相控阵超声检测技术在碳纤维复合材料分层缺陷的应用研究_龚上凯.pdf
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1、第 51 卷第 3 期2023 年 2 月广 州 化 工Guangzhou Chemical IndustryVol.51 No.3Mar.2023相控阵超声检测技术在碳纤维复合材料分层缺陷的应用研究龚上凯1,胡 灿2,田胜凯1(1 湖南弘辉科技有限公司,湖南 株洲 412000;2 湖南工业大学醴陵陶瓷学院,湖南 株洲 412000)摘 要:碳纤维复合材料在热成型过程中易产生分层缺陷,本文研究了相控阵超声检测技术对于分层缺陷的定量结果,以及人员检验技能水平对于该测量系统的影响程度。通过预埋不同深度、不同直径的分层缺陷制备试样,使用相控阵超声的 B、C扫描图像进行检测分析,并对此测量系统进行分
2、析。结果表明:相控阵超声检测技术能够较准确定量且直观呈现分层缺陷,且检测结果受检验员技能水平影响程度很小。关键词:相控阵超声;复合材料;分层缺陷中图分类号:TG115.28 文献标志码:A文章编号:1001-9677(2023)03-0163-04 第一作者:龚上凯(1990-),男,硕士研究生,工程师,研究方向为纤维增强复合材料的无损检测研究。Study on Application of Phased Array Ultrasound Detection Technologyfor Layered Defects in Carbon Fiber Composite MaterialsGON
3、G Shang-kai1,HU Can2,TIAN Sheng-kai1(1 Hunan Honghui Technology Co.,Ltd.,Hunan Zhuzhou 412000;2 Liling Ceramic College,Hunan University of Technology,Hunan Zhuzhou 412000,China)Abstract:Carbon fiber composite materials are prone to layered defects during thermal formation.Thequantitative results of
4、phased array ultrasound detection technology on layered defects and the impact of personnelinspection skills on the measurement system were studied.Through the layered defective test samples of differentdepths and diameters,the phase control array of ultrasound B and C scanning images was used for d
5、etection andanalysis,and the measurement system was analyzed.The results showed that the phase-control array ultrasounddetection technology could present layered defects in a certain amount and intuitively.The test results were minimaldue to the level of the testers skills.Key words:phased array ult
6、rasound;composite material;layered defects碳纤维复合材料作为高性能结构材料,以其高模量、高强度、抗疲劳性等力学性能和良好的抗振动、耐腐蚀、耐高温的材料特性,在航空航天、汽车、船舶、轨道交通等领域应用普遍。但是,因为碳纤维复合材料结构件较为复杂、特殊的制造工艺,在其生产制造中容易产生一些分层、疏松、脱粘等内部缺陷,会严重影响结构件的性能和强度,进而出现结构件整体失效或其它灾难性质量事故的风险。碳纤维复合材料热成型过程中产生的分层,通常位于其层压结构内部相邻的两个铺层之间,对于分层缺陷的常见无损检测方法有超声检测、声敲击检测、射线检测等方法,相较于其它方法
7、,超声方法对分层缺陷的探测十分灵敏,定性定量准确1,应用非常广泛,而相控阵超声检测属于一种面积扫描的超声检测方法,其检测分辨率及效率比常规超声检测技术明显提高。周正干等2采用超声技术检测复材打孔试样,获得了打孔的分层缺陷的形状、尺寸图像结果;魏莹莹等3提出了针对碳纤维层合板加工孔的分层缺陷进行高频超声扫描显微镜分析,结果表明此方面可清晰表达至少 5 层的内部分层特征;NAGESWARAN C 等4通过使用相控阵超声在复材试样中预埋的分层缺陷,对于预埋缺陷形状进行了识别,缺陷定量方面尚缺失;李健等5使用相控阵超声可以对复合材料分层、夹杂和脱粘 3 类缺陷进行识别分类,缺陷呈现直观,但同样缺少定量
8、评估。另外,从查阅文献整体来看,对于相控阵超声这一测量系统在复材的检测应用,没有发现“人”这一重要要素的分析。因此,本文重点研究了相控阵超声检测技术在碳纤维复合材料分层缺陷的定量结果,以及人员检验技能水平对于相控阵超声检测测量系统的影响程度。1 相控阵超声检测技术相控阵超声检测的来源于相控阵雷达技术,通过将多个压电晶片按照一定的规律进行排列,并在预先设定的延迟时间内激发每个晶片,将超声波形成一个完整的波阵,从而实现对超声束的扫描、偏转和聚焦,实现对于不连续物体的形态、尺寸和方向的识别,其准确度超过了单一或多个探测器。相控阵超声可以从 A 扫信号中提取出有用的数据,通过 B 扫、C 扫和 S16
9、4 广 州 化 工2023 年 2 月扫等成像技术实现数据分析。图 1 相控阵超声检测 B、C、S 扫描示意图Fig.1 Scanning diagram of B,C and S in phasedarray ultrasonic testing2 实验方法此次超声相控阵检测系统中,主机为 OmniScan X3 便携式相控阵超声探伤仪(图 2),相控阵探头选择线形(线阵列)(2.25L64 A12),选用高度为 23 mm 的有机玻璃楔块(SA12-0L),选用编码器选择 OmniScan ENC1-2.5-DE,用于原始数据采集与分析。图 2 相控阵超声检测系统Fig.2 Phased
10、array ultrasonic testing system检测方法选用脉冲回波法,探头聚焦法则选择 0重叠方式。设置激活孔径为 16,晶元步距为 1,聚焦深度设置为7 mm,滤波器选用带通 2.25 MHz。为了确保准确性,需要对试样进行 3 次单线扫描,每次扫描只检测同一埋深位置的分层缺陷。图 3 试样预埋缺陷示意图Fig.3 Schematic diagram of embedded defects of sample检测试样制作采用碳纤维复合材料,使用江苏恒神公司T300 碳纤布以及道生天合公司 180/185 环氧灌注树脂,其制备过程是由 22 层碳纤布与环氧灌注树脂通过真空灌注成
11、型工艺制备成一块厚度为6.5 mm、长度为300 mm、宽度为200 mm 的层合板,碳纤布在铺层时需在层间预埋聚四氟乙烯膜(厚度为0.08 mm)作为分层缺陷,预埋分层缺陷位置、深度及大小如图3 所示。3 检测结果分析通过超声相控阵设备使用编码器对最试样中层预埋缺陷扫查(图 4),获得到 B 扫、S 扫和 C 扫视图像,B、C 扫描成像效果与 A 扫线性成像中设置的闸门起始与宽度及阈值相关,因此要根据波幅的位置准确设置闸门参数,此试样闸门阈值设置为20%。图 4 相控阵超声检测 A、B、C、S 扫描图像Fig.4 Scanning images of A,B,C and S during p
12、hasedarray ultrasonic testing3.1 C 扫描幅值分析通过表 1 可以看出超声相控阵系统可检测出最小直径为5 mm 的分层缺陷,通过 C 扫图(图5)可看到分层缺陷图像呈现同心圆状,与预埋的圆形聚四氟乙烯模基本一致,表示预埋的聚四氟乙烯薄膜未明显的变形,但缺陷位置与预埋的位置稍有偏差,因此成型工艺为真空灌注,在抽真空时受负压影响会有少许偏移。通过对比不同埋深的缺陷图像,发现随着埋深的增加,缺陷图像的颜色会从红色逐渐变成黄色,表明随着埋深的增加,反射信号会逐渐减弱,所以图 5 中预埋的深层分层缺陷均显示为黄色。同时经进一步对比发现,处于浅层和中间层的预埋分层缺陷当直径
13、10 时,那么它的图像中心会呈现出橙色,预埋缺陷直径10 时,图像中心则会呈现出红色或深红色,其原因是受预埋分层缺陷大小的影响,缺陷越大反射能量就越强,反之缺陷越小反射能量越弱,使得直径越小的分层缺陷越不容易被识别。图 5 试样中的浅层、中间层、底层预埋缺陷 C 扫描图Fig.5 C-scan of embedded defects in shallow layer,middlelayer and bottom layer of samples通过半波高度法(6dB)的定量,可以准确地评估分层缺陷的尺寸。使用 OmniPC 5.1 软件的数据分析功能,在 C 扫描图上进行测量。表 1 为预埋分
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