超聲波頻譜分析下的復合材料層合板與金屬板連接處質量無損檢測技術

朱國勝

（國營蕪湖機械廠，安徽蕪湖 241000）

復合材料層合板應用廣泛，實際使用中通常與金屬板連接，發揮二者的結構性能，以適應不同研究領域應用需求[1]。兩種材料連接時，連接處因材料特性的差異會影響連接處質量，連接方式也會不同程度改變連接處的連接結構與連接強度。因此在完成連接操作后需要對連接處進行質量檢測。

李翰超等[2]利用電磁通量密度差異，檢測金屬材料的表面缺陷。李樹彬[3]利用聲波信號的反射定量，對錨桿進行了無損檢測。王媛媛等[4]利用光纖布拉格光柵傳感原理，設計了無損檢測系統，檢測了金屬表面缺陷。陳勁等[5]將紅外熱成像法與超聲波結合，存在溫差的構件內部缺陷進行了檢測。但是以上這種無損檢測技術只能實現對金屬表面缺陷進行檢測，在對于構件內部缺陷檢測時的檢測精度較低，不能滿足實際應用需求。

為了解決上述問題，文章利用超聲波頻譜研究復合材料層合板與金屬板連接處質量無損檢測技術。

1 建立復合材料層合板與金屬板連接結構的有限元模型

復合材料層合板與金屬板連接方式為單釘單剪連接和接頭搭接相結合的方式。在進行無損檢測時，需要分析連接處的受力情況，以便于提升無損檢測效率。因此，文章利用有限元原理建立兩種材料連接處的結構有限元模型，來分析單釘單剪連接處的受力情況。

在ABAQUS 中，根據復合材料層合板、金屬板的彈性模量、剪切模量、泊松比等材料性能和尺寸信息，建立復合材料層合板、金屬板、螺栓的三維實體模型，具體如圖1所示。

圖1 結構有限元模型示意圖

在受力時從面會被主面侵入，從而發生形態變化。超聲波在層合板各層、金屬板的傳播時間存在差異[6]。結合有限元模型，利用該特性劃定缺陷大致區域，可以確定超聲波檢測主要位點。

2 無損檢測超聲信號處理

將超聲波照射至復合材料層合板和金屬板連接處，可以利用超聲波成像對材料內部質量缺陷分布顯示，而利用超聲波的聲學特性可以檢測材料的力學性能。綜合超聲波成像和聲波信號頻譜分析，可以得到無損檢測結果。對連接處無損檢測的超聲信號處理分為對連接處成像進行處理以及對聲波信號預處理兩個部分。

超聲波信號對材料連接處成像，對超聲圖像進行銳化濾波以得到質量缺陷位置的高質量圖像。使用拉普拉斯濾波模板對超聲圖像進行處理。由于連接處材料組成差異較為明顯，使用全局閾值分割處理，分離質量缺陷與非質量缺陷區域像素。計算超聲圖像的平均像素灰度值，將該值作為閾值按照下式分割圖像[7]。

其中，v（x，y）為銳化濾波處理后的圖像；（x，y）為圖像像素點坐標。

對初步分割的圖像分別計算兩部分的平均灰度值g1、g2，以兩個子圖像平均灰度值的類間方差，更新分割閾值。類間方差計算公式如下[8]：

式中，m為超聲圖像的灰度等級；Li為灰度等級對應概率值。

重復上述過程，當類間方差最大，完成對圖像的分割。

超聲波射入連接處平面的角度以及材料阻抗會改變超聲波波形。因此，在頻譜分析前，從時域上對超聲信號進行去噪處理。使用小波閾值去噪方法對超聲信號降噪。若含噪超聲信號為F，噪聲為z，經信號離散化后使用軟閾值門限原理分解信號。計算公式如下[9]：

式中，δ為軟閾值門限；β為噪聲強度；N為離散后的信號長度；l為小波分解信號長度。初步處理信號后，在頻域中對信號進行頻譜分析。

3 頻譜分析實現連接處質量無損檢測

對離散后的超聲信號X（t）進行快速傅里葉變換，變化公式如下。

式中，fs為離散后的信號頻率，其數值為信號采樣間隔的倒數；μ為等間隔沖激序列的子序列；X（ω）為信號頻譜；n為采樣點數量；ωs為頻域中的信號采樣頻率。

超聲波信號經過連接處質量缺陷位置時，信號幅值發生變化。超聲波接收端接收信號能量E與接收信號的頻域幅值關系如下[10]：

式中，A（ωn）為頻域中的信號幅值。

超聲信號傳輸至連接處缺陷位置時，發生散射并改變了接收出的頻率成分。超聲信號中的高頻快速衰減，使得窗口內的主瓣寬度和中心頻率向低頻移動。計算連接處的能量衰減變化率，表征質量缺陷。質量缺陷越多接收端接收信號能量衰減越嚴重。結合超聲成像結果，即可得到對兩種材料板材連接處的質量檢測結果。

4 檢測技術性能驗證研究

4.1 檢測技術驗證方案

技術驗證選用的檢測樣本均為碳纖維增強樹脂基復合材料層合板與鋁合金連接組成。層合板單層厚度為0.15 mm，鋁合金板厚度為4 mm，兩個板材長度均為280 mm，連接處長度為120 mm。樣本的連接螺栓孔徑為8 mm，孔徑邊距比約為3。材料的基礎參數見表1。

表1 試驗樣本材料參數

本次無損檢測技術驗證以超聲波頻譜分析技術的檢測結果與基于渦流、基于紅外熱成像法檢測技術進行對比。為避免對檢測結果產生干擾，在無外界光照等干擾條件的室內完成對樣本質量檢測。技術驗證的對比指標為檢測樣本時，各個不同檢測技術的有效缺陷檢測出率、誤檢率以及缺陷孔隙定位偏差三個指標。分析技術性能驗證指標數據，評價所研究的檢測技術是否具有實際可行性。

4.2 驗證數據分析

按照人為處理樣本的缺陷數量、種類，將100個材料樣本平均分為10組。檢測技術對各組樣本進行連接處質量檢測，以組內檢測的平均值為最終的檢測結果。不同檢測技術對樣本質量檢測的有效檢出率、誤檢率統計結果見表2。

對表2中的數據進行分析可知，各組樣本材料質量缺陷不同，但是使用超聲波頻譜分析檢測技術對樣本缺陷的有效檢出率均高于93%。相比較而言，基于渦流的檢測技術平均有效檢出率為89.73%，基于紅外熱成像法檢測技術平均有效檢出率為91.25%，均低于超聲波頻譜分析檢測技術的最低值。從樣本質量缺陷漏檢率數值分析，超聲波頻譜分析檢測技術的漏檢率整體低于對比檢測技術，并且該技術的漏檢率整體波動幅度較小。這說明在對樣本進行缺陷檢測時，使用超聲波檢測精度更高。

表2 質量檢測有效檢出率和誤檢率 %

人工處理后的樣本質量問題分布情況不同，根據位置標注測量各個檢測技術檢測出的質量缺陷位置，并計算定位誤差。檢測技術對質量缺陷的定位誤差如圖2所示。

圖2 檢測技術定位質量缺陷誤差對比

由圖2可知，對不同缺陷分布的樣本進行檢測時，超聲波頻譜分析檢測技術的定位誤差曲線整體位于另外兩個技術的下方。說明從數值上看，超聲波頻譜分析檢測定位質量缺陷的位置更接近真實位置。從誤差曲線的變化趨勢來看，超聲波技術誤差曲線比較平穩。說明對于不同類型的樣本進行檢測時，超聲波技術檢測適用范圍廣，可靠性更佳。由此可以證明，文章研究的超聲波頻譜分析下的復合材料層合板與金屬板連接處質量無損檢測技術實際應用時的檢測精度明顯提升，檢測結果更可靠。

5 結束語

復合材料層合板與金屬板連接是目前層合板應用的主要形式，由于連接材料的本身特性差異，容易在連接處出現質量問題。為保證材料實際使用時穩固性，提出了超聲波頻譜分析下的復合材料層合板與金屬板連接處質量無損檢測技術，利用超聲波設備在不破壞材料前提下，高效檢測了材料連接處質量。經過與其他檢測技術的對比，驗證了所提出的檢測技術檢測精度高，檢測效果更佳。