其內部反射復雜，直接影響了R區超聲反射法檢測效果和缺陷判別的準確性。因此，針對復合材料結構中各種R區部位及其形狀，構建R區超聲反射信號特征之后，才能有效地用于R區的超聲檢測和缺陷的正確判別。目前較為可行的R區超聲反射檢測方法有：① 超聲接觸法，采用固體延時塊作傳聲柱，包括采用單晶元換能器和多晶相控陣換能器，延時塊與R區表面之間采用硬接觸耦合，難以保證掃查過程中的良好聲學耦合，從而影響超聲信號的反射/接收及其信號規律與缺陷的識別；② 采用超聲非接觸法，通常利用水作為耦合介質，需要復雜的噴水耦合系統，在復合材料結構在線制造現場或者外場，通常不允許進行大量的噴水作業。筆者針對碳纖維復合材料層壓結構R區結構特點，采用高分辨率脈沖超聲反射檢測方法，通過水膜耦合，分析實際復合材料結構R區的超聲回波信號及特征，并通過驗證試驗構建信號特征與R區內部反射體特征之間的對應聯系，指導復合材料結構R區的超聲反射法檢測和缺陷的判別及檢測應用。

1 檢測方法

R區通常主要包括蒙皮和填充區，但有些R區，如拉齊成型的筋條中的R區沒有填充區，因此，不同R區，其內部結構不盡相同，聲波在其中的反射行為也不盡相同。以圖1所示的T形R區為例，它由復合材料蒙皮、加強筋或立檣、填充區三部分構成，可分為開敞和非開敞兩種情況。不同復合材料結構，因其所采用的蒙皮(其單個碳纖維預浸料鋪層厚度在0.13 mm左右)和加強筋或立檣的厚度有區別，因而R區的半徑變化不一，在R區形成的填充區也不一樣，但要求進行無損檢測的部位主要包括：R區左右兩側蒙皮區；R區左右兩側蒙皮-填充區；R區對應的下端蒙皮區；R區對應的下端蒙皮-填充區界面；R區中填充區。

針對R區的特點，采用圖1(b)所示的超聲檢測方法，超聲波從P1、P2、P3三個不同位置和方向入射R區，以便對R區各個部位和各個方向分布的缺陷形成最有利的聲波入射;其中在位置P2和P3，入射聲波的方向通過改變換能器的擺角進行調節，通過換能器的掃查移動，以確保有效地覆蓋檢出復合材料R區中可能產生的缺陷。

選擇換能器時主要考慮以下幾個因素：耦合效果，縱向分辨率和表面檢測盲區，換能器及其接觸端的尺寸。此外，為了保證掃查過程中換能器的穩定耦合和姿態(即入射方向)，盡量使用與換能器配套的掃查輔助裝置(圖1中所示的輔助裝置)。

對于開敞復合材料結構中T形R區的超聲檢測，選擇中航復材生產的專門用于復合材料結構R區檢測的高分辨率超聲換能器(劉松平等國家發明專利：ZL201210054308.5)，如FJ-1W或FJ-2W系列復合材料結構R區換能器，從位置P2和P3對R區左右側進行超聲檢測；選擇FJ-1系列復合材料換能器，從位置P1對R區對應的部位進行超聲掃查(參見圖1)。對于非開敞式的內腔類的復合材料結構R區，選用復合材料內腔R區超聲換能器(劉松平等國家發明專利：ZL2012101955528.X)。

選擇超聲檢測系統時，主要考慮以下因素：① 分辨率和表面檢測盲區，確保能有效地檢出近表面缺陷；② 適合所在的檢測環境或場合，通常在離線檢測時才考慮超聲自動掃描檢測系統的選用。

對于復合材料結構R區的在線檢測(即被檢測復合材料結構不離開其模具或者離開其成型模具后的制造現場)，選擇復合材料超聲檢測儀器(劉松平等授權專利：ZL201320021135.7)，如FCC-D-1/FCC-B-1或MUT-1系列復合材料超聲檢測儀；對于超聲自動掃查檢測，選擇復合材料超聲自動檢測設備(劉松平等國家發明專利：ZL201110199057.5)，如其中的CUS-6000系列超聲檢測設備，超聲換能器與R區表面之間采用水膜耦合，確保掃查過程中形成穩定的聲學耦合。通過對不同復合材料結構R區進行超聲掃查，分析來自不同R區的超聲反射信號及其特征。

2 檢測結果與分析

為了獲取實際復合材料結構R區中的超聲反射信號特征及其與R區內部實際質量間的對應關系，采用圖1所示的超聲檢測方法，對一組實際碳纖維復合材料層壓結構R區進行了系列的超聲反射檢測，對其中超聲檢出具有典型反射信號特征的R區部位進行了取樣和顯微分析。

圖2(a)是從一實際復合材料層壓結構R區中對應位置P2及其方向進行超聲檢測，得到的典型超聲反射信號E2(F,L,D)，其中：F標示的脈沖信號波形來自R區蒙皮表面的聲波反射，簡稱F波或界面波；L標示的脈沖信號波形來自R區蒙皮層間的聲波反射，簡稱L波或層波；D標示的脈沖信號波形來自R區內部或蒙皮-填料區界面附近的聲波反射，簡稱D波。

圖2 來自R區P2方向和位置的超聲回波信號E2(F,L,D)及對應的R區顯微結構

從圖2(a)可以非常清晰地看出：① 來自R區蒙皮表面的反射信號F足夠大，表明換能器與R區蒙皮表面聲學耦合良好；② 來自R區蒙皮-填料區界面附近的反射信號D明顯，且呈現明顯的多周特征；③ 來自R區蒙皮區層間的反射信號L,與D和F相比，呈現無規則的時域特征。

圖2(b)是從對應圖2(a)中超聲檢出結果的R區位置取樣后，得到的實際R區的斷面顯微結果，從圖中可以清晰地看出：① R區沒有出現內部缺陷，這表明圖2(a)中的L波的確來自R區層間聲波反射，它與R區的材料及其鋪層工藝等密切有關；② 在R區蒙皮-填料區界面附近存在較明顯的樹脂區，由于入射聲波在預浸料鋪層-樹脂界面約有21%左右的聲波反射[10]，因而圖2(a)中D波應來自R區內部蒙皮-填料區界面附近的樹脂反射，而不是缺陷反射，且D波的第1個負峰和F負峰之間的時間差Δt≈1 000 ns。

圖3(a)是從R區中對應位置P1及其方向進行超聲檢測，得到的典型超聲反射信號E1(F,L,D)。從圖可清晰地看出，E1(F,L,D)具有與E2(F,L,D)相似的信號特征：F足夠大；D波明顯，呈現明顯的多周特征；沒有明顯的L波。

圖3(b)是從對應圖3(a)中超聲檢出結果的R區位置取樣后，得到的實際R區的斷面顯微結果。從圖中可清晰地看出：① R區沒有出現內部缺陷，且在聲波傳播方向，層間均勻性明顯比R區蒙皮的層間均勻性好，因而在圖3(a)中沒有出現明顯的L波，這與蒙皮區的成型工藝有關。② 在R區下蒙皮-填料區界面附近存在一較明顯的樹脂界面層，因而在圖3(a)中的D波應是來自R區內部蒙皮-填料區界面附近的樹脂反射，且D波的第1個負峰和F負峰之間的時間差Δt≈2 450 ns，其傳播的聲程約是E2(F,L,D)中D波的2.45倍，復合材料的劇烈衰減使得E1(F,L,D)中D波明顯比E2(F,L,D)中D波小，但兩者的D波時域特征一致。

圖3 來自R區P1方向和位置的超聲回波信號E1(F,L,D)及對應的R區顯微結構

圖4(a)是從復合材料結構R區中另一位置進行超聲檢測得到的典型超聲反射信號E2D(F,L,D)。從圖中可清晰地看出，E2D(F,L,D)中的D波與E1(F,L,D)和E2(F,L,D)的D波具有明顯不同的信號特征：① D波具有明顯的單周屬性;② 出現了明顯D波的多次反射波，如圖4(a)中D2波(D的二次反射)和D3波(D的三次反射)所指示的信號波形，而且它們都具有與D波一致的單周特性;③ 出現了明顯的L波。

圖4(b)是從對應圖4(a)中超聲檢出結果的R區位置取樣后，得到的實際R區的斷面顯微結果(×40倍數)。從圖4(b)中白色虛線所標示的鋪層界面位置可清晰地看出，在R區蒙皮的第11～12個鋪層界面的確存在一分層缺陷，其兩端擴展到了R區蒙皮的第12鋪層內部。因而在圖4(a)中D波是來自R區中第11～12個鋪層界面間分層缺陷的反射，且D波的第1個負峰和F負峰之間的時間差Δt≈900 ns，其傳播的聲程比E2(F,L,D)中D波的聲程(Δt≈1 000 ns)略小，但E2D(F,L,D)中D波的幅值約是E2(F,L,D)中D波幅值的2.4倍，即高出約7.6 dB。此外，E2D(F,L,D)中D波的幅值約是E1(F,L,D)中D波幅值的4.6倍，即約13.3 dB。這是因為在分層部位，入射聲波幾乎產生了全反射，而在圖2,3中樹脂界面的反射則只有21%左右的入射聲波會產生反射[12]。因此，根據E2D(F,L,D)中的D波特征，可以非常容易確定其分層缺陷屬性，依據Δt確定其具體的層深位置。例如，根據圖4中的超聲檢測結果和解剖結果，E2D(F,L,D)中的D波(Δt≈900 ns)對應的分層層深約11個鋪層深，而E2(F,L,D)中D波的Δt≈1 000 ns，則不難得出，E2(F,L,D)中D波對應約12.2個鋪層深度位置，近似12個鋪層，從而也驗證了上述關于E2(F,L,D)中D波是來自R區蒙皮-填料界面樹脂層聲波反射的結論。

圖5 來自R區不同深度分層的超聲B掃描圖像

因此，基于超聲波在復合材料R區中的反射信號及其特征的B掃描圖像及其特征，可以非常清晰地確定R區不同深度的分層，即使當缺陷位于R區表面/底面的1個鋪層深度位置，也能被有效地檢出。

3 結論

寬帶窄脈沖超聲波在R區形成的反射信號特征與其內部層間微結構和缺陷密切相關。采用水膜耦合可以獲得較好的耦合效果和穩定的超聲反射信號，超聲檢測試驗結果和解剖驗證結果表明，利用來自復合材料R區的反射信號的時域特征,可有效地進行缺陷判別。

(1) 來自R區分層等缺陷的反射信號D波呈現明顯的單周特性，而來自R區層間界面和樹脂界面的反射信號D波呈現明顯的多周特性。

(2) 來自R區分層等缺陷的反射信號D波波高比來自R區層間界面和樹脂界面的反射信號L波波高明顯大，對于12個鋪層的R區蒙皮，其幅值相差超過7 dB。

(3) 來自R區分層等缺陷的反射信號D波呈現明顯的多次反射特性，而來自R區層間界面和樹脂界面的反射信號D波通常不會出現多次反射行為。

(4) 利用D波和F波之間的時域差異，可以估測R區D波的具體位置，由此可對超聲檢出缺陷進行鋪層深度定位。

(5) 基于R區超聲反射行為的B掃描為R區提供了一種非常直觀的可視化檢測方法，檢測結果表明，其可以有效地檢出R區近表面單個鋪層深度(約0.13 mm)的分層。且該方法目前已得到了較好的實際檢測應用,取得了較好的實際檢測效果。

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Ultrasonic Reflected Signals Characterization Resulted from R-Zone in Composite Structures

LIU Song-ping1, LIU Fei-fei1, FU Tian-hang1, ZHOU De-wu2

(1.AVIC Composite Corporation Ltd./AVIC Composite Technology Center, Beijing 101300, China; 2.Dalian Changfeng Industrial Company， Dalian 116034, China)

R-zones are the important geometric transition and joint region of composite primary structures. The complexities of echo signals from R-zones bodies have effects on the discrimination and evaluation of defects when ultrasonic reflection method is used. Therefore, a broad-band short pulsed ultrasonic method was employed to obtain echo signals from series of R-zones in practical carbon fiber-reinforced composite structures by using a special ultrasonic system and transducer with water-film coupling. Time-domain characterizations of the echo signals were analyzed. A series of destructive testing were implemented for validating the correction of the ultrasonic results. The testing results have shown that good ultrasonic coupling and high quality echo signals can be obtained by using the water-film transducer and the ultrasonic system; there are obvious time-domain differences of echo signals from delaminations and interlaminar ply interfaces as well as from resin interfaces in periodic property, amplitude and multiple reflection behavior. These differences in echo signals provide a very effective and easy way to discriminate and position defects in R-zone by using B-scan, which has been applied to practical nondestructive testing and evaluation of series of R-zones in composite structures. The delamination with 3 mm in diameter and single prepreg ply depth (approximately 0.13 mm)can be found out by the method.

Ultrasonic evaluation; Composite; R-zone; Signal characterization; Defect discrimination

2016-08-28

國家自然科學基金資助項目(61571409,60727001)

劉松平(1962-)，男，博士，研究員，博士生導師，主要從事復合材料及焊接可視化無損檢測新方法新技術新儀器設備研究與檢測應用工作。

劉松平， E-mail：liusping2014@163.com。

10.11973/wsjc201612001

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0001-05