軌道車輛車體用碳纖維復合材料超聲波檢測試驗研究

田 勐,王麗萍,張 勇,程志義,李 凱,王 卓,石永佳

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

碳纖維復合材料在軌道車輛上的應用帶來了兩大變化：一是通過應用碳纖維零部件，減少傳統鋼結構在軌道車輛車體上所占的比重，進而實現整車輕量化。二是增加了軌道車輛運行的安全性，碳纖維材料機械強度和抗沖擊性相比普通材料分別高35%和20%以上，同時不懼酸堿鹽等化學物質的腐蝕，使用壽命長，短時間內經歷較大的溫差可保持零部件的零變形。

碳纖維復合材料制備過程中形成的孔洞、分層等缺陷會嚴重影響其力學性能。碳纖維復合材料的橫向載荷與抗剪能力較低，在沖擊或疲勞等載荷的作用下極易發生損傷直至毀壞，一旦嚴重缺陷漏檢，直接影響軌道車輛行車安全。因此對碳纖維復合材料使用過程中進行無損檢測顯得至關重要。超聲波檢測技術已廣泛應用[1]，碳纖維復合材料強度高、密度小[2]、質量輕[3]，多為非厚度結構[4]，成型過程中易形成孔洞、分層等缺陷[5]，相比其他無損檢測方法，超聲波檢測方法的設備價格低且更適合于現場使用，同時該方法穿透性強，操作簡單，成本低，可以檢測出氣孔、分層、夾雜等內部缺陷，是檢測碳纖維復合材料內部缺陷的一種簡單、實用的方法[6]。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試件

軌道車輛車體用復合材料制件超聲波檢測參照GJB 1038.1A—2004《纖維增強復合材料無損檢測辦法 第1部分 超聲波檢驗》執行。本文采用軌道車輛車體用碳纖維復合材料作為母材制作層壓板對比試塊，圖1為碳纖維復合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像效果，圖2為碳纖維復合材料對比試塊人工缺陷的尺寸和位置分布，試塊厚度為1～3 mm，圓形人工缺陷直徑分別為3 mm、6 mm。

圖1 碳纖維復合材料試塊及噴水耦合超聲C掃描成像

圖2 碳纖維復合材料對比試塊人工缺陷的大小和位置

1.2 試驗方法及試驗設備

1.2.1 常規超聲脈沖反射法檢測

常規超聲脈沖反射法檢測是將一個超聲直探頭直接接觸工件表面并發射和接收能量的超聲波檢測方法，其工作原理是：如果碳纖維復合材料的復合層界面質量不好，如有氣孔、分層、夾雜等缺陷，將導致超聲波的往返透過率不同，從而表現出缺陷回波或底波幅度發生變化。探測前將探頭放置在試塊無缺陷區，始波波峰調整至熒光屏掃描線第一格處，高度調整至滿刻度的80%處。

常規超聲波脈沖反射采用PXUT-F3型超聲波探傷儀。由于碳纖維復合材料層間反射波較強且缺陷波不易分開，為了提高分辨缺陷的能力，應選擇較高頻率且較小尺寸的探頭，因此采用頻率為5 MHz、晶片直徑為6 mm的帶有延遲塊的超聲波直探頭進行檢測，如圖3所示。

圖3 超聲波脈沖反射儀器和探頭

1.2.2 視頻超聲檢測

視頻超聲檢測是一種基于平面陣多晶元超聲實時成像原理的檢測技術，多陣元同時工作和采集圖像，包括A、B、C、D等多種顯示模式，可以直接進行C掃描成像并實時采集厚度信息。視頻超聲檢測技術相較于常規超聲技術，檢測面積大，成像效果精細，可測量直徑和面積，分辨率高；相較于超聲相控陣技術[7]，具有更簡單的參數設置和更高的分辨率，無需編碼器；相較于滾輪線掃描超聲相控陣技術具有靈活的操作和細節的成像效果。

視頻超聲檢測采用的是進口視頻超聲設備，如圖4所示。探頭規格為TRM-DA-10.00MHZ，晶元數量為128×128個，晶片尺寸為32 mm×32 mm,橫向最小分辨率為0.25 mm，根據工件厚度不同可檢出φ1 mm及以上的缺陷。

圖4 視頻超聲儀器和探頭

2 試驗結果

2.1 板厚1 mm區缺陷檢測

分別采用常規超聲檢測設備和視頻超聲檢測設備沿一定方向移動掃查碳纖維復合材料試塊，對碳纖維復合材料試塊1 mm板厚區上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖5～圖10分別為1號、2號、7號、8號、13號和14號缺陷的檢測結果。

圖5 1號φ3 mm缺陷檢測結果圖

圖6 2號φ6 mm缺陷檢測結果圖

圖7 7號φ3 mm缺陷檢測結果

圖8 8號φ6 mm缺陷檢測結果

圖9 13號φ3 mm缺陷檢測結果

圖10 14號φ6 mm缺陷檢測結果

2.2 板厚 2 mm區缺陷檢測

分別采用常規超聲檢測設備和視頻超聲檢測設備沿一定方向移動掃查碳纖維復合材料試塊，對碳纖維復合材料試塊的2 mm板厚區上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖11～圖16分別為3號、4號、9號、10號、15號和16號缺陷的檢測結果。

圖11 3號φ3 mm缺陷檢測結果

圖12 4號φ 6mm缺陷檢測結果

圖13 9號φ3 mm缺陷檢測結果

圖14 10號φ6 mm缺陷檢測結果

圖15 15號φ3 mm缺陷檢測結果

圖16 16號φ6 mm缺陷檢測結果

2.3 板厚3 mm區缺陷檢測

分別采用常規超聲檢測設備和視頻超聲檢測設備沿一定方向移動掃查碳纖維復合材料試塊，對碳纖維復合材料試塊的3 mm板厚區上表面第二層與第三層之間的缺陷、中間兩層之間的缺陷和下表面第二層與第三層之間的缺陷進行檢測。圖17～圖22分別為5號、6號、11號、12號、17號和18號缺陷的檢測結果。

圖17 5號φ3 mm缺陷檢測結果

圖18 6號φ6 mm缺陷檢測結果

圖19 11號φ3 mm缺陷檢測結果

圖20 12號φ6 mm缺陷檢測結果

2.4 結論

以上試驗結果表明，常規超聲脈沖反射技術及視頻超聲檢測技術均可以實現對碳纖維復合材料層壓板1 mm、2 mm、3 mm板厚區上表面第二層與第三層之間、中間兩層之間、下表面第二層與第三層之間φ3 mm、φ6 mm人工缺陷的檢測，但視頻超聲檢測技術的檢測結果顯示圖像比常規超聲脈沖反射技術檢測結果更加直觀，缺陷判別更加容易。

圖21 17號φ3 mm缺陷檢測結果

圖22 18號φ6 mm缺陷檢測結果

3 結束語

隨著碳纖維復合材料應用技術的進步，其在軌道車輛中的應用也在不斷擴展，其內部缺陷的檢測已受到廣泛關注。通過以上試驗，常規超聲脈沖反射技術實現了碳纖維復合材料層壓板不同厚度、不同深度、不同孔徑內部缺陷的檢測，并采用視頻超聲技術驗證了與超聲波脈沖反射技術檢測結果的一致性，但針對蜂窩和泡沫夾層結構的碳纖維復合材料待進一步試驗驗證。就設備價格而言，視頻超聲技術檢測設備價格較貴，常規超聲脈沖反射技術檢測設備價格較低；但就檢測結果的圖像顯示效果而言，視頻超聲檢測技術更加直觀，缺陷判別更加容易。如果條件允許，將視頻超聲檢測技術應用在碳纖維復合材料內部缺陷的檢測上也是一種行之有效的辦法。