复合材料层板超声检测缺陷评定方法分析

'第44卷增刊2012年4月南京航空航天大学学报JournalofNanjingUniversityofAeronautics＆AstronauticsV01．44No．SApr．2012复合材料层板超声检测缺陷评定方法分析王铮梁菁史丽军权鹏(北京航空材料研究院．北京，100095)摘要：碳奸雏增强树脂基复合材料的接触式超声检测，对大于探头直径的缺陷常采用半波高法评定大小．但各检测标准均没有对半波高法的基准波进行规定。采用不同基准波评定缺陷可能套追成缺陷评定结果不同，从而直接影响制件验收。本文采用理论分析与实际检测相结合的方法，对复合材料检测中常采用的以底面回波为基准波和以缺陷回波为基准波两种缺陷评定方法进行分析，比较了两种方法测量结果的差异，给出了复合材料层板接触式起声检测缺陷评定方法的建设。关键词：复合材料}起声检测；缺陷评定中图分类号：TB5文献标识码：A文章编号：1005·2615(2012)S·0138—04MeasurementforUltrasonicContactInspectiononDefectinCarbonFiber—ReinforcedCompositeWangZheng，Liang,ling，ShiLijun，OuanPeng(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials，Beijing，100095，China)Abstract：Whenthecarbonfiber-reinforeedcompositeisinspectedbyultrasoniccontactmethod，thesizeofthedefectismeasuredbytheamplitudeofthereflectionecho．Thedistancebetweenthetwopointscanbedeterminedasthe1engthofthedefectononedirectionwhentheamplitudeofthereflectionechocomesdowntohalfofitsmaximum．Thereflectionechocanbereflectedbythedefectaswellasbythebottom．Theeffectofthechoiceofthesetwodifferentreflectionechoesonthemeasurementresuhisstudied．Thesuggestiononhowtomeasurethedefectisalsogiven．Keywords：composite；ultrasonictest；measuredefect复合材料以其优异的性能在航空工业领域得到越来越广泛的应用，无损检测技术作为复合材料制件质量控制的有效手段，也越来越发挥出重要作用。超声检测技术是在复合材料制件无损检测中应用最多的检测手段。在复合材料制件的超声无损检测中，准确地评定缺陷尺寸，关系到制件质量是否合格，意义十分重大。而依据采用的超声检测方法不同，缺陷尺寸的评定也有多种方式[14]，每种方法各有其特点和适用范围。接触式脉冲反射法超声检测技术应用灵活，成本低廉，且可作为自动检测缺陷尺寸评定的补充方法，应用十分广泛。在复合材料制件的接触式超声检测中，对缺陷尺寸的评定方法通常规定为：小于探头有效声束直径的缺陷，采用与同深度对比试块中人工缺陷比较的方法确定；大于探头有效声束直径的缺陷，采用半波高法评定缺陷大小[4]。复合材料制件中的缺陷尺寸多大于探头有效声束直径，实际检测中采用半波高法评定缺陷时，基准波高的选择有所不同，有时选用缺陷回波作为基准波，有时选用底面回波作为基准波。选用不同回波作为缺陷评定基准，是否会对评定结果产生影响，在各种检测标准和书籍中均元明确说明。本文将采用理论分析与实际检测相收稿日期：2011·10-16；修订日期：2012—01·30通讯作者l王铮，女，工程师，E—mail；wangzhengaln@sina．tom．CB。 增刊王铮，等：碳纤维增强树脂基复合材料层压板接触式超声检测缺陷评定方法分析139结合的方法来对这一问题进行分析。1半波高法缺陷尺寸评定原理在超声检测中，当超声检测仪的垂直线性较好时，仪器显示屏上的信号幅度与声压成正比，其比值可用分贝(dB)来表示‘5]△一20lgP石。一2019瓯Ho(1)式中：P。，户，为声压；Ho，H-为仪器显示屏上信号幅度。采用半波高法检测时，仪器显示屏上信号幅度变为原来的1／2时，对应回波声压变为原来的1／2。图(1～2)给出了分别以底波和缺陷波为基准波时对缺陷评定示意图。(b)缺陷边界，半波高法确定缺陷一图1以底波为基准评定缺陷示意图(b)缺陷边界，半波高法确定缺陷尺寸图2以缺陷波为基准评定缺陷示意图以底面回波为基准评定缺陷时，设底面回波声压为p，当探头移至缺陷上方，回波声压变为p／2时，认为探头发射声压的一半被缺陷遮挡，由于声束的对称性，此时探头的中心点正好对应缺陷的边缘，即缺陷边界点，同一直线上两个缺陷边界点间的距离即为缺陷大小(图3)。以缺陷回波为基准评定缺陷时，设缺陷回波声压为P’，当探头移至缺陷上方，回波声压变为户7／2时，认为探头发射声压的一半移离缺陷，由于声束的对称性，此时探头的中心点也正好对应缺陷的边缘，即缺陷边界点，同一直线上两个缺陷边界点间的距离即为缺陷大小(图3)。探头图3缺陷尺寸评定探头与缺陷相对位置示意图根据上述分析，理论上，不管采用底面回波作为基准波，还是采用缺陷回波作为基准波，当声压减半时，探头与缺陷的相对位置都相同，故采用两种不同基准波对缺陷进行评定，虽然灵敏度不同，但其测量结果应该是一致的。2实验图4为实验采用的试样结构示意图，试样是T300碳纤维高温环氧树脂基复合材料层压结构，共80层，单层厚度0．125mm，总厚度10mm。为开展采用不同基准波高对缺陷评定比较实验，在试样中设计、制作了9个人工缺陷，人工缺陷的制作方式为在试样背面钻铣平底孔至一定深度，平底孔埋深分别为层板的2～3层问、40～41层间、79～80层间，缺陷大小为中20，毋12，垂6mm各3个。不同纤维、树脂牌号的碳纤维树脂基复合材料层板对超声波的衰减不同，但根据前面分析，采用半波高法评定缺陷时，影响基准波高幅度降低的是缺陷与探头的相对位置，与材料衰减无关，故采用上述试样得到的实验结果能够普遍适用于碳纤维树脂基增强复合材料层压板结构。试验选用仪器为380“，选用探头为5MHz延迟块探头和无延迟块探头2种，晶片直径均为6mm，分别以缺陷回波和底面回波为基准对上述试样中的人工缺陷尺寸进行测量。3实验结果与分析对图4试样分别采用延迟块探头和无延迟块 140南京航空航天大学学报第44卷探头检测，基准波高分别为缺陷波和底面回波，检测结果见表(1，2)。由表1，2数据看，两种探头以两种基准波对缺陷的测量结果基本相近，误差不超过1ml"n，进一步对各检测数据进行误差百分比计算，并将同一缺陷x方向误差与y方向误差取平均值，得到使用延迟块探头与无延迟块探头采用两种缺陷评定方法的误差比较(图4，5)。由图5，6中数据可以明显看到，延迟块探头测量误差小于无延迟块探头的测量误差，延迟块探头检测结果中以缺陷波为基准波测量误差大于以底波为基准的测量误差，无延迟块探头测量结果中两种基准波高评定的结果存在差异，但元明显规律性。厶．』“图4复合材料层板对比样件问裹1延迟块探头缺陷尺寸测量结果mm裹2无延迟块探头缺陷尺寸测量结果mm注：试样中人工缺陷为圆形。由于不能直接2．5f‘、-----—-—----------·---·-一2一爨2．0卜—————一苓2藕l_5卜——一藕1．契：j匕蚤匹。底波塑；6姿4删瑟z磊00．459．9缺陷埋深／mm(a)中20him缺陷L_豳0．459．9缺陷埋深／mm(a)驴20姗缺陷t■．_8_b‘J¨¨给出缺陷掌枷；!|《咖1并_l_bUk0．459．90．459．9缺陷埋深／nun缺陷埋深／mm(b)击12∞缺陷(c)中6m缺陷图5延迟块探头两种基准波高缺陷评定误差比较0．459．9缺陷埋深／mm(”中12岫缺陷-缺陷波-底波6嘉。瑟z嚣0l^一豳、0．459．9缺陷埋深／ram“)中6mm缺陷图6无延迟块探头两种基准波高缺陷评定误差比较-缺陷波．底波尺寸．6420幂＼椭曾}嘟藤渡陷波缺底 增刊王铮，等：碳纤维增强树脂基复合材料层压板接触式超声检测缺陷评定方法分析141理论分析认为，采用底波和缺陷波做基准波对缺陷的评定结果一致，而在实际检测中采用这两种方法对缺陷的测量结果却有所差异。其原因可能是实际检测中，部分测量结果是在探头近场区内得到的。有研究表明[5]，实际声场与理论声场近场区的声压分布有较大差异，而远场区的声压分布基本相同。这是因为近场区的声压分布特点主要是由声波干涉引起的，理论分析中认为声源是均匀分布且连续激发的，那么在探头声柬轴线上的任意横截面的声场均对称分布，使得探头声场能量减半的位置刚好通过声束横截面的中心。而实际声场中的声源条件与假定条件不同，检测探头多是非均匀激发的脉冲波源，并且受探头晶片实际制作情况的影响，探头声束轴线上任意横截面的声场可能不满足对称分布，声场能量减半的部位不能保证正好通过声束横截面声场中心。因此，在探头近场区对缺陷进行评定时，测量结果与真实值有较大偏差。在上述实验中，延迟块探头的延迟块长度为8．5mm，声渡在延迟块材料中的近场长度为16．7mm，故使用该探头检测对比试样时，只有第3列缺陷和底面位于探头的远场，所以采用位于远场的第3列缺陷回波和底面回波为基准波测量结果与真实值更加接近。使用无延迟块的探头检测时，被检试样中整个深度范围均处于探头的近场中，导致其测量误差较延迟块探头远场区测量误差大。采用接触式超声检测方法对缺陷进行评定时，除探头声场和缺陷所在深度会对评定结果产生的影响外，还有其他影响因素，如：人手定位误差、人为读数误差、仪器误差等，这些影响因素共同作用产生了试验误差，实际检测时应尽量减小误差的产生。本文主要对采用不同基准波高评定缺陷产生的差异和使用延迟块探头与无延迟块探头对缺陷评定的差异进行了分析。由实验结果看，不同埋深、不同大小的缺陷评定误差也存在差异，这些差异是随机产生的还是具有一定规律性，还需要更多试验数据做进一步分析，本文不做论述。4结论通过以上分析，对碳纤维树脂基复合材料层压板采用接触式超声检测方法，对缺陷尺寸进行评定，有以下结论：(1)对复合材料层板进行检测，选用延迟块探头，且使探头的近场位于延迟块中，有利于缺陷的评定；(2)当底面与缺陷均处于探头的远场区时，以底面回波或缺陷渡为基准，用半波高法评定大于探头直径的缺陷，测量结果基本相同；(3)在近场中对缺陷大小进行评定时，误差大于在远场中的评定结果。对碳纤维树脂基复合材料层压板采用接触式超声检测方法进行缺陷评定时，建议采用以下方法：(1)尽量选用延迟块探头，且最好使探头的近场位于探头楔块中；(2)对缺陷进行评定时，尽量选择位于探头远场的缺陷回波或底面回波为基准波测量。参考文献：[13D，OrazioT。LeoM，DistanteA，eta1．Automaticultrasonicinspectionforinternaldefectdetectionincompositematerials[J]-NDT&EInternational，2008，41(2)：145-154．[z]SubhenduK，ArvindH，KarunasenaW．Ultrasonic"wavesandmaterialanddefectcharacterizationincompositeplatesD]．MechanicsofCompositeMate-r谊IsandStructures，1999。6(4)：285-300．[3]XavierE，ClaudioP．Ultrasonicandmicroscopicin-vestigationofimpactdamageinGFRPcomposites[J]．ResearchinNondestructiveEvaluation，2010，13(1)：23-36．[4]陈颖，伍颂，何双起，等．GJ81038．1A一2004，纤维增强复合材料无损检测方法，第1部分超声波检验Is]．北京：国防科工委军标出版发行部出版，2004．[s3史亦韦．超声检测[M]．北京：机械工业出版社，2005：15—16．'