蜂窩共固化結構高分辨率超聲C掃描方法及應用

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(1.中國航空工業集團公司技術基礎研究院， 北京 101300;2.北京航空航天大學 機械工程及自動化學院， 北京 100083)

共固化是一種較為高效的復合材料整體結構制造方法，目前已廣泛用于復合材料蜂窩夾芯結構的制造中。與多次膠接固化成型的復合材料蜂窩夾芯結構相比，共固化蜂窩結構在成型過程中，不同部件之間的連接在一次固化過程中就可完成。因此，通常要求對此結構中的各部件及其連接部位進行無損檢測。對于工程應用中的蜂窩結構，特別是鋁蜂窩膠接結構，敲擊和聲振檢測方法是兩種廉價的無損檢測方法[1-4]，這類檢測方法是基于聲波在被測蜂窩結構中產生的振動響應特性對缺陷進行判別的，對蒙皮-蜂窩芯界面較大的空隙脫粘敏感，比較適合金屬蜂窩結構中較大的空隙脫粘的檢測。隨著各種復材蜂窩夾芯結構在飛機工業中的廣泛應用，對其的檢測要求也不斷提高，除了要求檢出蒙皮-蜂窩芯膠界面較大的空隙脫粘外，還要求檢出蒙皮中的分層、夾雜、疏松、貧膠等缺陷，而且要求給出檢出缺陷的確切位置。在這種情況下，敲擊、聲振、紅外等檢測方法就顯得力不從心了。而超聲檢測是基于聲波在材料中的彈性響應和傳播行為進行缺陷檢測和判別的，即使是一些小的缺陷，往往也會引起顯著的彈性響應和傳播行為的變化。因此，超聲方法是復合材料層壓結構中的分層、夾雜、疏松、貧膠、孔隙、沖擊損傷等缺陷的主要檢測方法[5-6]，也易于實現自動化檢測和可視化快速檢測[7]。

超聲檢測方法主要有兩種，一種是采用超聲穿透法對復合材料蜂窩結構進行無損檢測[8]。使用超聲穿透法時，入射聲波需要經過多次蒙皮-蜂窩界面的反射和透射，加上結構中的聲波衰減非常強烈，使得透過的超聲信號更加微弱，而提高增益又會使信噪比明顯變差，因此，當蜂窩芯高度超過40 mm時，一般不宜采用這種檢測方法；另一方面，超聲穿透法難以確定檢出缺陷的具體深度位置；且當蜂窩芯壁與蒙皮的相對幾何位置出現傾斜或者蜂窩芯不垂直蒙皮時，易得到不正確的結果顯示。另一種方法是超聲反射法[6,9-10]，其可以彌補穿透法的上述不足，但由于復合材料蜂窩結構(包括多次膠接和共固化蜂窩結構)的蒙皮通常比較薄(一般小于2 mm厚)，需要采用的超聲檢測技術(包括檢測儀器設備和換能器)必須具有非常高的縱向分辨率和非常小的表面檢測盲區。解決的途徑之一是采用20 MHz～30 MHz的高頻超聲檢測方法[9-10]，但過高的檢測頻率會影響聲波的穿透能力。

筆者介紹了一種基于寬帶窄脈沖的超聲C掃描檢測方法，該方法可在不明顯提高超聲波檢測頻率的情況下，獲取高的檢測分辨率和微小的檢測盲區，實現復合材料蜂窩夾芯共固化結構的無損檢測和缺陷定量評估。

1 檢測方法

1.1 檢測原理與缺陷判別方法

利用入射脈沖超聲波在被測復合材料蜂窩夾芯共固化結構中形成的反射聲波進行缺陷檢測的原理示意如圖1所示。該方法通過超聲換能器向被測結構部位發射超聲脈沖波I，I在共固化結構中形成入射聲波，當上蒙皮(對應圖1中聲波入射一側的蒙皮)及上蒙皮-蜂窩夾芯膠接界面沒有缺陷時(見圖1中位置1)，入射聲波在上蒙皮中會形成反射聲波F和B1，經換能器接收和轉換為對應的時域可分辨的超聲回波信號F和B1，如圖1(b)所示。圖1(b)中，F為來自上蒙皮表面的反射聲波信號；B1為來自上蒙皮-蜂窩芯界面的反射聲波信號；tFB1為F與B1之間的時間間隔，對應聲波在上蒙皮中的傳播時間;B2為來自蜂窩芯-下蒙皮界面的反射聲波信號；B3為來自下蒙皮底面的反射聲波信號。

由于受蜂窩壁幾何尺寸(邊長和壁厚)限制和蜂窩壁中聲波衰減等因素的影響，通常B2和B3幅值遠小于B1。

圖1 復合材料蜂窩共固化結構反射法檢測原理

當上蒙皮-蜂窩芯存在脫粘時(見圖1中位置②)，入射聲波將會在蒙皮-蜂窩芯脫粘部位產生反射聲波D1，且D1在時域上出現在B1位置附近，用tFD1表示F與D1之間的時間間隔，在忽略膠膜厚度的情況下，tFD1≈tFB1，在其他條件相同時，此時D1的幅值會明顯大于B1的幅值。

當蒙皮內部存在缺陷(如分層)時(見圖1中位置③)，入射聲波會在缺陷周圍產生反射聲波D2，且會有tFD2

因此，當所采用的超聲檢測系統和換能器接收到的超聲回波信號F、B1、D1、D2在時域上可分辨時，即可利用上述方法對復合材料共固化蜂窩結構實施檢測，進行缺陷判別并確定缺陷的具體位置。

1.2 檢測設備

為了實現復合材料共固化蜂窩夾芯結構的反射法檢測，筆者所在團隊研制了高分辨率超聲自動掃描檢測系統(MUI-21和 CUS-6000)和FJ系列高分辨率超聲換能器。該檢測系統采用寬帶窄脈沖激勵方式，主要由超聲發射/接收單元、信號處理單元、掃描機構、控制單元、成像顯示單元以及超聲換能器與水耦合系統等構成(見圖2)。其中，超聲單元與FJ系列換能器(點聚焦，焦點直徑在0.5～0.8 mm之間選擇，焦距在45～60 mm之間選擇，頻率在5 MHz～10 MHz之間)匹配，產生寬帶窄脈沖超聲波信號，并保證在時域上能夠清晰地分辨出來自共固化結構中的超聲回波信號F和B1;耦合可選擇噴水或水膜耦合方式。根據共固化結構的幾何特征，可選擇采取垂直或水平姿態進行超聲掃描檢測。檢測時，根據這類結構件的大小和缺陷檢出要求，選擇(x，y，z)掃描機構的掃描范圍、步進量和掃描速度。通過設置超聲信號閘門和信號增益，獲取B1、D1、D2和tFB1、tFD1、tFD2等檢測信息，用于檢測結果的超聲成像顯示，進行檢出缺陷定量評估，確定其大小、深度位置與性質等。

圖2 復合材料蜂窩共固化結構反射法檢測系統基本構成

2 對比試樣制備

圖3 對比試樣的結構及缺陷大小與分布示意

根據被測復合材料蜂窩夾芯共固化結構的幾何和工藝特征，設計制備了一典型的超聲檢測對比試樣，試樣由上下蒙皮和蜂窩芯構成，蒙皮厚度約2 mm，選用中航復合材料有限責任公司生產的T300碳纖維/BA9916環氧樹脂基預浸料，其單個鋪層的標稱厚度約0.125 mm，采用多向鋪層。蜂窩芯選用中航復合材料有限責任公司生產的NRH-2-48(0.05)型號產品。蒙皮-蜂窩芯膠膜型號為J-272C，厚度約0.25 mm。試樣中分別預置有上下兩排脫粘，大小及其分布如圖3所示，采用放置聚四氟乙烯薄膜方式模擬蒙皮-蜂窩芯脫粘，缺陷間的設計間距約為50 mm(實際放置和成型過程中，可能會有少量的偏移，但不影響缺陷的模擬)，其中，第1排為蒙皮-蜂窩芯界面的膠膜下脫粘，即膠膜-蜂窩芯脫粘；第2排為蒙皮-蜂窩芯界面的膠膜上脫粘，即蒙皮-膠膜脫粘。圖3中兩排模擬脫粘所用的聚四氟乙烯薄膜的直徑依次為3，6，12 mm，由于受蜂窩芯格的影響，在試樣中形成的實際脫粘缺陷會與相對應的聚四氟乙烯薄膜的尺寸有所不同，蜂窩格邊長b越大，這種差異會越大，缺陷偏差一般不會超過2b。在實際檢測中，一般用所放置的聚四氟乙烯薄膜的尺寸表征模擬脫粘的大小，以此設置檢測靈敏度和評定檢出脫粘大小。

3 檢測結果與分析

3.1 超聲回波信號特征及其分析

圖4(a)和(b)分別為對比試樣中無缺陷區和膠膜上脫粘缺陷區的典型超聲A掃描回波信號，圖中F為來自蒙皮表面的聲波反射信號，稱為F波；B1為來自蒙皮-蜂窩芯界面的聲波反射信號，稱為B1波；D1為來自蒙皮-蜂窩芯界面脫粘的聲波反射信號，稱為D1波；1為D1波的二次聲波反射信號。

選擇10 MHz的FJ系列高分辨率超聲換能器，點聚焦，焦點約0.8 mm，焦距約50 mm。從圖4可清晰地看出其具有以下特征：

(1) F、B1、D1、1波具有高質量的單周脈沖特性，在時域上能夠清晰地分辨出入射聲波在蒙皮、蒙皮-蜂窩芯界面和脫粘周圍產生的反射信號F、B1、D1、1。

(2) F、B1、D1、1波存在相位變化，其中F波與D1波的相位正好相反，這與F波與D1波遇到的反射界面不同有關。

(3) B1波與D1波的形狀不同，在無缺陷區，B1波會出現多個小波峰，而在脫粘區，D1波呈現明顯大的單波峰特征，這與B1波和D1波遇到的反射界面密切有關。

(4) 另一個更為重要的信號特征是，在缺陷區，D1波的幅值比B1波的幅值明顯大，二者相差約11 dB。

圖4 典型超聲A掃描顯示信號

圖4中的檢測結果表明，根據B1波的變化和D1波的特征，可以非常清晰地進行脫粘缺陷的判別,基于這些超聲信號特征，設置相應的檢測參數，即可通過C掃描成像方式實現蜂窩共固化結構的無損檢測與缺陷定量評估。

3.2 試樣的超聲C掃描結果及其分析

圖5為對復合材料蜂窩夾芯共固化結構試樣進行超聲C掃描得到的典型檢測結果，檢測采用反射法，掃描速度為100 mm·s-1，步進為1 mm。從圖5中可以清晰地看到蜂窩格呈現出均勻分布規律，如圖中字母C所標示的白色亮斑所示，灰度越亮處對應的超聲信號幅值越大。試樣中的兩排預置脫粘缺陷也非常清晰，其中，靠近下部的3個檢出缺陷F1、F2、F3為試樣中第一排蒙皮-蜂窩芯膠接界面中的膠膜下脫粘缺陷(即膠膜-蜂窩芯界面脫粘)的檢出結果，其大小和分布特征與圖3中對應的第一排膜下脫粘完全一致。從圖5中還可以得到膠膜下脫粘的尺寸，如表1所示，為了比較脫粘的特征尺寸，這里采用缺陷水平方向(即x方向)和垂直方向(即y方向)的等效投影長度表征脫粘的尺寸大小，用|Δx|表示在x方向超聲C掃檢出缺陷尺寸與試樣中設計脫粘尺寸的偏差，用|Δy|表示在y方向C掃檢出缺陷尺寸與設計脫粘尺寸的偏差。這里，缺陷的設計尺寸以在脫粘區放置的聚四氟乙烯的尺寸為參考。從表1可以看出：① 檢出尺寸與設計值之間的最大偏差為2 mm，最小偏差為1 mm，根據試樣選用的蜂窩芯規格，蜂窩格的邊長為2 mm(即b=2 mm)，最大的檢出缺陷偏差均在2b(4 mm)內，表明膜下脫粘超聲C掃描檢出尺寸與缺陷設計值的一致性較好；② 檢出的3個膜下脫粘F1、F2、F3的分布特征與圖3給出的設計預期分布規律非常吻合。

圖5 蜂窩共固化結構試樣的超聲C掃描成像結果

表1 膜下脫粘檢出尺寸與設計值的對比mm

從圖5還可看出，相比試樣中膜下脫粘的成像顯示，位于蒙皮-蜂窩芯界面的膜上脫粘缺陷更清晰可見，如圖5中F4、F5、F6標示的白色亮斑區，其分布及對應的尺寸與圖3中的設計值完全一致，且從圖中可得出F4、F5、F6的尺寸，如表2所示。從表2可以看出：① 膜上脫粘檢出尺寸與設計值之間的最大偏差|Δx|max=|Δy|max=2 mm，最小偏差|Δx|min=|Δy|min=1 mm，而且|Δx|max<2b,|Δy|max<2b，表明超聲C掃檢出的膜上脫粘的尺寸與設計值一致性較好；② 膜上脫粘F4、F5、F6的分布特征、相對位置與圖3中的設計結果同樣非常吻合。

表2 膜上脫粘檢出尺寸與設計值的對比 mm

比較表1 和表2中的脫粘檢出結果，可以看出，膜下脫粘檢出尺寸比膜上脫粘檢出尺寸受蜂窩芯的影響要明顯一些。例如，膜上脫粘F6的檢出尺寸與設計值幾乎一致，膜下脫粘F3的檢出尺寸在x和y方向的等效投影長度與設計值的偏差分別為|Δx|=1 mm、|Δy|=2 mm。

比較圖5中膜上和膜下脫粘的超聲C掃圖像灰度可以清晰地看出，膜上脫粘對應的灰度要比膜下脫粘對應的灰度更加明亮些。這是因為入射超聲波在膜上脫粘形成的反射信號要比在膜下缺陷形成的反射信號更加強烈，主要是膜上脫粘和膜下脫粘缺陷所形成的等效聲波反射面積不同造成的：在膜上脫粘區，等效聲波反射面積差ΔSu為缺陷區內整個聲束的作用面積；而在膜下脫粘區，等效聲波反射面積差為聲束作用面積內的蜂窩芯壁的截面積之和ΔSc，由于采用的換能器的聲束面積Su遠比聲束作用面積內的蜂窩壁的截面積之和ΔSc大，即有ΔSc?ΔSu，再加上來自膜下缺陷的聲波在膠層中的衰減和聲波在蒙皮-膠膜界面的反射引起的入射聲波損失，在其他條件一定時，來自膜上脫粘的聲波反射信號要比來自膜下缺陷的聲波反射信號要大。因此，在超聲C掃圖像中，對應膜上脫粘的灰度要比膜下脫粘的灰度更加明亮。

除了圖5中膜上和膜下脫粘清晰可見外，在掃描圖像的右側，還有一條淺灰色帶，如圖中Fu所標示的灰度區所示，其從上到下呈現規則分布，這可能與試樣制作時，在該部位左右兩側的膠膜拼接有關。

3.3 零件的超聲C掃檢測結果及其分析

利用所建立的高分辨率超聲C掃檢測方法及其檢測設備，在系列檢測驗證試驗的基礎上，對大量的復合材料蜂窩共固化結構零件進行了實際檢測應用和結果分析，這些共固化結構零件的蒙皮材料、蜂窩芯、成型工藝等，與對比試樣一致。圖6中給出了某蜂窩共固化結構零件的C掃描檢測結果，其檢測參數與檢測試樣時的相同。由于實際零件非常大(長達3 500 mm)，為了清晰地顯示C掃描結果，在圖6中僅給出了其C掃描的一部分。從圖6中可以非常清晰地看出：① 被測零件內部蜂窩芯分布非常均勻，沒有出現圖5中所示的蒙皮-蜂窩芯脫粘的灰度顯示；② 沒有出現蒙皮區缺陷的灰度顯示，因為圖中對應蜂窩芯的灰度分布非常均勻，這表明入射聲波能夠正常透過蒙皮到達蒙皮-蜂窩芯界面，而如果在蒙皮區存在缺陷，則會影響入射聲波在蒙皮-蜂窩芯界面的反射，從而導致C掃結果中，相應蜂窩芯的灰度分布異常，相關的檢測應用結果將在后續的有關論文中介紹；③ 顯示出了被測零件內部加強筋的形狀及其分布特征(如圖中A1、A2、A3、A4所標示的矩形淺灰色區所示)，也能清晰地看出零件四周邊緣的筋條區，只是圖中給出的是部分成像結果，其左右邊緣的筋條區沒有在圖中顯示出來。

圖6 某復合材料共固化蜂窩結構零件的部分超聲C掃成像結果

4 結論

基于超聲反射原理，利用高分辨率超聲檢測方法和研制的檢測系統，可以清晰地提取來自被測復合材料蜂窩夾芯共固化結構中蒙皮、蒙皮-蜂窩芯的界面回波信號，而且時域可分辨、信號質量非常高，同時可以觀察到回波信號的幅值和相位變化細節。檢測結果表明，蒙皮-蜂窩芯無缺陷區和脫粘區的回波幅值相差11dB左右，且來自脫粘和無缺陷區的回波信號的波形和相位規律也明顯不同，蒙皮-蜂窩芯脫粘檢出尺寸與設計值的偏差均在單個蜂窩格邊長范圍內。利用該方法可以有效地實現此類共固化結構的無損檢測和缺陷定量評估。利用超聲C掃圖像及其灰度分布規律可以實現：① 對缺陷進行定量評估；② 對蒙皮-蜂窩芯膠接界面的膜上脫粘和膜下脫粘進行識別；③ 得到有關被測蜂窩共固化零件內部的結構變化特征。文章為復合材料蜂窩共固化結構提供了一種非常有效的無損檢測方法和手段。