蜂窝共固化结构高分辨率超声C扫描方法及应用

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(1.中国航空工业集团公司技术基础研究院， 北京 101300;2.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院， 北京 100083)

共固化是一种较为高效的复合材料整体结构制造方法，目前已广泛用于复合材料蜂窝夹芯结构的制造中。与多次胶接固化成型的复合材料蜂窝夹芯结构相比，共固化蜂窝结构在成型过程中，不同部件之间的连接在一次固化过程中就可完成。因此，通常要求对此结构中的各部件及其连接部位进行无损检测。对于工程应用中的蜂窝结构，特别是铝蜂窝胶接结构，敲击和声振检测方法是两种廉价的无损检测方法[1-4]，这类检测方法是基于声波在被测蜂窝结构中产生的振动响应特性对缺陷进行判别的，对蒙皮-蜂窝芯界面较大的空隙脱粘敏感，比较适合金属蜂窝结构中较大的空隙脱粘的检测。随着各种复材蜂窝夹芯结构在飞机工业中的广泛应用，对其的检测要求也不断提高，除了要求检出蒙皮-蜂窝芯胶界面较大的空隙脱粘外，还要求检出蒙皮中的分层、夹杂、疏松、贫胶等缺陷，而且要求给出检出缺陷的确切位置。在这种情况下，敲击、声振、红外等检测方法就显得力不从心了。而超声检测是基于声波在材料中的弹性响应和传播行为进行缺陷检测和判别的，即使是一些小的缺陷，往往也会引起显著的弹性响应和传播行为的变化。因此，超声方法是复合材料层压结构中的分层、夹杂、疏松、贫胶、孔隙、冲击损伤等缺陷的主要检测方法[5-6]，也易于实现自动化检测和可视化快速检测[7]。

超声检测方法主要有两种，一种是采用超声穿透法对复合材料蜂窝结构进行无损检测[8]。使用超声穿透法时，入射声波需要经过多次蒙皮-蜂窝界面的反射和透射，加上结构中的声波衰减非常强烈，使得透过的超声信号更加微弱，而提高增益又会使信噪比明显变差，因此，当蜂窝芯高度超过40 mm时，一般不宜采用这种检测方法；另一方面，超声穿透法难以确定检出缺陷的具体深度位置；且当蜂窝芯壁与蒙皮的相对几何位置出现倾斜或者蜂窝芯不垂直蒙皮时，易得到不正确的结果显示。另一种方法是超声反射法[6,9-10]，其可以弥补穿透法的上述不足，但由于复合材料蜂窝结构(包括多次胶接和共固化蜂窝结构)的蒙皮通常比较薄(一般小于2 mm厚)，需要采用的超声检测技术(包括检测仪器设备和换能器)必须具有非常高的纵向分辨率和非常小的表面检测盲区。解决的途径之一是采用20 MHz～30 MHz的高频超声检测方法[9-10]，但过高的检测频率会影响声波的穿透能力。

笔者介绍了一种基于宽带窄脉冲的超声C扫描检测方法，该方法可在不明显提高超声波检测频率的情况下，获取高的检测分辨率和微小的检测盲区，实现复合材料蜂窝夹芯共固化结构的无损检测和缺陷定量评估。

1 检测方法

1.1 检测原理与缺陷判别方法

利用入射脉冲超声波在被测复合材料蜂窝夹芯共固化结构中形成的反射声波进行缺陷检测的原理示意如图1所示。该方法通过超声换能器向被测结构部位发射超声脉冲波I，I在共固化结构中形成入射声波，当上蒙皮(对应图1中声波入射一侧的蒙皮)及上蒙皮-蜂窝夹芯胶接界面没有缺陷时(见图1中位置1)，入射声波在上蒙皮中会形成反射声波F和B1，经换能器接收和转换为对应的时域可分辨的超声回波信号F和B1，如图1(b)所示。图1(b)中，F为来自上蒙皮表面的反射声波信号；B1为来自上蒙皮-蜂窝芯界面的反射声波信号；tFB1为F与B1之间的时间间隔，对应声波在上蒙皮中的传播时间;B2为来自蜂窝芯-下蒙皮界面的反射声波信号；B3为来自下蒙皮底面的反射声波信号。

由于受蜂窝壁几何尺寸(边长和壁厚)限制和蜂窝壁中声波衰减等因素的影响，通常B2和B3幅值远小于B1。

图1 复合材料蜂窝共固化结构反射法检测原理

当上蒙皮-蜂窝芯存在脱粘时(见图1中位置②)，入射声波将会在蒙皮-蜂窝芯脱粘部位产生反射声波D1，且D1在时域上出现在B1位置附近，用tFD1表示F与D1之间的时间间隔，在忽略胶膜厚度的情况下，tFD1≈tFB1，在其他条件相同时，此时D1的幅值会明显大于B1的幅值。

当蒙皮内部存在缺陷(如分层)时(见图1中位置③)，入射声波会在缺陷周围产生反射声波D2，且会有tFD2

因此，当所采用的超声检测系统和换能器接收到的超声回波信号F、B1、D1、D2在时域上可分辨时，即可利用上述方法对复合材料共固化蜂窝结构实施检测，进行缺陷判别并确定缺陷的具体位置。

1.2 检测设备

为了实现复合材料共固化蜂窝夹芯结构的反射法检测，笔者所在团队研制了高分辨率超声自动扫描检测系统(MUI-21和 CUS-6000)和FJ系列高分辨率超声换能器。该检测系统采用宽带窄脉冲激励方式，主要由超声发射/接收单元、信号处理单元、扫描机构、控制单元、成像显示单元以及超声换能器与水耦合系统等构成(见图2)。其中，超声单元与FJ系列换能器(点聚焦，焦点直径在0.5～0.8 mm之间选择，焦距在45～60 mm之间选择，频率在5 MHz～10 MHz之间)匹配，产生宽带窄脉冲超声波信号，并保证在时域上能够清晰地分辨出来自共固化结构中的超声回波信号F和B1;耦合可选择喷水或水膜耦合方式。根据共固化结构的几何特征，可选择采取垂直或水平姿态进行超声扫描检测。检测时，根据这类结构件的大小和缺陷检出要求，选择(x，y，z)扫描机构的扫描范围、步进量和扫描速度。通过设置超声信号闸门和信号增益，获取B1、D1、D2和tFB1、tFD1、tFD2等检测信息，用于检测结果的超声成像显示，进行检出缺陷定量评估，确定其大小、深度位置与性质等。

图2 复合材料蜂窝共固化结构反射法检测系统基本构成

2 对比试样制备

图3 对比试样的结构及缺陷大小与分布示意

根据被测复合材料蜂窝夹芯共固化结构的几何和工艺特征，设计制备了一典型的超声检测对比试样，试样由上下蒙皮和蜂窝芯构成，蒙皮厚度约2 mm，选用中航复合材料有限责任公司生产的T300碳纤维/BA9916环氧树脂基预浸料，其单个铺层的标称厚度约0.125 mm，采用多向铺层。蜂窝芯选用中航复合材料有限责任公司生产的NRH-2-48(0.05)型号产品。蒙皮-蜂窝芯胶膜型号为J-272C，厚度约0.25 mm。试样中分别预置有上下两排脱粘，大小及其分布如图3所示，采用放置聚四氟乙烯薄膜方式模拟蒙皮-蜂窝芯脱粘，缺陷间的设计间距约为50 mm(实际放置和成型过程中，可能会有少量的偏移，但不影响缺陷的模拟)，其中，第1排为蒙皮-蜂窝芯界面的胶膜下脱粘，即胶膜-蜂窝芯脱粘；第2排为蒙皮-蜂窝芯界面的胶膜上脱粘，即蒙皮-胶膜脱粘。图3中两排模拟脱粘所用的聚四氟乙烯薄膜的直径依次为3，6，12 mm，由于受蜂窝芯格的影响，在试样中形成的实际脱粘缺陷会与相对应的聚四氟乙烯薄膜的尺寸有所不同，蜂窝格边长b越大，这种差异会越大，缺陷偏差一般不会超过2b。在实际检测中，一般用所放置的聚四氟乙烯薄膜的尺寸表征模拟脱粘的大小，以此设置检测灵敏度和评定检出脱粘大小。

3 检测结果与分析

3.1 超声回波信号特征及其分析

图4(a)和(b)分别为对比试样中无缺陷区和胶膜上脱粘缺陷区的典型超声A扫描回波信号，图中F为来自蒙皮表面的声波反射信号，称为F波；B1为来自蒙皮-蜂窝芯界面的声波反射信号，称为B1波；D1为来自蒙皮-蜂窝芯界面脱粘的声波反射信号，称为D1波；1为D1波的二次声波反射信号。

选择10 MHz的FJ系列高分辨率超声换能器，点聚焦，焦点约0.8 mm，焦距约50 mm。从图4可清晰地看出其具有以下特征：

(1) F、B1、D1、1波具有高质量的单周脉冲特性，在时域上能够清晰地分辨出入射声波在蒙皮、蒙皮-蜂窝芯界面和脱粘周围产生的反射信号F、B1、D1、1。

(2) F、B1、D1、1波存在相位变化，其中F波与D1波的相位正好相反，这与F波与D1波遇到的反射界面不同有关。

(3) B1波与D1波的形状不同，在无缺陷区，B1波会出现多个小波峰，而在脱粘区，D1波呈现明显大的单波峰特征，这与B1波和D1波遇到的反射界面密切有关。

(4) 另一个更为重要的信号特征是，在缺陷区，D1波的幅值比B1波的幅值明显大，二者相差约11 dB。

图4 典型超声A扫描显示信号

图4中的检测结果表明，根据B1波的变化和D1波的特征，可以非常清晰地进行脱粘缺陷的判别,基于这些超声信号特征，设置相应的检测参数，即可通过C扫描成像方式实现蜂窝共固化结构的无损检测与缺陷定量评估。

3.2 试样的超声C扫描结果及其分析

图5为对复合材料蜂窝夹芯共固化结构试样进行超声C扫描得到的典型检测结果，检测采用反射法，扫描速度为100 mm·s-1，步进为1 mm。从图5中可以清晰地看到蜂窝格呈现出均匀分布规律，如图中字母C所标示的白色亮斑所示，灰度越亮处对应的超声信号幅值越大。试样中的两排预置脱粘缺陷也非常清晰，其中，靠近下部的3个检出缺陷F1、F2、F3为试样中第一排蒙皮-蜂窝芯胶接界面中的胶膜下脱粘缺陷(即胶膜-蜂窝芯界面脱粘)的检出结果，其大小和分布特征与图3中对应的第一排膜下脱粘完全一致。从图5中还可以得到胶膜下脱粘的尺寸，如表1所示，为了比较脱粘的特征尺寸，这里采用缺陷水平方向(即x方向)和垂直方向(即y方向)的等效投影长度表征脱粘的尺寸大小，用|Δx|表示在x方向超声C扫检出缺陷尺寸与试样中设计脱粘尺寸的偏差，用|Δy|表示在y方向C扫检出缺陷尺寸与设计脱粘尺寸的偏差。这里，缺陷的设计尺寸以在脱粘区放置的聚四氟乙烯的尺寸为参考。从表1可以看出：① 检出尺寸与设计值之间的最大偏差为2 mm，最小偏差为1 mm，根据试样选用的蜂窝芯规格，蜂窝格的边长为2 mm(即b=2 mm)，最大的检出缺陷偏差均在2b(4 mm)内，表明膜下脱粘超声C扫描检出尺寸与缺陷设计值的一致性较好；② 检出的3个膜下脱粘F1、F2、F3的分布特征与图3给出的设计预期分布规律非常吻合。

图5 蜂窝共固化结构试样的超声C扫描成像结果

表1 膜下脱粘检出尺寸与设计值的对比mm

从图5还可看出，相比试样中膜下脱粘的成像显示，位于蒙皮-蜂窝芯界面的膜上脱粘缺陷更清晰可见，如图5中F4、F5、F6标示的白色亮斑区，其分布及对应的尺寸与图3中的设计值完全一致，且从图中可得出F4、F5、F6的尺寸，如表2所示。从表2可以看出：① 膜上脱粘检出尺寸与设计值之间的最大偏差|Δx|max=|Δy|max=2 mm，最小偏差|Δx|min=|Δy|min=1 mm，而且|Δx|max<2b,|Δy|max<2b，表明超声C扫检出的膜上脱粘的尺寸与设计值一致性较好；② 膜上脱粘F4、F5、F6的分布特征、相对位置与图3中的设计结果同样非常吻合。

表2 膜上脱粘检出尺寸与设计值的对比 mm

比较表1 和表2中的脱粘检出结果，可以看出，膜下脱粘检出尺寸比膜上脱粘检出尺寸受蜂窝芯的影响要明显一些。例如，膜上脱粘F6的检出尺寸与设计值几乎一致，膜下脱粘F3的检出尺寸在x和y方向的等效投影长度与设计值的偏差分别为|Δx|=1 mm、|Δy|=2 mm。

比较图5中膜上和膜下脱粘的超声C扫图像灰度可以清晰地看出，膜上脱粘对应的灰度要比膜下脱粘对应的灰度更加明亮些。这是因为入射超声波在膜上脱粘形成的反射信号要比在膜下缺陷形成的反射信号更加强烈，主要是膜上脱粘和膜下脱粘缺陷所形成的等效声波反射面积不同造成的：在膜上脱粘区，等效声波反射面积差ΔSu为缺陷区内整个声束的作用面积；而在膜下脱粘区，等效声波反射面积差为声束作用面积内的蜂窝芯壁的截面积之和ΔSc，由于采用的换能器的声束面积Su远比声束作用面积内的蜂窝壁的截面积之和ΔSc大，即有ΔSc≪ΔSu，再加上来自膜下缺陷的声波在胶层中的衰减和声波在蒙皮-胶膜界面的反射引起的入射声波损失，在其他条件一定时，来自膜上脱粘的声波反射信号要比来自膜下缺陷的声波反射信号要大。因此，在超声C扫图像中，对应膜上脱粘的灰度要比膜下脱粘的灰度更加明亮。

除了图5中膜上和膜下脱粘清晰可见外，在扫描图像的右侧，还有一条浅灰色带，如图中Fu所标示的灰度区所示，其从上到下呈现规则分布，这可能与试样制作时，在该部位左右两侧的胶膜拼接有关。

3.3 零件的超声C扫检测结果及其分析

利用所建立的高分辨率超声C扫检测方法及其检测设备，在系列检测验证试验的基础上，对大量的复合材料蜂窝共固化结构零件进行了实际检测应用和结果分析，这些共固化结构零件的蒙皮材料、蜂窝芯、成型工艺等，与对比试样一致。图6中给出了某蜂窝共固化结构零件的C扫描检测结果，其检测参数与检测试样时的相同。由于实际零件非常大(长达3 500 mm)，为了清晰地显示C扫描结果，在图6中仅给出了其C扫描的一部分。从图6中可以非常清晰地看出：① 被测零件内部蜂窝芯分布非常均匀，没有出现图5中所示的蒙皮-蜂窝芯脱粘的灰度显示；② 没有出现蒙皮区缺陷的灰度显示，因为图中对应蜂窝芯的灰度分布非常均匀，这表明入射声波能够正常透过蒙皮到达蒙皮-蜂窝芯界面，而如果在蒙皮区存在缺陷，则会影响入射声波在蒙皮-蜂窝芯界面的反射，从而导致C扫结果中，相应蜂窝芯的灰度分布异常，相关的检测应用结果将在后续的有关论文中介绍；③ 显示出了被测零件内部加强筋的形状及其分布特征(如图中A1、A2、A3、A4所标示的矩形浅灰色区所示)，也能清晰地看出零件四周边缘的筋条区，只是图中给出的是部分成像结果，其左右边缘的筋条区没有在图中显示出来。

图6 某复合材料共固化蜂窝结构零件的部分超声C扫成像结果

4 结论

基于超声反射原理，利用高分辨率超声检测方法和研制的检测系统，可以清晰地提取来自被测复合材料蜂窝夹芯共固化结构中蒙皮、蒙皮-蜂窝芯的界面回波信号，而且时域可分辨、信号质量非常高，同时可以观察到回波信号的幅值和相位变化细节。检测结果表明，蒙皮-蜂窝芯无缺陷区和脱粘区的回波幅值相差11dB左右，且来自脱粘和无缺陷区的回波信号的波形和相位规律也明显不同，蒙皮-蜂窝芯脱粘检出尺寸与设计值的偏差均在单个蜂窝格边长范围内。利用该方法可以有效地实现此类共固化结构的无损检测和缺陷定量评估。利用超声C扫图像及其灰度分布规律可以实现：① 对缺陷进行定量评估；② 对蒙皮-蜂窝芯胶接界面的膜上脱粘和膜下脱粘进行识别；③ 得到有关被测蜂窝共固化零件内部的结构变化特征。文章为复合材料蜂窝共固化结构提供了一种非常有效的无损检测方法和手段。