CFRP层压板的超声检测

李刚卿，周庆祥，张晓丹，曹 峰，彭善柏，蔡桂喜

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266111；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；3.上海新阵元电子科技有限公司，上海 200231)

碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)以其优越的性能受到了广泛的关注，主要应用于航空航天、医疗、交通等领域[1]。受制造工艺、成型工艺及加工工艺的影响，复合材料内部易出现分层、空隙、夹杂、脱黏等缺陷，特别是在服役过程中，CFRP的近表层还易出现冲击损伤。如果不能及时地检出这些缺陷并采取补救措施，缺陷将发生扩展，最终导致CFRP制件失效，造成经济损失甚至人员伤亡。因此，复合材料的无损检测至关重要。

采用超声法对复合材料结构件进行检测，是目前工程上应用最广泛的检测技术。SOHN等[2-3]利用Lamb波的特有优势，对薄板复合材料进行了结构健康监测。采用Lamb波对CFRP进行检测时，一般采用一发一收两个探头，因衰减较大，其激励频率较低，对小缺陷不敏感，需借助于时间反转法进行信号增强[4]。另外，纤维增强聚合物基复合材料的各向异性会对 Lamb 波损伤定位的精度造成较大的影响，许颖等[5]提出了基于时间概率密度法的损伤定位方法。张继敏等[6]使用相控阵超声检测设备，对预埋有不同大小不同深度人工缺陷的22.92 mm厚CFRP层压板对比试块进行了检测试验，在时间校正增益(TCG)曲线的辅助下，通过C扫描成像可以有效检测出0.382 mm和22.54 mm深处的φ6 mm分层缺陷。为克服界面波对复合材料检测的不利影响，袁英民等[7]通过理论计算和试验研究，设计出了适用于飞机夹芯结构复合材料检测用的双晶探头，在上层蒙皮厚度为3 mm，泡沫夹芯层厚度为4 mm的夹芯结构试样中，能有效检测出蒙皮下φ8 mm的脱黏缺陷;周克印等[8]采用双晶探头对风电叶片前缘胶接结构的脱黏缺陷进行了检测，能有效识别出厚度分别为3.2，10，5 mm的3层结构玻璃纤维胶接结构试样中φ10 mm的脱黏缺陷。双晶探头对复合材料脱黏缺陷的成功检测，说明其检测结果不受界面波和检测盲区的影响，该技术值得借鉴和发展。

为进一步研究双晶探头对复合材料中分层缺陷(不仅仅是复合材料层板或蒙皮下的脱黏缺陷)的检测能力，研究了复合材料常用的直探头、延迟块探头和水浸聚焦探头3种检测技术的检测原理和声场特性，结合CFRP的声学特性，选用合适的参数，对层压结构件内部的分层缺陷进行检测，并与双晶探头检测结果进行对比，分析了双晶探头检测层压结构复合材料结构件中分层缺陷的可行性与优缺点。

未经许可创作的演绎作品著作权保护探析.........................................................................杜牧真 李仁玉 12.68

1 复合材料常用超声检测技术

超声波在介质中沿直线传播，当介质中存在缺陷或异常时，声阻抗就会发生变化，超声波在声阻抗不连续处就会发生反射和透射，能量也随之变化，根据接收到超声信号的特点，可以对被检工件进行质量评定。CFRP等复合材料的常用超声检测技术有：① 采用直探头或延迟块探头进行手工检测，具有灵活性高，可达性强等优势；② 采用延迟块探头或水浸聚焦探头进行成像检测[9]，具有检测结果直观性好等优势。目前，相控阵超声技术也正在复合材料检测领域得到了推广应用。各种检测技术的基础是要能得到优越的A扫描信号，从而得到准确可靠的检测结果，因此，有必要对各种超声检测技术的A扫描信号的特征进行分析。

1.1 直探头检测技术

超声直探头常匹配脉冲反射法对被检工件进行检测。其检测原理是在被检工件的一侧放置一个直探头，既作为发射探头，又作为接收探头。当被检工件中有缺陷时，超声波传播至缺陷处会发生反射和透射，反射的超声波被探头接收，形成缺陷回波。

1.2 延迟块探头检测技术

2.3.1 试验装置

2.3.2 试验结果

1.3 水浸聚焦检测技术

在直探头基础上加装声透镜，在水介质中对直探头声束进行聚焦，使声能焦点位于工件表面或其内部，可获得更好的缺陷分辨力。

图11中，P0为入射波，P1为反射波，与经近表面缺陷反射形成的系列反射波Pd1、Pd2等都会被接收到。对于双晶探头，该反射波P1被隔声层阻挡，不会被接收到。设入射波P0=Aexp(jωt)；上界面反射与透射系数分别为γ与β，声束经历近表面缺陷的反射及上表面透射的历程后的总衰减为α；则

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1.4 双晶探头检测技术

双晶探头检测原理如图1所示，采用收发分离的方式，在探头内部并排放置两个压电晶片，并用隔声层将其分隔开。发射晶片可选用发射灵敏度较高的压电材料制作，接收晶片选用接收灵敏度较高的材料制作，以使得探头的灵敏度更高，避免了采用单晶探头进行自发自收检测时受探头性能影响出现导致的灵敏度较低的问题。

图1 双晶探头检测技术原理示意

机械振动钻进。在地质探测中，遇到砂土或粘性土层时一般选用振动钻进，但遇到孔深或岩石比较硬的情况时振动钻进的工作效率就相对比较低。机械振动钻进的工作原理是钻探中安装振动器，在震动器的带动下钻杆和钻头也随之产生振动，因为震动器振动速度比较快会使得土层和岩层疏松，从而有效削减了岩层和土层的硬度，然后在钻具和震动器的双重作用下，使钻头进入到岩土层，完成钻进任务。

收发分离的方式也使得探头的接收信号独立于发射信号，近表面缺陷的回波信号不会与激励信号混叠而造成漏检，减小了探头盲区，提升了近表面缺陷的分辨能力。

采用双晶探头检测复合材料层压结构件时，应使待检区域尽可能地位于双晶探头的菱形区域内，以提高缺陷的检出率和检测灵敏度，确保检测结果的准确性。

2 几种检测技术的对比试验

2.1 被检工件与检测探头参数选择

被检工件为2.5 mm厚的CFRP层压板，共12个铺层，在铺层之间预埋了聚四氟乙烯模拟分层缺陷。缺陷直径为8.4 mm，分别位于上表面23铺层之间、中间层和下表面23铺层之间，被检工件结构如图2所示。

图2 被检工件结构示意

根据被检件厚度以及检测纵向分辨力和横向分辨力需求，选择Olympus V201型可更换延迟块探头作为直探头与延迟块探头检测试验用探头；选择Olympus V310型探头作为水浸聚焦检测试验用探头；特别设计制作了不同频率和焦距的2个双晶探头，其型号分别为5 MHz 4×8 F3和7 MHz 2×6 F2，其频率分别为5 MHz和7 MHz，晶片尺寸分别为4 mm×8 mm和2 mm×6 mm(长×宽)，在钢中焦距分别为3 mm和2 mm。

2.2 近表面分层缺陷检测A扫描信号对比

采用Olympus 5077型超声激励接收器连接探头进行手工检测试验，采用DPO 3052型泰克数字示波器采集超声信号。4种检测技术原理示意及其对CFRP层压板近表面分层缺陷检测的A扫描信号如图36所示。除图3的A扫信号中直探头始波即为上界面波外，其他各探头的始波已移出显示范围。将各个A扫信号中底波对齐并都调至约80%满屏高度以便进行对比。图36中虚线与实线信号波形分别为CFRP板有与无缺陷处的A扫描信号。

图3 直探头A扫描结果

图4 延迟块探头A扫描结果

图5 水浸点聚焦探头检测原理及A扫描结果

图6 双晶探头A扫描结果

由图36可以看出：①φ8.4 mm预置人工缺陷均完全阻挡了声束使底波消失；② 从有无缺陷A扫信号的对比来看，4种方法均可识别出因缺陷引起的信号异常，因此均可检出近表面缺陷；③ 图3～5中近表面缺陷信号紧靠在固有的界面波或始波后边；④ 延迟块探头因延迟块与被检工件的声阻抗匹配性更好，其上界面波的持续时间短，因此近表面缺陷检测效果更好；⑤ 各个探头的上下两个界面信号之间时间差为1.7 μs，因此CFRP板中声速约为3 000 m·s-1； ⑥ 由于板厚为2.5 mm，而缺陷距上表面约0.4 mm，所以缺陷波应出现在上界面波后的1/6处，但从图3～5的A扫信号图上看，该处位于界面波或始波信号中。

2.3 成像检测试验

在直探头与工件之间，插入与复合材料声阻抗基本相匹配的延迟块(例如有机玻璃)，可以在一定程度上抑制上表面界面波，减小检测盲区，更好地发挥直探头检测技术的优势。

成像检测试验装置框图如图7所示，采用步进电机驱动的机械装置带动上述探头对CFRP层压板进行x-y方向扫查。扫查区域为110 mm×40 mm(长×宽)，扫查步距为0.5 mm。

图7 成像检测试验装置框图

念蓉发誓她并不想追查这件事情。并非她不在意，而是她认为，有时候，在某些事情上追查到底，不仅是自讨没趣、自讨苦吃，甚至是自我虐待。

由于近表面缺陷与上表面间距d<波长λ，则界面反射波P1与Pd1、Pd2等缺陷反射波会产生干涉现象，接收到的回波可表示为

图8 延迟块探头检测结果

图9 水浸点聚焦探头检测结果

图10 双晶探头检测结果

由图810可知，3种检测技术均能有效检测出复合材料层压结构中的分层缺陷，且B扫描，C扫描成像效果良好。

大多数小型农田水利工程基本都是20世纪六七十年代建成的，受当时经济条件以及技术水平的限制，这些水利工程的抗灾能力、耐用性都较低，同时缺乏必要的维修养护资金，致使水利工程设施老化失修，水资源浪费现象严重。灌溉时大水漫灌，“跑、冒、滴、漏”现象常见，对灌区的灌溉效率与经济效益产生较大影响。少数农户随意耕种沟渠，毁堤取土，造成中小沟渠堵塞，水流不畅；对井灌设施保护不力，老机井损坏严重，部分已经不能使用；小型电灌站的沟渠配套、农田整治等工作跟不上，设备锈蚀，部件被盗，很多已不能正常使用。

3 试验结果分析

3.1 近表面缺陷信号位置分析

对于直探头来说，一方面由于缺陷位于探头的近场，另一方面由于始波的电信号阻塞效应严重，所以直探头不利于检测近表面缺陷。

从图36可以看出，上表面的界面波一般会持续2个周期，5 MHz探头在CFRP板中纵波声速约3 000 m·s-1，其波长约为0.6 mm，因此上界面电信号阻塞效应导致的检测盲区深度理论上约为1.2 mm。理论上上表面下0.4 mm的分层缺陷在盲区中应难以发现，但由于入射声束在上表面与近表面缺陷之间存在多次反射象(见图11)，其实际上是可以被识别的。

图11 上表面与近表面缺陷之间多次反射示意

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式中：A为幅值;j为虚数;ω为角频率;t为时间;d为缺陷深度。

使用除直探头外的3种探头对工件进行B扫描和C扫描检测试验，延迟块探头的检测结果如图8所示，水浸点聚焦探头的检测结果如图9所示，5 MHz F3型双晶探头的检测结果如图10所示。

S=P1+Pd1+Pd2+…=

由图1可见，收发压电晶片与水平面之间存在一定的夹角，从而使得双晶探头在被检工件中形成一个菱形声场区，该区的中心点F为声场的焦点，因此，双晶探头也具有聚焦特性。当压电晶片与水平面之间的夹角发生变化时，菱形声场区的形状也会随之发生变化，于是可通过调节晶片角度来改变菱形区域的大小和缺陷回波信号的灵敏度。通过调节延迟块的高度，可改变工件中的近场区长度和菱形区域在被检工件中的相对位置，达到减小盲区，提高近表面分辨率的目的。

会上，中国农业大学教授、资源与环境学院副院长江荣风，安徽农业大学党委常委、副校长姚佐文，安徽六国化工副总经理、总工程师沈浩，代表三方签署战略合作协议。

(3)

式(3)中指数项的虚数决定了缺陷回波的相位延迟，即缺陷信号最大值位置与其缺陷实际位置d相比，对应的时间会产生延迟。因此，近表面缺陷信号的峰值位置并不对应实际缺陷的实际位置。

本研究随机抽取2015年1月—2018年9月期间我院进行过64排CT冠状动脉造影检查的临床确诊为冠心病患者95名，经检查，所有被选取研究对象心电图均显示窦性心律，研究对象基本资料如表1所示。

3.2 缺陷定量准确性分析

根据图810的检测结果，将φ8.4 mm预置人工缺陷的实际检出尺寸列于表1中。

表1 实际检测得到的缺陷大小 mm

由表1中数据可知，双晶探头对复合材料层压结构件中分层缺陷的定量准确度最高，水浸点聚焦探头次之，延迟块探头定量误差最大。双晶探头对于中下层缺陷的定量结果较为准确，上层缺陷定量结果偏小；水浸点聚焦探头对中层缺陷定量较为准确，上层缺陷定量结果偏大，下层缺陷定量结果偏小；延迟块探头定量结果均偏大，且随着缺陷深度的增加，定量结果趋于准确。

缺陷定量准确性受探头的声场尺寸和焦点位置等声场特性影响。由于5 MHz F3双晶探头在钢中的焦点位置为表面下3 mm，其在CFRP中的位置则更深(约为8 mm)，因此该双晶探头对近表面缺陷的回波信号强度不高，检测灵敏度不高，造成定量不准。同样，对于水浸点聚焦探头，当缺陷位于焦点位置处时，其定量准确性较高，而延迟块探头由于声场较大，定量准确性低。

3.3 检测结果对比

各技术的C扫图像都可有效识别出缺陷，且缺陷轮廓清晰，可进行缺陷测量。从图8和图9可以看出，水浸聚焦探头和双晶探头具有一定的聚焦功能，能显示出CFRP的纤维分布形貌。但水浸聚焦探头部分界面波进入到成像闸门范围内，致使成像质量变差，对检测结果的判定造成了一定的干扰。

由B扫图像可清晰分辨出位于不同埋深处的分层缺陷，但水浸点聚焦探头和延迟块探头的近表面缺陷回波信号紧邻界面波。若C扫成像闸门选取不当，或探头脉宽较大，则可能导致近表面缺陷回波信号消失或混叠在界面波中无法有效识别，致使在C扫图中观察不到近表面缺陷，造成漏检。双晶探头的检测结果无界面波干扰，通过合理选择延迟块高度、晶片频率和夹角，可使缺陷位于菱形区域内，减小探头的盲区，提高近表面分辨率和检测灵敏度，确保检测结果的准确性。在定量方面，双晶探头的检测结果更为准确，且不会造成缺陷的漏检和误判。

4 结语

(1) 采用延迟块探头、水浸点聚焦探头和双晶探头均能检测出复合材料层压板结构件中的分层缺陷。相对于钢而言，CFRP等复合材料的近表面缺陷更易于检测，可检测近表面0.4 mm深的分层缺陷。

(2) 采用直探头和水浸点聚焦探头检测复合材料层压结构件时，界面波的存在对近表面缺陷成像造成干扰，且定量误差大。由于近表面缺陷与上表面之间的缺陷波会发生反射和干涉，会造成缺陷反射回波的峰值位置延迟，进而造成近表面缺陷深度位置测量不准确。

在高速动车组运行过程中，由于潮流分布和系统元件参数变化，牵引供电系统会产生过电压。过电压通常会引起供电系统绝缘闪络，造成断路器跳闸，影响供电系统安全运行；同时，过电压还可能会造成高压电气设备被击穿，从而酿成事故，以致供电中断。因此，有效安全地获取过电压的数据，掌握其分布规律，并实时监测其变化就显得尤为重要。

(3)采用双晶探头检测复合材料层压结构件时，定量较为准确，近表面缺陷识别效果好，避免了界面波的干扰，提高了检测结果的准确性。