復雜曲面粘接結構的陣列成像檢測

陸銘慧，劉 洋，陳祎婷，劉勛豐，黃嘉誠，董星宇

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063)

隨著材料需求的擴大，簡單復合材料已經很難滿足多性能要求，多層粘接復合材料憑借其組合性能多樣、綜合性能優越、設計研發經濟高效等優勢，成為研究最為活躍、應用更為廣泛的新材料。直升機槳葉前緣加熱組件是由不銹鋼和橡膠粘接制成，橡膠中夾有加熱阻絲[1]，整體厚度為毫米級，屬于薄壁多層粘接結構[2-4]。加熱組件整體結構為復雜曲面，截面呈“U”形，槳根到槳尖位置的截面形狀變化緩慢，其結構如圖1所示。在制造、使用過程中，直升機旋翼前緣因制作工藝特殊，其加熱組件復合層易出現脫粘缺陷。脫粘缺陷的產生有以下兩方面原因[5]：① 加熱組件生產加工過程中，容易受到粘接劑和工藝影響，粘接處可能會出現空氣層，即脫粘缺陷；② 直升機旋翼在服役時，會因為載荷作用出現疲勞損傷，進而產生脫粘缺陷。脫粘缺陷會造成加熱組件的剝離及損壞，導致槳葉得不到良好的保護，嚴重影響直升機的整體安全，因此對旋翼前緣加熱組件復合層的粘接質量進行檢測極為必要。

圖1 加熱組件結構示意

目前超聲方法是粘接缺陷的主要無損檢測方法，可準確地檢測出材料粘接界面的脫粘缺陷，保證粘接質量[6]。YONATHAN等[7]利用空氣耦合超聲換能器，提出了一種損傷可視化的同步掃描策略，用于脫粘和弱粘檢測。ROTH 等[8]利用壓電晶片主動傳感器測量脫粘周圍結構的機械阻抗變化來檢測脫粘缺陷，結合結構健康監測技術的應用，可以在早期階段檢測到脫粘缺陷的出現。 SHANG等[9]采用電磁超聲方法對固體火箭發動機殼體和保溫層的粘結結構進行了檢測，能夠準確判斷缺陷的位置。LI 等[10]提出了一種利用導波檢測復合材料脫粘的方法，并通過E-X(能量-位置)曲線定量計算出脫粘的尺寸。王昌盛等[11]針對風電葉片前緣粘接結構設計了窄脈沖高分辨率的超聲波雙晶探頭進行檢測，能夠獲得明顯的缺陷回波。李建存[12]針對Cf/PA6復合材料和AA6061鋁合金板材的粘接缺陷進行檢測，提出了超聲連續檢測和步進式兩點靜態檢測方法。陸銘慧等[13]使用非線性超聲評價纖維-金屬層板的粘接質量，并提出運用2階和3階非線性系數進行纖維-金屬粘接層的評價。盛濤等[14]針對復合殼體膠接質量的檢測開發了一套自動化超聲C掃描檢測系統，成功檢測出φ5 mm及以上的脫粘缺陷。但是針對直升機槳葉前緣加熱組件粘接結構脫粘缺陷檢測的研究還比較少。由于直升機槳葉前緣加熱組件為特殊的復雜曲面粘接結構，常規超聲方法較難保證穩定的連續檢測，所以目前應用較多的檢測方法是電加熱法和加熱組件與槳葉復合后的 敲擊檢測法，前者缺陷檢出能力較低，后者檢測效率較低且對檢測人員要求極高。

文章研究了聲波在多層介質中的傳播規律，設計制作了加熱組件人工脫粘缺陷試樣及加熱組件專用陣列掃查探頭，對加熱組件進行了超聲陣列成像檢測，成功檢出加熱組件不銹鋼-橡膠層中的脫粘缺陷，成像結果與實際缺陷形貌高度一致。

1 聲波在多層介質中的傳播規律

以三層介質為例，假設存在一個聲壓P0=1的超聲波從介質1垂直入射到薄層介質2中，其內部聲壓的傳播過程如圖2所示，為了更好地表現超聲波在層間的反射透射過程，圖中將實際垂直反射的路徑轉化為曲線。

圖2 聲波在三層介質中的傳播示意圖

圖2中P0為入射波聲壓，Pn(n=1,2,3，…)為介質1、2界面的多次反射回波聲壓，Tn(n=1,2,3，…)為介質2、3界面的多次透射波聲壓。通過計算可得到界面I位置的反射回波聲壓Pm(m=2，3，4,…)的表達式[見式(1)]，由式(1)可知每次反射的回波幅值逐漸遞減。在界面I處全部反射回波疊加的表達式和在界面Ⅱ處全部透射波疊加的表達式分別如式(2)、(3)所示。

Pm=t12r23t21e-2jk2l(r23r21e-2jk2l)m-2

(1)

(2)

(3)

式中:l為介質2的厚度;rij和tij(i，j=1,2,3)分別為由介質i入射到介質j的聲壓反射率和聲壓透射率；k2為介質2的波數。

多層介質中的反射回波聲壓公式可以由三層介質中的反射回波聲壓公式推導得出。對于四層介質，探頭接收到的回波是由3部分疊加而成的，分別為：① 在介質1、2界面反射的回波；② 在介質1、2界面透射，介質2、3界面反射，最終返回介質1中被接收的回波；③ 在介質1、2和2、3界面都透射，介質3、4界面反射，返回到介質1中被接收的回波。整理三層介質的反射透射回波聲壓公式，得到四層介質的回波聲壓公式如式(4)所示。

(4)

式中：第一項為介質1、2界面的反射回波；第二項為介質2、3界面的總反射回波；第三項為介質3、4界面的總反射回波;d為介質的厚度;k3為介質3的波數。

在槳葉前緣加熱組件的實際檢測中，由于其結構為緩慢變化的復雜曲面，常規探頭的硬接觸不能保證每個檢測位置的良好耦合，無法滿足整體檢測需求。為了提升耦合效果，可采用軟接觸的方式，如在探頭前端加裝橡膠儲水囊作為水膜。所以在該檢測模型中介質1為橡膠，介質2為不銹鋼，介質3為橡膠，介質4為空氣。橡膠的聲阻抗只有1.9X106kg·m-2·s-1,而不銹鋼的聲阻抗卻高達46X106kg·m-2·s-1，不銹鋼與橡膠的聲阻抗差距大，所以不銹鋼層的上下兩個界面都是高反射界面，入射波從不銹鋼層入射到II界面或者反射波從不銹鋼層返回I界面都會產生高反射，即r23和r21較大，而橡膠層的衰減極大，穿過橡膠層后反射并回到介質1中的超聲波聲壓很低，因此公式(4)的第三項數值很小，探頭接收到的回波主要是水膜層的反射波和不銹鋼層中的多次反射波，且不銹鋼層中的多次反射波幅值隨著反射次數增加迅速下降。當工件出現脫粘缺陷時，介質3變為空氣，聲阻抗僅為440 kg·m-2·s-1，r23增大到接近1，超聲波在不銹鋼層中形成的多次反射波幅值下降較慢。為了避免水膜層的反射波對缺陷識別的影響，應采取排空水膜中的微氣泡、涂抹適量耦合劑保持探頭與工件的可靠耦合、操作探頭檢測時保證用力均勻等措施，保證水膜層的反射波不變，實際超聲信號的變化只反映不銹鋼-橡膠層的粘接質量變化。

2 試驗驗證

使用5077PR型脈沖發射接收儀、數字示波器和超聲探頭搭建A掃描試驗系統進行驗證。檢測系統如圖3所示，采用直接接觸的方式進行耦合，探頭垂直耦合在加熱組件工件表面。

圖3 A掃描試驗系統

試驗時，選用中心頻率為10 MHz、晶片直徑為3 mm的超聲平探頭，探頭分別置于無缺陷處和脫粘缺陷處的檢測信號如圖4所示(幅值無量綱)。由圖4波形圖可見，超聲波多次反射且幅值逐漸下降，與理論分析基本一致。對比正常位置和脫粘缺陷位置的檢測信號發現，當加熱組件不銹鋼-橡膠層出現脫粘缺陷時，超聲波信號在不銹鋼-橡膠層的反射增大，入射超聲波在不銹鋼層中多次反射的波幅幅值下降緩慢。超聲波在不銹鋼層中多次反射后，有缺陷和無缺陷位置的超聲波幅值差異明顯，因此可根據該特征來評估加熱組件的粘接質量。

圖4 無缺陷處及脫粘缺陷處的檢測信號

單探頭脈沖反射法的檢測操作較為簡單，對檢測人員的要求不高，但加熱組件整體展向長度約6 m，檢測面積較大，單探頭檢測效率較低，檢測人員長期集中精力觀察波形容易疲勞導致漏檢，且該方法無法直觀成像。

針對單探頭超聲反射法無法成像且效率極低的情況，提出了超聲陣列成像檢測方法。采用特制陣列探頭，改變耦合方式，通過特定的聚焦法則對特制陣列探頭陣元進行激發，利用相控陣波束的合成，形成成像掃描線，進行線形掃描；輔以夾持工裝及編碼器掃查，利用聲波在脫粘缺陷處的多次反射特性，框選多次反射波信號進行C掃描成像，實現加熱組件的脫粘缺陷成像檢測。

3 檢測及結果

3.1 探頭設計

3.1.1 側邊陣列探頭設計

由于加熱組件的截面一直在變化，且都帶有一定的弧度，采用常規的有機玻璃楔塊難以保證探頭與工件的可靠耦合，給成像帶來極大的困難。根據加熱組件的變化曲面設計水膜探頭，向水膜內充水，水膜接觸而不是平面時能自適應改變耦合面，保證探頭與工件的可靠耦合。由于側邊結構近似平面，所以采用平面線陣探頭加裝水膜設計，側邊加裝編碼器滑輪及扶手，在便于滑動的同時也能獲取實時位置信息。探頭頻率為5 MHz、陣元數為128、陣元間距為1.5 mm、陣元長度為10 mm。側邊掃查探頭如圖5所示。

圖5 側邊掃查陣列探頭

3.1.2 R角陣列探頭設計

由于R角曲率過大，用平面探頭難以保證聲波垂直入射工件，所以采用3D掃描建模方法獲取R角的特殊尺寸信息，根據加熱組件展向R角尺寸的變化取均值設計曲面探頭。陣元晶片沿曲面排列，可保證任意位置的超聲波近似垂直入射。配以夾持工裝輔助探頭在R角上穩定移動，再配以編碼器和滑輪，保證探頭的移動流暢性。由于R角的結構復雜，且檢測精度要求較高，故設計探頭頻率為7.5 MHz、陣元數為64、陣元間距為0.6 mm、陣元長度為10 mm。R角掃查陣列探頭如圖6所示。

圖6 R角掃查陣列探頭

3.2 試樣制備

設計制作加熱組件人工脫粘缺陷試樣，試樣尺寸為200 mmX100 mmX2.5 mm(長×寬×厚)。在加熱組件試樣的不銹鋼和橡膠粘接過程中，在試樣中心30 mm×30 mm(長×寬)區域內涂抹脫粘劑，其他位置正常涂抹膠水進行真空加壓粘接，制成人工脫粘缺陷試樣，試樣結構如圖7所示，圖中白色區域為預制脫粘區域。

圖7 人工缺陷試樣結構示意

受限于試樣制作工藝，實際脫粘缺陷形狀較難控制，所以試樣制作完成后，通過高精度超聲水浸特征掃描系統對試樣進行掃描獲得缺陷的形貌，得到的掃描結果如圖8所示，圖中白色區域為試樣脫粘缺陷。

圖8 人工試樣水浸特征掃描形貌

3.3 檢測結果

3.3.1 試樣檢測結果

檢測設備為PA32型超聲相控陣檢測儀，使用探頭為側邊掃查陣列探頭，采用線性掃查方式進行電子掃描，激發孔徑設置為9陣元，即按照陣元排列順序依次激勵9陣元進行一組聚焦發射接收，每組陣元聚焦發射時聲束聚焦于該組陣元中心的正下方，聲束將以恒定的角度和聚焦深度沿著陣列方向掃查。電壓為90 V，掃描步進為1 mm，成像顏色為彩色成像。按照預置檢測參數對缺陷試樣進行檢測，得到C掃描圖像如圖9所示,可見，與高精度超聲水浸特征掃描結果對比，該方法能夠準確地掃描出預置缺陷的形貌。

圖9 試樣脫粘缺陷的陣列C掃描成像

測量陣列成像結果中缺陷的長度方向與寬度方向的最大尺寸，得到的結果與實際尺寸的對比如表1所示。由表1可知，成像結果的尺寸與實際缺陷的尺寸誤差較小。

表1 試樣缺陷的成像尺寸與實際尺寸對比

3.3.2 實際產品檢測結果

使用特制R角掃查陣列探頭對實際加熱組件R角進行掃查，掃查方向為加熱組件展向，R角掃查示意如圖10所示。

圖10 實際加熱組件R角掃查示意

將加熱組件R角朝上，豎直放置于支架上，在加熱組件待檢區域內噴涂上適量耦合劑，保證足夠的透聲性和滑動能力；傾斜探頭，將探頭水膜出水口置于比入水口更高的高度位置，通過注水裝置給水膜內持續注入純凈水，并振動探頭，使附著于探頭上的氣泡以及懸浮的氣泡隨著水流從出水口流出，排空水膜內的氣泡，保證水膜層的反射波不變。將R角掃查陣列探頭夾持于加熱組件R角區的起點位置，確認滾輪、編碼器以及探頭與工件表面可靠耦合。在檢測設備中輸入對應的探頭預制參數，開啟設備數據采集，人工勻速推動探頭在加熱組件R角上運動，由槳根運行到槳尖，完成R角區的陣列成像檢測。翻轉加熱組件，使加熱組件的側面朝上，更換側邊陣列探頭，掃查方向為沿加熱組件弦向。

圖11 實際加熱組件R角脫粘缺陷的陣列成像

完成加熱組件的成像檢測后，打開數據回放，得到加熱組件R角和側邊脫粘缺陷的陣列成像分別如圖11，12所示，從圖中可以直觀地觀察到脫粘缺陷的形貌。為了驗證成像的準確性，將加熱組件與槳葉進行復合，再通過剝離裝置將不銹鋼層剝離，觀察層間的脫粘缺陷，得到的對應缺陷位置剖面圖如圖13、14所示，其中橢圓框中為脫粘缺陷。

圖12 實際加熱組件側邊脫粘缺陷的陣列成像

圖13 實際加熱組件R角脫粘缺陷剖面圖

圖14 實際加熱組件側邊脫粘缺陷剖面圖

從解剖圖可以看出明顯的脫粘缺陷，與陣列成像圖對比，實際缺陷區域與檢測結果形貌高度一致，說明該方法能夠有效地檢測出實際加熱組件的脫粘缺陷。

對成像圖中的缺陷進行尺寸測量，得到缺陷長度方向與寬度方向的最大尺寸，并在解剖工件上對實際缺陷進行相應的尺寸測量，得到R角及側邊處的缺陷尺寸，成像尺寸與實際尺寸的對比分別如表2，3所示。由對比結果可知，缺陷成像尺寸與實際尺寸誤差較小，均小于4%，可見該檢測方法定量較為準確。

表2 加熱組件R角缺陷的成像尺寸與實際尺寸對比

表3 加熱組件側邊缺陷的成像尺寸與實際尺寸對比

由成像結果可以看出缺陷邊界不夠清晰，分析認為，脫粘缺陷的邊界區域呈現一種弱粘接的狀態，聲波在傳播至弱粘接界面時，產生的多次反射波的幅值下降與正常位置聲波幅值下降的差異較小，成像精度不夠，所以缺陷邊界不清晰。在后續研究中可通過引入信號處理技術來處理超聲陣列數據，提高成像精度，使脫粘缺陷顯示更完整清晰。

4 結語

(1) 通過對薄壁多層介質聲波傳播規律的理論分析，找到了聲波在不銹鋼層中有缺陷和無缺陷位置多次反射波的幅值降低存在差異的特征，并通過試驗證明了理論的正確性。

(2) 針對加熱組件粘接結構的陣列成像檢測，設計了加熱組件專用陣列探頭，實現了加熱組件各區域的成像檢測。

(3) 試驗結果表明，采用陣列成像檢測方法能夠檢出試樣中的人工缺陷，且可有效地檢測出實際前緣加熱組件不銹鋼-橡膠層中的脫粘缺陷，檢出圖像與實際缺陷形貌高度一致，成像清晰準確。