復合材料分層缺陷的激光超聲檢測

(南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016)

飛行器的研制是未來國家軍事安全需求的重要體現，由于復合材料具有質量輕、強度高等優點，已成為飛行器大面積及特殊部件的重要選材。但是，復合材料的制造工藝復雜獨特，生產過程中存在很多不穩定因素，導致復合材料的內部結構容易出現瑕疵，其中分層缺陷是最常見的內部缺陷。此外，復合材料在使用過程中也會因外部因素產生不同程度的損傷。因此，需要探索切實可行的方法檢測復合材料，以提高飛行器的服役壽命[1]。

目前，超聲檢測法被廣泛應用于材料的無損檢測等工程應用領域，其檢測精度及檢測效率較高，但是常規超聲法需要耦合劑，對材料表面要求較高。而激光超聲技術具有超聲檢測法與光學法的獨特優勢，適用于高溫、高壓、強腐蝕等惡劣環境，能夠真正實現非接觸式測量[2]。國內外眾多科研團隊也對此技術進行了深入研究，TANAKA等[3]利用激光超聲技術對碳鋼中的微小內部缺陷進行了檢測，檢測精度得到提高；PERTON等[4]通過增加激光脈沖能量來評估黏合強度，驗證了激光超聲的可行性；FOMITCHOV等[5]開發了一種可工作于高溫高壓環境的激光超聲系統，并成功檢測出制造過程中復合材料部件固化的實時信息；FOCKE等基于激光超聲對復合材料熱成型過程中不同尺寸表面缺陷進行了檢測，實現了對零件的全面掃描。國內周正干和沈中華團隊在此方面的貢獻頗為顯著，沈中華等研究了激光超聲的表面波熱彈效應及表面波傳播機制，探討了針對不同材料表面缺陷的不同接收方法，取得了良好的檢測效果[6]；周正干等[7]分別研究了傳統超聲法與激光超聲法檢測復合材料的分層缺陷，通過對比得出激光超聲技術用于復合材料檢測的獨特優勢。

多年來，國內外眾多科研團隊在激光超聲儀器設備、檢測系統性能和檢測方式等方面進行了深入研究，并取得了豐碩的成果，但是激光超聲損傷檢測技術仍處于起步階段，尚需進一步研究。第一，激光超聲設備體積龐大，不易于攜帶，僅適用于試驗研究；第二，激光超聲檢測方式主要有脈沖反射法與透射法，透射法僅能用于缺陷識別，而反射法多用于缺陷定位，識別性不強；第三，現階段，試驗人員多通過波形信號對缺陷信息進行分析定位，激光超聲檢測設備的可視化性能研究尚未成熟。筆者以激光超聲損傷檢測的可視化研究為立足點研究了一種復合材料內部分層缺陷的偽彩重構方法。首先，基于激光超聲技術研究了一種復合材料厚度測量及分層缺陷的無損檢測方法；其次利用構建好的激光超聲系統，采用脈沖反射法對復合材料加筋板進行檢測，將接收到的信號進行分析與處理，得到厚度及分層缺陷的相關信息，對分層缺陷進行定位;最后基于三次樣條插值算法實現了復合材料內部分層缺陷的可視化偽彩重構。

1 激光超聲檢測技術基本原理

激光超聲是指利用強度受調制的脈沖激光束在氣體、液體及固體中激發產生超聲波的物理過程[8]。當脈沖激光能量聚焦輻照被測材料表面時，部分激光能量會被固體材料本身吸收,并轉化為熱能及應力波動能，材料局部溫度驟升產生熱膨脹，熱彈效應或熱蝕效應在固體材料表面產生應變和應力場，使粒子產生波動，從而在材料內部及表面傳播形成超聲波[9]。因此，可以通過超聲波在材料內部及表面傳播過程中能量的衰減及路徑的變化實現對材料缺陷信息、結構信息的表征。

圖1 激光超聲檢測原理示意

激光超聲檢測原理示意如圖1所示。圖1(a)為脈沖反射法原理，是指脈沖激光器與激光干涉儀位于被測材料同側，處于同點激發與接收，脈沖激光器激發出的超聲波在材料內部傳播，利用被測材料的缺陷回波及底面反射回波的能量幅值表征相關信息；圖1(b)為透射法檢測原理，是指脈沖激光器與激光干涉儀位于被測材料異側，根據超聲波的能量衰減程度來表征材料內部的缺陷情況[10]。

研究采用脈沖反射法對復合材料的厚度及內部分層缺陷進行了檢測，使用脈寬為8 ns的Nd∶YAG脈沖激光器作為激光源，調節其輸出能量約為200 mJ，焦斑直徑為1 mm，測量用激光器的焦斑直徑為200 μm。

2 復合材料分層缺陷檢測及定位

目前,在先進的飛機機身及機翼等結構上，都廣泛采用復合材料加筋板，不同厚度的加筋板使得飛機在結構強度得以保證的基礎上，不僅節約了材料，還減輕了飛機的自重。但是復合材料加筋板在熱壓成型過程中容易產生內部缺陷，因此應用如圖2所示的激光超聲無損檢測系統對復合材料不同厚度的部位及分層缺陷進行檢測研究。

圖2 檢測裝置及樣品外觀

2.1 超聲波傳播速度計算

復合材料中超聲波的傳播速度與超聲波的激發方式及復合材料的不同結構有關，因此在進行厚度測量之前，需要先標定出碳纖維材料板內部的超聲波傳播速度，此后的厚度測量及缺陷定位將基于此波速進行計算。

選用熱壓成型后的標準碳纖維材料加筋板作為標準試件用于速度的標定計算，加筋板試件結構示意如圖3所示，復合材料左側標注的無缺陷區域為標準區域，總厚度為13 mm，其中薄板的厚度為3 mm，筋高為10 mm，模擬的內置分層缺陷位于右側半筋高處，即距離上表面8 mm處。

圖3 加筋板試件結構示意

在標準試件的左側對應上表面施加激光超聲點光源，采用脈沖反射法同點激勵同點接收激光超聲信號，將提取到的超聲A掃信號進行小波降噪和帶通濾波，由于需要快速得到信號的渡越時間(Time of Flight，TOF)，所以需要提取降噪濾波后的信號包絡，使提取后的窄帶激光超聲信號具有較清晰的信號波形包絡及較高的分辨率。采用基于Morlet小波的連續小波變換提取信號的時域包絡圖，迅速提取信號的包絡波峰，計算渡越時間。

圖4 標準試件無損區域A掃波形

標準試件無損區域A掃波形如圖4所示，藍色線代表激光超聲一個往復周期內的信號波形，紅色線代表經過連續小波變換后的信號包絡時域圖，讀取包絡圖中峰值點對應的橫坐標，即可計算出信號的渡越時間Δt0=t2-t1，已知無損區域的厚度d為13 mm，根據公式v=2d/Δt0可以計算出超聲波的傳播速度。由于一次樣本比較單一，所以根據實際情況在同一溫度下進行多次試驗取平均值，盡量降低測量誤差。經計算，該溫度下復合材料加筋板內部超聲波的傳播速度約為3 324.8 m·s-1。

2.2 基于渡越時間的厚度測量及分層缺陷深度定位

由于復合材料加筋板不同結構區域的厚度不同，所以基于渡越時間檢測復合材料加筋板的不同厚度，并在材料內部預置分層缺陷模擬實際因復雜加工工藝可能產生的內部分層缺陷，對分層缺陷進行深度定位。

首先對加筋復合材料的不同薄板區域進行檢測，采集一個回波周期內的信號，并進行信號處理，分析計算出薄板區域的厚度。

圖5 不同厚度薄板的激光超聲信號波形

圖5為不同厚度薄板的激光超聲信號波形，圖5(a)為厚度3 mm薄板的測量信號，從經過信號處理后的包絡時域圖中獲取信號的渡越時間，并根據標定的波速進行厚度測量，經計算，此時薄板區域的厚度約為3.23 mm，誤差為7.7%；圖5(b)為厚度5 mm 薄板的測量信號，經計算，此時薄板區域的厚度約為4.99 mm，誤差為0.2%。通過波形圖的對比及厚度的計算，可以表征出薄板區域在熱壓成型過程中厚度的變化。

分別對有無分層缺陷的復合材料加筋部位進行檢測，對有無分層缺陷的信號波形進行了分析對比，并計算材料的厚度及缺陷的深度，從而實現分層缺陷的定位。

圖6 加筋部位的激光超聲信號波形

加筋部位的激光超聲信號波形如圖6所示，通過對比，可以得出：在有、無分層缺陷處激光激發的始波信號峰值重疊且峰值最高，底面回波信號峰值降低，這是由于材料本身及內部缺陷對超聲波的吸收，超聲波在傳播過程中能量損失，幅值下降。無缺陷波形的底面回波信號峰值要明顯高于有缺陷波形的，這是因為缺陷與超聲波耦合，超聲波能量衰減；有缺陷波形的始波與底面回波之間明顯出現一個峰值介于始波與底面回波峰值之間的波包，推斷超聲波傳播至此處與缺陷發生耦合。綜上，通過有無缺陷信號對比可以判斷出材料有無缺陷區域。

分層缺陷信號包絡如圖6(b)所示，對采集的超聲信號進行連續小波變換，得到其信號包絡時域圖，讀取對應始波、缺陷回波、底面回波的時間，計算時間差，從而得到加筋部位的厚度及分層缺陷的位置。經過計算，測定的復合材料加筋部位的厚度為12.63 mm，與材料的實際厚度相比，誤差為2.8%。測定的分層缺陷位置約為距離上表面7.61 mm，與已知的分層缺陷位置相比，誤差為4.9%。

2.3 定位誤差分析

由2.2節所得的測量結果可知,該系統具有較高的空間分辨率，該系統分辨率主要由軟件系統厚度檢測及缺陷定位模塊中的包絡提取算法決定。使用該算法提取的信號包絡具有較高的空間分辨率，可自動提取包絡幅值譜中的聲波渡越時間，并結合設定的超聲波波速進行計算。

經過多次測量及定位，發現雖然進行測量定位時數據的采集與計算浮動較大，但是總體定位相對誤差小于5%，能夠較準確地定位缺陷的深度，具有較高的檢測精度。進一步分析誤差產生的原因有：

(1)測量誤差。激光干涉儀的測量角度是影響采集精度的重要因素，而采集精度決定了采集到的波形信號是否具有較清晰的波形特征，從而對測量精度造成影響。此外，信號處理時小波降噪在不同程度上會使波形的特征點散失，并且激光超聲信號是寬頻帶信號，在進行帶通濾波時必然會濾除有用信號，造成頻譜泄漏。該誤差屬于試驗中產生的隨機誤差，可以通過調整激光干涉儀角度進行多次測量，或經測試選擇更精確的通帶范圍等方法減小誤差。

(2)材料及加工誤差。被測復合材料結構復雜，屬于層合結構，在制作和加工過程中很難保證材料不同薄板區域的厚度均勻。另外，復合材料的層狀各向異性易導致激光超聲聲束在材料內部傳播時發生畸變和傾斜，聲束能量劇烈衰減。此外，薄板信號的底面回波信號不明顯，影響包絡提取算法的提取精度。

3 復合材料內部分層缺陷重構

為了更直觀地查看復合材料的內部分層缺陷，在激光超聲A掃回波信號的基礎上，基于三次樣條插值算法重構出了材料的激光超聲B掃重構圖，并有效地表征了材料的特殊加強筋結構及內部分層缺陷。

圖7 掃描檢測點示意

掃描檢測點示意如圖7所示，采用振鏡掃描的方式對加筋板的上表面x軸方向取等間隔5個位置區域單獨激勵形成超聲波，并利用激光干涉儀接收回波信號，通過采集卡一共采集5 120個點，分別從中提取一個回波周期內的回波信號進行x-z面重構。

通過對線性插值算法、Hermite插值算法及三次樣條插值算法的比較，得出線性插值算法在分段點上連續但不可導，精度最低，但實時性較高，Hermite插值算法在分段點上連續且有一階導，精度一般但較復雜，而三次樣條插值函數可以滿足光滑的需求，且精度較高，因此選用三次樣條插值算法對x-z截面進行了插值重構。

將采集到的5組1 024點的一維數組作為插值基準，采用三次樣條插值算法進行插值形成1 024組一維矩陣，插值重構原理示意如圖8所示，由于三次樣條插值算法具有光滑特性，能夠滿足重構的需求，且具有一定的重構精度。接下來將此1 024×1 024 的二維矩陣中每一個數值作為圖像的像素值，并根據CLUT(顏色查找表)的表項入口地址查找用于重構成像的RGB色彩強度值，根據查找出的RGB強度值進行圖像偽彩重構。

圖8 插值重構原理示意

樣品B掃截面重構圖如圖9所示，樣品的重構圖有效地表征了復合材料加筋板的特殊結構及分層缺陷的位置，重構出了復合材料樣品的薄板及加強筋位置，但是加強筋與薄板連接處信號也較強，推測是因為薄板與加強筋連接處的圓角鋪層位于聲場近場區，對信號的反射有一定的增幅作用。由圖9可以獲得分層缺陷的位置，為缺陷的評估提供了有價值的信息。

圖9 樣品B掃截面重構圖

4 結語

首先研究了激光超聲檢測復合材料內部缺陷的基本檢測原理，并利用搭建好的激光超聲檢測系統進行了復合材料厚度的測量及缺陷深度的定位，并基于三次樣條插值算法實現了對分層缺陷的激光超聲B掃圖重構。通過以上研究，驗證了激光超聲技術用于復合材料內部分層缺陷檢測的可行性，且該技術用于復合材料分層缺陷檢測時具有較高的空間分辨率及測量精度。研究的可視化重構方法仍然存在一定的局限性，由于該方法是基于回波信號進行重構的，對信號的包絡性要求較高。此外，由于采用三次樣條插值算法進行缺陷重構，所以采樣點的數量對重構信息有較大的影響，后續需要研究更高精度的插值算法以提高檢測效率。研究的方法適用于材料制備中厚度變化及成品缺陷的檢測及定位，可實現金屬樣件及鋪層緊密的復合材料的無損檢測，對于材料在制造過程中制造缺陷的檢測與分析有積極的意義。