蜂窩夾心復合材料超聲C 掃移動小車設計

岳 斌，童恕琪，張 嬌，么曉珊，王 雷

（北京玻鋼院復合材料有限公司，北京 102101）

0 引言

蜂窩夾心復合材料常用于航空領域大型客機的地板及機身等艙體結構[1-4]。如圖1 所示，常見的蜂窩夾心結構主要有兩層蒙皮加蜂窩粘接而成，脫粘缺陷常出現在蒙皮與蜂窩粘接層間[5-7]。目前蜂窩夾心復合材料的無損檢測主要依賴于噴水式超聲C 掃描檢測，且可以實現檢測需求[8-10]。但對于大尺寸蜂窩結構的超聲波檢測卻鮮有人研究。

圖1 蜂窩夾心復合材料結構

通過研制便攜式移動小車實現大尺寸蜂窩夾心復合材料結構的超聲波檢測，解決常規超聲波C 掃系統無法現場檢測及人工超聲波A 掃描檢測可能出現的漏檢問題，同時為大型尺寸產品的超聲波檢測提供參考。

1 蜂窩夾心復合材料檢測需求

大尺寸蜂窩夾心復合材料結構主要尺寸為長度10 m，寬5 m 的平板結構，如圖2 所示。該產品要求針對蒙皮與蜂窩夾心之間進行100%超聲波檢測，不允許存在脫粘缺陷且檢測原始圖像數據可追溯。

圖2 大尺寸蜂窩結構產品示意圖

蒙皮與蜂窩粘接層的粘接質量采用噴水對穿式超聲波C 掃檢測評價時，只需要采集穿透式兩個探頭的超聲波聲壓（對應信號幅值）進行成像，再依據預制缺陷的對比樣件在缺陷處幅值信號衰減的程度進行判定即可完成檢測目標。但噴水穿透式超聲C 掃成像需要兩個探頭同步位移，因此所研制移動小車顯然不適合用該原理檢測。

采用超聲波縱波多次反射法進行檢測，當復合材料蒙皮與蜂窩粘接層出現脫粘時，超聲波反射回波聲壓隨反射次數的增加下降緩慢；當粘接界面良好時，超聲波反射回波聲壓隨反射次數增加迅速下降[11]。依據該原理通過制作預制缺陷的對比樣件即可完成粘接質量檢測。為減少超聲波多次反射法時近表面盲區的影響[12-13]，采用有楔塊的超聲波聚焦探頭檢測。

2 系統研制方案

2.1 硬件系統搭建

系統邏輯結構如圖3 所示。超聲C 掃移動小車主要有運動控制模塊，超聲波發射接受模塊及信號采集成像模塊組成。運動控制模塊主要由探頭掃查x軸、控制小車移動的y軸及可自動調整探頭高度的z軸構成。運動模塊的電路系統采用國產正運動控制器ZAMC3 系列搭配42 步進電機及42 步進電機驅動器，通過正運動控制器讀取電機運動方向和軸坐標即可精確控制軸運動。超聲波發射接收模塊通過便攜式EPOCH1000i 超聲探傷儀完成，該探傷儀可通過RS232 通訊輸出0 ～10 V 電壓信號。信號采集成像模塊采用研華4711A 采集卡通過USB2.0 與window系統上位機完成通訊，整個系統采用24 V 鋰電池直流供電，三層立體結構分別容納三個模塊使得系統體積小方便攜帶，整個小車系統如圖4 所示。

圖3 系統邏輯圖

圖4 超聲C 掃移動小車實物圖

2.2 軟件系統設計

本系統上位機軟件基于VB6.0 程序設計，采集超聲信號幅值后使用Hibert 變換信號處理手段對成像結果優化，包含掃查參數設置、缺陷面積測量、顯示方式選擇、缺陷定位等功能，上位機軟件界面如圖5 所示。正運動控制器和研華采集卡均支持VB6.0 編程語言，調用其中運動命令如ZAux_Direct_Single_Vmove及信號采集命令InstantAiCtrl1.ReadChannels 完成運動控制及信號采集，設定XY 軸步進電機坐標值與C掃圖片各點坐標之間對照關系，并將采集電壓的特征值映射成對應RGB 顏色或灰度即可完成成像檢測。通過調節信號采樣頻率及電機轉動步距等參數即可完成最小0.01 × 0.01 mm 像素成像。

圖5 軟件界面

3 系統檢測驗證

3.1 對比試塊制作及缺陷驗證

對比試塊由2 mm × 2 mm、4 mm × 4 mm、6 mm ×6 mm、8 mm × 8 mm 方形聚四氟乙烯薄膜置于蒙皮和蜂窩粘接層之間，具體位置如圖6 所示。只需模擬單面脫粘情況即可，實際檢測時，將蜂窩夾心復合材料板翻面即可完成100%全覆蓋式檢測。

圖6 對比試塊

如圖7 所示為系統超聲波發射和接受模塊超聲A掃信號，通過采集閘門內幅值高度信號并成像即可完成檢測。如圖8 所示是對比試塊4 種超聲C 掃成像方式檢測結果，檢測結果表明，2 mm× 2 mm 以上的人工缺陷本系統可以有效檢測出結果，并滿足預期要求。

圖7 對比試塊A 掃信號

圖8 對比試塊C 掃描結果

3.2 實際蜂窩夾心復合材料板缺陷驗證

本檢測系統依據3.1 節中確定的超聲C 掃檢測參數對實際產品檢測，得到檢測圖像如圖9（a）（b）中顯示，圖中圈內區域為脫粘缺陷。對實際產品邊緣脫粘缺陷如圖9（c）顯示，從圖中可見蜂窩與蒙皮的脫粘缺陷。結果表明實際脫粘缺陷的檢測結果與預制缺陷實驗結果一致。

圖9 復合材料超聲檢測結果及缺陷實物圖

4 結語

針對大尺寸蜂窩夾心復合材料蒙皮與蜂窩脫粘缺陷的檢測需求，研制了便攜式超聲C 掃移動小車系統。解決了普通A 掃檢測數據不能成像并儲存的難題及噴水式超聲C 掃系統現場檢測的難題。經對比試塊及實物檢測結果表明，2 mm × 2 mm 以上的脫粘缺陷該系統可以有效檢測。與此同時，簡化檢測系統模塊，拼接檢測的思路具有很強的推廣價值。