变厚度碳纤维／环氧树脂基复合材料层压板的多电子闸门C扫成像

张 婷，刘 奎，周 辉，于 光

（上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所，上海 200436）

近年来，随着轻量化进程的加快，飞机选材发生了巨大变化。最重要的趋势是总体用材上，传统的金属正在被树脂基复合材料所替代［1］。复合材料在飞机上的用量不断上升，并已成为飞机结构用主要材料，大量应用复合材料更是成为衡量新一代民机技术水平先进性的重要标志［2－3］。以空客公司为例，复合材料用量从A300 的5%发展到A350 的53%，大大减少了飞机的质量，降低了飞机的运营成本，而且在一定程度上减少了维护费用，符合低成本制造的发展趋势，并提高了飞机的市场竞争力［4］。

但是，对于复合材料而言，由于纤维的表面状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制等的影响，导致不管用任何工艺方法制造，在制造过程中都难免会存在孔隙、分层等缺陷和损伤，从而影响制品的各项性能［5－6］。但是对于航空复合材料制件而言，制件的缺陷控制非常严格，因此为了保证制件的质量，需要采用一种不造成制件破坏、不改变制件性能的检测方法对制件进行检测，以确保制件性能的可靠性和安全性［7－10］。

无损检测技术可在不破坏复合材料的情况下有效地检测出复合材料中的各种缺陷和损伤，因此被广泛地应用于工程中［11－13］。而超声检测是航空复合材料制件无损检测最常用的手段之一，它基本可以解决零件制造阶段90%以上的检测问题［14－17］。在各大主机厂中，复合材料制造车间里面的超声检测设备多为喷水型C 扫描。这些大型设备检测大尺寸零件是非常方便的，但是对一些小尺寸零件往往不方便在大型设备上检测，一来工装夹具不好做，另外一方面大型设备的使用效率也低。这些小尺寸零件通常采用小型的水浸超声C 扫装置进行检测，水浸超声检测装置大多数比较简单，只有X、Y、Z三个轴，且只能实现脉冲回波法检测，因此往往只能检测简单的等厚度层压板制件。而实际的层压板生产中，会存在大量的变厚度层压板制件，普通的脉冲式水浸超声C扫装置无法对这类零件检测。为此，笔者采用一种多电子闸门成像技术解决变厚度层压板超声脉冲回波C扫检测的问题。

1 试样制备与试验方法

试件所用材料为T300 级碳纤维／环氧树脂基复合材料，外形尺寸为300mm×200mm，厚度变化为1.5～3 mm，铺层顺序自上而下保持准各向同性。试件共16层预浸料，其中最厚处（A 区）有16层预浸料，最薄处（C区）有8层，所有预浸料的宽度均裁剪为200mm。为了使试件的厚度均匀变化平缓过度，预浸料长度方向的尺寸按照每10mm 依次递增，并且每隔两层铺放一层全尺寸（300 mm×200mm）料片。人工缺陷采用直径分别为3，6，9mm，厚0.127 mm 的聚四氟乙烯薄膜，人工缺陷在试件中的分布如图1所示，整个试件在三个厚度分区共预置了18个人工缺陷。铺贴过程中，每隔四层抽真空预压实一次，以便排出层间的空气。

图1 变厚度试件中人工缺陷的分布示意

试件采用热压罐成型工艺固化，起始抽真空，当热压罐内压力达到0.14 MPa时卸真空。当压力达到0.6 MPa时，开始升温，升温速率为1.5 ℃／min，当温度达到180℃后保温2h，然后降温至60℃，降温速率为1.5 ℃／min。

试件的超声检测采用Panametric 5058PR 作为超声波探头激励及接收装置，通过超声C 扫描控制系统软件实现自动C 扫描及数据存储。所采用的检测技术为水浸超声脉冲反射法，在进行检测时将试件的平面作为超声波的入射面。所用探头为水浸聚焦探头，频率为10MHz，探头激励电压为400V，阻尼电阻为100Ω，放大器增益为0dB。

2 试验结果与分析

变厚度试件虽然厚度不均匀，但由于B 区的厚度变化比较平缓，上下表面不平行，下表面反射回波的角度不大。另外，由于在超声检测时使用了聚焦探头，声束的焦点很小（直径约1mm），在变厚度区如此小的范围内可近似视为平面。综合上述两方面原因，使用脉冲反射法进行变厚度区检测时，探头仍然可以接收到底面回波。

虽然在变厚度区可以接收到底面反射回波信号，但常规的水浸式脉冲回波法采用底波高度成像仍然有一定的局限性。对于等厚度的层压板，底面反射回波在超声波A 型显示波形的时间轴上处于固定的位置，在这种情况下使用一个宽度较窄的闸门可以对底波进行数据采集形成C 扫描图像。而对于变厚度的层压板，其底面反射回波随着厚度的变化在时间轴上处于变化的位置，因此无法用一个闸门来选取底波信号成像，如果闸门设置范围过宽会使缺陷回波的信号进入闸门内，从而无法形成有效的C扫描图像。

针对常规水浸脉冲超声C 扫成像的局限性，采用了一种多电子闸门数据采集成像的技术，在试件最厚的位置（即A 区），在表面回波与底面回波之间设置多个首尾相连的闸门，采集每个闸门内的信号单独成像，这样所有闸门信号所成图像组合在一起就包含了整个变厚度试件内部的缺陷信息。具体做法为：试件A 区的超声A 型显示波形，如图2所示，在上表面回波与底面回波之间共设置了5个闸门，即gate1～gate5，这5个闸门首尾相连，覆盖了整个试件厚度上的声程，分别采集信号形成C扫描图像。

图2 多电子闸门超声C扫数据采集原理示意图

变厚度试件采用了上述多电子闸门超声C 扫成像方法进行检测，图3所示为检测结果。C 扫图的位置关系对应图1中试件的俯视图，C 扫图从左至右对应试件的A、B、C 区。总共采用了5个闸门来覆盖整个试件的厚度，即试件A 区的厚度，闸门设置如图2所示。图3中a区所示为gate1 的C 扫成像结果，gate1在试件中所对应的厚度区间最靠近超声波的入射面。从图中可以清楚地看出，最右侧带黑色圆圈所在的浅色区域即为该闸门的底波信号，三个黑色的圆圈，就是预埋在该厚度的人工缺陷，对应图1 中最右侧的一排缺陷。图3中b～e区分别对应着gate2～gate5的C 扫描图像，图中黑色圆圈所在的浅色区域分别对应各个闸门的底波信号，黑色的圆圈为人工缺陷。将图3中a～e区五幅图组合起来看，所有黑色圆圈所在的浅色区域拼接在一起，就包含了整个试件各个区域的内部缺陷信息，预埋在试件中的18个缺陷均可以清楚地中显示出来。因此所采用的多电子闸门超声C 扫成像技术可以很好地解决变厚度层压板的超声脉冲回波法检测问题。

图3 试件的多电子闸门超声C扫成像

3 结论

提出了一种基于多电子闸门的变厚度复合材料层压板超声脉冲回波法C 扫成像技术。该技术的基本思路是在变厚度层压板的最厚区的上下表面回波之间设置若干个首尾相连的闸门，在每一个闸门内提取相应厚度的底面回波幅值进行成像，将所有闸门信号所成图像组合分析，就可以得到变厚度层压板各个区域的内部缺陷信息。使用该方法对所制备的T300级碳纤维环氧树脂基复合材料变厚度层压板进行了超声检测，检测时共设置了5个闸门以涵盖试件的最大厚度，最终形成5幅C 扫图像，这5幅C扫图可以清楚地再现所有预埋的人工缺陷。试验结果表明使用多电子闸门脉冲回波超声检测技术可以很好地解决变厚度层压板的超声C 扫检测中底波位置变动的问题。

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