復合材料拉擠長梁缺陷的超聲表征與評估

王 松,劉菲菲,劉松平,3,戶迎燦,楊玉森,李治應

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266111;2.中國航空制造技術研究院 復合材料中心,北京 101300;3.中航復合材料有限責任公司,北京 101300)

為了減輕軌道車輛質量,提高能源利用率,增加軌道交通車輛舒適性,降低其制造成本,利用復合材料及其成形工藝制造軌道交通車輛關鍵零部件,已成為近年來重要的發展方向。軌道交通車輛中的超長梁已經開始采用碳纖維復合材料拉擠工藝制造。與熱壓罐或液體成型復合材料結構制造工藝方法不同是,拉擠成型采用了快速固化樹脂,擠壓過程和固化行為是在局部完成的,纖維的牽引、樹脂浸潤、加壓、固化、拉擠移動時機等需要高度協調互動,在這一復雜拉擠成型過程中,意外因素或工藝細節的偏離可能會引入缺陷,而且缺陷行為和特征又與拉擠工藝密切有關。因此,為了保證復合材料拉擠長梁的質量,進行拉擠工藝優化,首先需要研究和建立反映復合材料拉擠工藝特點的缺陷表征與評價方法,然后,按照產品質量控制要求,對復合材料拉擠長梁進行100%無損檢測。

目前有關復合材料無損檢測方面文獻報道比較多,包括超聲[1-3]、X 射線[4]、紅外[5]、激光電子散斑(ESPI)[6]、高頻脈沖渦流[7]、微波[8]等方法。然而,這些研究沒有涉及復合材料拉擠長梁內部缺陷無損檢測與評估。從檢測原理上看,紅外、ESPI、渦流、微波等檢測方法不適用于復合材料拉擠長梁缺陷準確表征與評估及檢測,X射線檢測需要專門的輻射防護,也不適用于復合材料超長結構的全覆蓋無損檢測。相比而言,超聲檢測是一種比較可行的檢測方法,因為復合材料超聲評估與超聲波在其內部的傳播行為密切有關[9],復合材料拉擠長梁內部細節變化(如擠壓層)及缺陷的存在會改變入射聲波在其內部的傳播行為,基于此變化可以進行復合材料拉擠長梁缺陷表征與評估[10-12]。但該方法需要針對復合材料拉擠長梁的特點,研究建立相應的缺陷表征與超聲評估方法。在絕大部分情況下,需要采用超聲反射法才能實現復合材料結構(如超長梁)的檢測,這就對超聲檢測的分辨率和表面檢測盲區提出了非常高的要求,因此,超聲反射法檢測分辨率和表面缺陷檢出能力一直是復合材料檢測領域廣受關注的技術問題[13-14]。

針對復合材料拉擠長梁特征、成型工藝特點以及拉擠造成的表面不平整狀態和缺陷,開展了基于單脈沖超聲波在復合材料拉擠長梁結構中產生反射行為的缺陷表征與評估方法。試驗結果表明,采用超聲反射法可以得到高質量的時域可分辨回波信號,顯著改善了入射聲波在拉擠長梁中形成的超聲信號時域的可分辨性,有利于提高復合材料拉擠長梁缺陷檢出和定性定量能力;通過超聲信號的時域特征及其成像特征可以有效地進行復合材料拉擠長梁中缺陷表征與識別及評估;表面檢測盲區達到1 個復合材料鋪層厚度(約0.125 mm);檢出缺陷大小偏差,最大不超過1 mm,為復合材料拉擠長梁提供了一種有效的缺陷檢測與評估方法。

1 超聲檢測和試驗系統

1.1 超聲檢測

復合材料拉擠長梁單脈沖超聲檢測方法示意如圖1所示,圖中,ui表示入射聲波;uf表示拉擠長梁表面反射聲波;ub表示拉擠長梁底面反射聲波;ud表示拉擠長梁內部缺陷反射聲波。采用超聲反射法,利用探頭向被檢測復合材料拉擠長梁發射單脈沖周期超聲波,此超聲通過耦合介質水,傳播到復合材料拉擠長梁表面,并與長梁表面相互作用后,在其內部形成反射聲波,由于是來自蒙皮-加強筋接頭區內部材料對u i的彈性響應,當復合材料拉擠長梁內部的微結構、層間界面結合行為發生變化或者出現缺陷時,會影響復合材料拉擠長梁對u i的彈性響應,當這種彈性響應足夠明顯時,就會引起顯著的聲波反射行為,進而在復合材料拉擠長梁形成,經探頭壓電轉換為對應的脈沖回波信號,如果能夠使每個脈沖回波信號在時域上可分辨,就可確定發生彈性響應變化的區域和位置,進而用于拉擠長梁缺陷的表征與評估。影響時域可分辨行為的因素主要有:①的脈沖回波信號響應寬度;②構成的單個脈沖回波信號的寬度;③構成的脈沖個數,即脈沖周期數。

圖1 復合材料拉擠長梁單脈沖超聲檢測方法示意

對于垂直入射超聲縱波檢測,采用單脈沖超聲技術可以顯著改善超聲反射法表面檢測盲區和縱向分辨率[15-16]。在單脈沖超聲條件下,當缺陷面積小于探頭聲束面積時,來自復合材料拉擠長梁的超聲回波信號可以表示為

式(1)中的vf反映入射聲波在復合材料拉擠長梁表面的耦合效果,vd與拉擠長梁內部缺陷有關,vb反映長梁底面的超聲波大小,與長梁是否存在缺陷、缺陷類型、長梁內部聲衰減特性等有關。利用式(1)中超聲信號之間的時域關系,可以確定檢出缺陷的深度位置和拉擠長梁的局部厚度分布。

在單脈沖條件下,可以提取到來自不同復合材料層可能存在缺陷的超聲反射信號[15-16],從而實現拉擠長梁缺陷的準確表征和評估。

1.2 超聲系統

采用劉松平等研制的超聲掃描成像檢測系統和MUT-1型復合材料檢測儀器[17],構建復合材料拉擠長梁超聲檢測試驗系統,其基本組成如圖1(b)所示。使用FJ-1和FJ-2高分辨率復合材料超聲探頭(焦點約0.8 mm,焦距為50 mm,頻率為5 MHz),采用水膜耦合和噴水耦合方式,可進行不同場景的復合材料拉擠長梁的超聲檢測。利用MUT-1型復合材料檢測儀器對拉擠長梁試樣進行掃查,獲取試樣中與每個檢測位置點對應的超聲特征信號及實際位置,構建基于單脈沖超聲回波信號特征的拉擠長梁缺陷表征與評估方法。

1.3 試樣

為了利用單脈沖超聲行為進行復合材料蒙皮-加強筋界面缺陷的超聲表征與評估,設計了3類復合材料試樣。

第一組試樣(1#)為復合材料平板試樣,模擬復合材料拉擠長梁中蒙皮區分層,在該試樣中,分別在距離上(近表面第1個鋪層和第2個鋪層界面之間)、下表面第一個鋪層深度位置(近底面第1個鋪層和第2個鋪層界面之間,即近表面第39個鋪層和第40個鋪層界面之間)和二分之一深度位置(即近表面第19個鋪層和第20個鋪層界面之間)預置有?3 mm 的分層,以驗證在單脈沖條件下的超聲波表面檢測盲區極限和不同深度分層的檢出能力。復合材料1#試樣及缺陷分布如圖2所示,圖中C1缺陷為位于試樣近表面第一至第二鋪層界面的分層;C2缺陷為位于試樣二分之一厚度處(對應第19～20鋪層界面位置)的分層;C3缺陷為位于試樣近底面(對應第39～40鋪層界面位置)第一至第二鋪層界面的分層。試樣厚度約5 mm(40個預浸料鋪層),試樣的尺寸為150 mm×100 mm(長×寬)。該試樣主要用于分析和驗證單脈沖超聲波在不同深度位置的缺陷周圍產生回波信號的時域可分辨性和缺陷的檢出能力。

圖2 復合材料1#試樣及缺陷分布

第二組試樣(2#,3#)為典型的復合材料拉擠長梁制件,長梁的截面形狀如圖1(b)所示,長梁的實際厚度為7.5～9.5 mm,長度分別為1.2 m 和2 m,在復合材料拉擠長梁內部沒有預置缺陷。該組試樣主要用于驗證所建立的單脈沖超聲方法對實際復合材料拉擠長梁內部缺陷表征與評估的檢測效果,得到長梁內部實際工藝缺陷及其對應的單脈沖超聲信號特征,以便建立面向實際復合材料拉擠長梁成型工藝的單脈沖超聲表征與評估方法及缺陷判據。

1.4 試驗方法

采用圖1所示的單脈沖超聲縱波方法和超聲系統,針對1#,2#,3#試樣,將探頭放置在復合材料1#試樣一側進行單脈沖超聲A掃描檢測試驗,記錄來自1#試樣中好區和不同深度缺陷區的單周脈沖超聲回波特征信號,分析其時域行為和不同深度分層的檢出能力,確定最佳的超聲A 掃描試驗參數。然后,利用此試驗參數,分別對復合材料拉擠長梁2#,3#試樣進行單周脈沖超聲A 掃描和超聲斷面成像(B掃描)檢測分析,分析單脈沖超聲回波信號和B掃描成像特征所展現的規律,驗證超聲檢測結果,進行復合材料拉擠長梁中的分層、樹脂區、微氣孔、孔隙表征與評估及識別。

2 試驗結果與分析

2.1 不同深度分層的超聲反射行為

1#試樣的單脈沖超聲波A 掃描回波信號及其時域特征如圖3所示(vf為來自試樣表面聲波反射,vb為來自試樣底面聲波反射,'vb為vb的二次反射,vc1、vc2、vc3分別為來自分層C1、C2和C3的聲波反射,v'c2來自vc2的二次反射),其中:圖3(a)為1#試樣中1/2深度(20個鋪層厚度,約2.5 mm)的分層(C2分層)的單脈沖超聲回波信號vr;圖3(b)為1#試樣中深度為距離試樣底面單個鋪層厚度(0.125 mm)的分層(C3分層)的單脈沖超聲回波信號vr;圖3(c)為1#試樣中深度為單個鋪層厚度(0.125 mm)的分層(C1分層)的單脈沖超聲回波信號;圖3(d)為1#試樣中好區的單脈沖超聲回波信號vr。

圖3 1#試樣的單脈沖超聲波A掃描回波信號及其時域特征

從圖3(d)中可以看出:①入射聲波u i在1#試樣中形成了非常清晰,且幅值足夠大的回波信號vr,vr包括vf、vb以及v'b,且沒有出現其他的額外聲波信號,這表明,入射聲波在1#試樣內部具有很好的穿透行為;②從vr的時域特性可以非常清晰地看出,vf和vb具有非常好的單周特性,用vf|{N≈1,tT≈0.26μs,vpp≈4.51 V}、vb|{N≈1,tT≈0.34μs,vpp≈3.19 V,tb-0≈3.22μs}表示vf和vb的時域特性,其中vpp為vf和vb的峰峰幅值,N為vf和vb的周期數;tT為回波信號脈沖寬度;tb-0為底波與界波之間的時間差;③vb的時域寬度(0.34μs)比vf的時域寬度(0.26μs)明顯要寬,這主要來是受了波在復合材料中頻散現象的影響。利用tb-0≈3.22μs和1#試樣的厚度(約5mm),可以得出單脈沖超聲在復合材料中的傳播速度約為3 106m·s-1。

從圖3(c)中可以看出:①當分層(C1)出現在近表面第1和第2個鋪層界面時,來自分層的單脈沖超聲信號在時域上仍然清晰可分辨,如vc1所標示的回波信號所示。②vb仍然可見,同樣也具有很好的時域單周行為,vb|{N≈1,tT≈0.44μs,vpp≈0.61 V,tb0≈3.22μs},但相比圖3(d)中的vb,其幅值明顯減小,約減小14 d B。③vf|{N≈1,tT≈0.22μs,vpp≈4.76 V}附近出現了vc1,因為vc1與vf之間僅相差一個復合材料鋪層(約0.125 mm,即0.08μs),所以vc1與vf在時域上非常緊貼,甚至難以確定vc1與vf之間的tc1-0,進而難以估測分層的深度。不過,這完全不影響對近表面第1和第2個鋪層界面之間的分層(C1)的判別,也沒有改變其時域單周特性。

從圖3(b)中可以看出:①當分層(C3)出現在近底表面第1和第2個鋪層界面時,來自分層C3的單脈沖超聲信號在時域上清晰可分辨,如vc3所標示的回波信號所示,此時有vc3|{N≈1,tT≈0.22μs,vpp≈1.65 V,tc3-0≈3.12μs},tc3-0為C3分層與試樣表面信號波間的時間差;②vb消失;③相比圖3(d)中的vf,此處的vf幅值有輕微下降,但其他時域特性未出現明顯變化,即此時有vf|{N≈1,tT≈0.24μs,vpp≈4.37 V};④根據tb0(3.22μs)和tc3-0(3.12μs)以及所測量的聲速(3 106 m·s-1),分層距離1#試樣底面的深度約為0.155 mm,約合1.24個鋪層,非常接近單個復合材料的標稱厚度0.125 mm。

從圖3(a)中可以看出:①當分層(C2)出現在1#試樣1/2深度位置時,來自分層的單脈沖超聲信號vc2和部分來自試樣底面的vb在時域上清晰可分辨,如圖中vc2和vb所標示的回波信號所示,此時有vc2|{N≈1,tT≈0.20μs,vpp≈3.72 V,tc2-0≈1.54μs,vb|{N≈1,tT≈0.40μs,vpp≈1.04 V,tb-0≈3.18μs},tc2-0為C2分層和試樣表面信號回波之間的時間差,vc2和vb在時域上相差tb-c2≈1.54μs;②相比圖3(d)中的vb(vpp≈3.19 V),此處vb(vpp≈1.04 V)明顯減小,這是因為大部分聲波在分層C2處產生了反射;③vr時域特性與圖3(b),(c),(d)中的完全一致,且vf|{N≈1,tT≈0.26μs,vpp≈4.45 V}幾乎與圖3(d)中的vf相同;④根據tc2-0(1.54μs)以及所測量的聲速(3 106 m·s-1)可得分層C2距離1#試樣表面的深度約為2.392 mm,約合19.132個鋪層,與實際預置的分層深度(19個鋪層)僅相差約0.132個鋪層。因此,在單周超聲波條件下,可以準確地確定檢出分層所在的鋪層位置,這對準確找出分層產生原因、進行工藝優化和分析分層對結構的力學性能影響等都具有指導作用;⑤根據tb-0(3.18μs),可以得到vb距離試樣表面約4.939 mm,約合39.508個鋪層,與3#試樣的40個鋪層厚度僅相差0.492個鋪層。結合vb中的tT(≈0.40μs)及其波形特征可知vb是來自試樣底面的反射,而不是vc2的二次反射。因此,利用單脈沖超聲技術可以幫助確定檢出缺陷的深度和判別來自缺陷的多次反射行為,非常有利于提高缺陷檢測準確性。

圖3中結果還表明,來自分層的單脈沖超聲信號的相位與vb相同,與vf相反,而且來自分層的單脈沖超聲信號的tT要比來自試樣底面超聲信號tT小0.14～0.24μs,可見在單周超聲波條件下,可以根據超聲信號的時域寬度判別是來自近底面的分層還是底面反射,從而為近底面缺陷的可靠檢出提供了一種有效識別機制。

因此,利用單周超聲技術不僅可以實現近表面和近底面一個鋪層深度分層的準確檢出,還可以準確給出實際分層所在的鋪層深度,其最大偏差為0.492個鋪層,最小偏差為0.132個鋪層,均小于1個鋪層,有利于確定缺陷所在的鋪層位置。這將非常有利于揭示超聲波在復合材料拉擠長梁中的反射行為,進行不同深度缺陷的準確檢出和拉擠工藝的優化。

2.2 拉擠長梁中超聲反射行為與信號特征

來自實際復合材料拉擠制件的典型超聲回波信號vr如圖4所示,其中,圖4(a)為拉擠長梁2#制件的典型超聲回波信號,圖4(b),(c)為來自拉擠長梁3#制件中不同位置的典型超聲回波信號。從圖4中的vf可以清晰地看出,盡管實際復合材料拉擠長梁表面出現了凹凸不平的情況,但采用所提超聲檢測系統和耦合方法,可以在拉擠長梁表面形成穩定的聲波耦合狀態,這可以從圖4中vf的變化得到驗證,例如,圖4(a)中的vf≈14.4 d B,圖4(b)中的vf≈14.4 d B,圖4(c)中的vf≈14.8 d B,可見其變化約為0.8 d B,屬于穩定的信號變化效果。從圖4可以看出,入射聲波在復合材料拉擠長梁的底面均形成了底面反射,如圖4中vb所指示的回波信號所示,但vb的大小有所變化,圖4(a)中vb≈-4.2 dB,圖4(b)中vb≈-5.1 dB,圖4(c)中vb≈-3.7 dB,這與拉擠長梁內部產生的聲波反射有關,顯然,在圖4(b)中來自拉擠長梁內部的聲波反射信號vp比圖4(a)中vp和圖4(c)中vp都要明顯,導致圖4(b)中vb最小。圖4的vp與圖3中vd明顯不同,表明vp不是來自拉擠長梁內部的分層聲波反射。而圖4中vb則與圖3中vb特征非常一致,表明利用vp的特征和變化規律,可以揭示復合材料拉擠長梁內部反射行為,進而構建缺陷識別方法。

圖4 復合材料拉擠長梁2#和3#制件的回波信號v r

此外,利用圖4中的vb和vf的時域特性還可以確定拉擠長梁各個位置的局部厚度,對應圖4(a)中2#制件的厚度約為7.36 mm(tb-f≈2.37μs),對應圖4(b),(c)中3#制件厚度約為8.95 mm(tb-f≈2.88μs)和8.87 mm(tb-f≈2.86μs),可見,即使是采取同樣的拉擠工藝,在拉擠長梁的不同位置,其厚度也存在一定波動,采用所提超聲方法可以準確地得到拉擠長梁每個位置的局部厚度分布,非常有利于拉擠工藝優化。

2.3 微氣孔與孔隙的超聲反射行為與判別

一組來自實際復合材料拉擠長梁3#制件中不同檢測位置的典型超聲回波信號vr如圖5所示,圖中,vf,vb所指示的回波信號分別來自拉擠長梁表面和底面聲波反射;vp指示的回波信號來自拉擠長梁內部聲波反射。其中,圖5(a)為拉擠長梁3#制件的不同深度微氣孔的典型超聲回波信號,可以清晰地看出不同深度微氣孔產生的聲波反射信號,如vp所指示的回波信號,而且此時,不同深度微氣孔的存在使得聲波不能到達3#制件的底部,進而導致vb消失;相比圖5(a),圖5(b)中vr最大的不同是,在vf附近和3#制件內部出現了兩個微氣孔反射回波信號,而且,此時vb仍然存在,這表明當拉擠長梁內部微氣孔較少時,入射聲波仍然可以傳播到拉擠長梁底部,形成反射聲波;同樣的情況還出現在圖5(b)中的vr特征變化上,圖中來自不同深度的微氣孔的vp變弱,因此,vb比圖5(b)中更明顯;根據vp的分布和大小變化特征,可以看出圖5(d)中除了來自單個近表面微氣孔形成的vp外,沒有出現其他明顯的聲波反射信號。因此,利用vp和vb變化特征可以進行拉擠長梁內部微氣孔的識別。針對圖5中微氣孔,通常將其視為復合材料孔隙,利用孔隙含量進行量化評估[17]。

圖5 復合材料拉擠長梁3#制件不同位置的回波信號v r

2.4 孔隙和樹脂區及分層超聲反射行為與識別

一組來自實際復合材料3#拉擠制件中不同檢測位置的典型超聲回波信號vr如圖6所示,在圖6(a)中除了看到來自3#制件內部微氣孔的超聲回波信號vp外,還可以看到其內部樹脂區的聲波反射信號ve,其中vp和ve的時域主要體現在相位和波形及幅值的變化上[15-16],同時,當孔隙含量不高(或孔隙不嚴重)時會出現vb。

圖6 復合材料拉擠長梁3#制件不同位置的回波信號v r

來自復合材料3#制件中檢出分層位置的vr如圖6(b),(c)所示,圖中vf,vb,vp同圖5中所描述;ve所指示的回波信號來自拉擠長梁內部樹脂區聲波反射。與圖4,5和圖6(a)顯著的區別是,除了出現vp和ve外,還出現了來自檢出分層的聲波反射信號vd,不難發現,此時來自實際分層的回波信號特征與圖3中的分層信號特征非常一致。此外,在vr的信號特征上,當長梁內部出現分層時vb會消失,這是分層的存在會導致入射聲波不能傳播到長梁底部。但此時,出現在分層前邊的孔隙和樹脂區的反射仍然可見,如圖6(b)、(c)中vp和ve所指示的信號。因此,利用vd,vp,ve,vb變化特征可以進行長梁內部孔隙、分層、樹脂區的識別。

2.5 拉擠長梁超聲斷面成像與缺陷判別

通過對來自復合材料拉擠長梁中不同位置的超聲回波信號vr進行重構,可以進一步揭示其內部孔隙、分層、樹脂區在深度方向的分布特征。來自復合材料2#拉擠長梁的斷面超聲成像(B掃描)結果如圖7所示。從圖7中的灰度分布可以清晰地看出,來自2#拉擠長梁表面和底面,如圖中vf和vb所指示的水平白色灰度帶區,表面入射聲波在2#拉擠長梁內部經過傳播后,在其底面形成了明顯的反射聲波,盡管此時,在vf和vb之間出現了大量的白色灰度顯示vp,如圖中白色箭頭所指示的白色短條帶區灰度分布,這種白色短條帶區灰度反映來自長梁內部孔隙和樹脂區的聲波反射情況,與圖4,5中vr所對應的信號規律完全一致,只不過圖7中的成像方式更加直觀和便于判別。3#拉擠長梁的斷面超聲成像結果如圖8所示,比較圖7和圖8可以看出,3#拉擠長梁表面質量(即平整性)明顯不如2#制件,3#長梁中不同位置的厚度變化明顯,因為vf和vb所指示的白色灰度條帶出現了不同程度的波浪變化,這種變化反映了拉擠長梁的厚度變化。復合材料3#拉擠長梁另一位置的斷面超聲成像結果如圖9所示,可以看出,除了vf所指示的白色灰度條帶區可以揭示3#長梁表面平整性質量明顯不如2#拉擠長梁的外,圖中沒有出現反映拉擠長梁底面的成像灰度,這表明在該位置區,3#拉擠長梁內部存在明顯的分層、氣孔等缺陷,導致入射聲波不能傳播到拉擠長梁底面,這可從圖中白色箭頭所指示的水平白色灰度短條帶看出,在3#拉擠長梁內部出現了大量的缺陷反射。這與圖6(b),(c)中所展示的缺陷信號vd完全一致,即當拉擠長梁內部存在分層和嚴重孔隙時,除了對應的vb(信號和圖像)特征消失外,還會在拉擠長梁內部產生大量的白色灰度指示,從而可以直接根據成像顯示特征進行缺陷判別和確定其在厚度方向的分布。圖7,8,9中vf所指示的灰度對應拉擠長梁的表面,vb所指示的灰度對應拉擠長梁的底面,vp所指示的灰度對應其內部(孔隙和樹脂區)反射。

圖7 復合材料2#拉擠長梁的斷面超聲成像結果

圖8 復合材料3#拉擠長梁的斷面超聲成像結果一

圖9 復合材料3#拉擠長梁的斷面超聲成像結果二(存在明顯分層和孔隙時)

3 結論

在垂直縱波條件下,利用單脈沖超聲波與復合材料拉擠長梁相互作用產生的反射行為,可以獲得高質量回波信號,在此條件下,入射聲波在拉擠長梁中微氣孔、孔隙、分層、樹脂區周圍產生的回波信號具有不同的幅值、相位、波形等時域特征,依據這些時域信號特征及其變化,可以有效進行復合材料拉擠長梁內部缺陷表征、識別和準確定性定量評估。

超聲檢測結果表明,在單脈沖超聲條件下,超聲檢測表面和底面盲區可以達到單個鋪層厚度(0.125 mm),利用超聲回波信號時域變化可以得到被檢測拉擠長梁的局部厚度變化,利用超聲斷面成像可以直觀地得到拉擠長梁內部缺陷在厚度方向上的分布,二者結合,可以較好地實現復合材料拉擠長梁內部缺陷表征與識別及檢測,目前已經得到了較好地實際應用。