Bonding defect detection of multilayer composites by acoustic resistance method
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摘要:
用于直升机桨叶的新型多层复合材料以不锈钢、橡胶、加热组件和玻纤黏接而成,因其结构复杂且工作环境恶劣,亟需进行严格的质量控制。常规超声检测信号混叠现象严重,无法检出橡胶与玻纤黏接层缺陷。在分析复合材料机械阻抗的基础上,搭建了基于声阻法检测该复合材料的模型,并推导出两个用以表征黏接缺陷信息的参量。试验结果表明,使用机械阻抗的相位与幅值能较好地表征材料缺陷的深度与大小信息,声阻法检测复材黏接缺陷具有较高的可靠性和缺陷检出率。
Abstract:A new multilayer composite material made of stainless steel, rubber, heating components and glass fiber bonded for helicopter blades requires strict quality control due to its complex structure and harsh working environment. The signal aliasing phenomenon of conventional ultrasonic detection is serious and the defects of rubber and glass fiber bonding layer cannot be detected. In this paper, based on the analysis of the mechanical impedance of the composite material, a model based on the acoustic resistance method was established to detect the composite material, and two parameters were derived to characterize the bonding defect information. Experiments showed that the phase and amplitude of mechanical impedance can be used to characterize the depth and size of material defects. The acoustic resistance method had high reliability and high defect detection rate.
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复合材料是一种在21世纪工业发展中大放异彩的新型材料,具有单一母材或金属无可比拟的优势,而成为材料基础研究的突破口[1]。然而,复合材料的质量控制也成为材料领域重点关注的问题。
当前,用于复合材料质量控制的无损方法主要有：超声检测、红外热成像、射线检测、工业CT等[2-3]。上述检测方法都具有一定的局限性,例如：常规超声检测复合材料薄板时容易发生信号混叠,无法准确识别正常界面波和脱黏缺陷波；红外热成像检测设备造价高、容易受到外界环境干扰；射线检测对复合材料中脱黏、分层等缺陷的敏感度低,检测耗时长且有辐射危害；工业CT技术在检测中容易出现难以避免的伪像。因此,需要在复合材料的无损检测领域另辟蹊径,寻找新的方法。
文章提出了一种针对复合材料黏接缺陷的非常规声学检测方法——声阻法检测。声阻法属于声振检测方法中的一种,又称为机械阻抗法。声振检测方法主要有敲击检测法和声阻检测法[4],两者的检测基本原理几乎一致,与常规超声检测方法同源异流,主要差异体现在接收信号及信号处理方面。声阻法的基本原理是在工件中激励出机械波,该机械波在工件中传播会使工件的局部同样发生振动,而有缺陷处与无缺陷处对于同一激励产生的振动响应是不同的,通过振动传感器采集这一振动响应,即可判断材料中是否存在缺陷。
文章研究的对象是以不锈钢、橡胶、加热组件和玻纤黏接而成的新型多层复合材料。使用该材料的直升机桨叶在高海拔、低温度情况下仍能保持稳定的结构与性能[5]。但是采用常规超声方法检测该种复合材料时,因其每层厚度极小,且主要缺陷类型如脱黏、分层等都发生在复合材料中的黏接层界面,界面之间反射回波容易淹没缺陷信号并发生严重的信号混叠[6],声阻法接收的信号则不存在以上问题。同时由于测得的振动响应信号是时域信号,其中的相位、幅值可以对应缺陷的深度与尺寸,因此声阻法检测的结果更加准确可靠,同时也更加清晰直观。
1. 声阻法检测理论分析及模型建立
1.1 声阻法理论
对一个线性、稳定的振动系统施加一个简谐力f(t),该系统在简谐力的作用下产生的稳态振动也必定是简谐的,且振动频率与简谐力的频率相同,但会存在相位滞后和幅值变化,如图1所示。
材料的机械阻抗是一种描述振动响应的物理量。对于稳定、线性的振动系统而言,机械阻抗等于激励与其引起的稳态响应的复数比。在机械阻抗分析时,根据不同的响应量,得到的机械阻抗也有3种不同的形式,分别为位移d、速度v和加速度a。对应电路中的阻抗与导纳,机械导纳等于机械阻抗的倒数[7],详细关系如表1和表2所示（表中k为弹簧刚度；m为质量；ω为激振频率;j为虚数单位;c为黏性阻尼系数）。
Table 1. 3种形式的机械阻抗和导纳响应类型 位移 速度 加速度 力/响应 位移阻抗 速度阻抗 加速度阻抗 响应/力 位移导纳 速度导纳 加速度导纳 Table 2. 3种理想元件的阻抗和导纳元件 位移d 速度v 加速度a 阻抗 导纳 阻抗 导纳 阻抗 导纳 阻尼 jωc 1/jωc c 1/c c/jω jω/c 弹簧 k 1/k k/jω jω/k -k/ω2 -ω2/k 质量块 -ω2m -1/ω2m jωm 1/jωm m 1/m 一个振动系统通常可以看作由阻尼器、弹簧和质量块3种基本元件组成。因此,对于一个单自由度约束的机械振动系统,其机械阻抗为
(1) 式中：F(jω)为激振量；X(jω)为振动响应量；-mω2为质量块的位移阻抗;jcω为阻尼器的位移阻抗。
弹簧元件和质量块可以贮存或释放机械能,阻尼器是耗能元件,通过阻尼力做负功。材料的机械阻抗与本身的几何尺寸、密度、弹性等因素有关。在复合材料中,无缺陷处材料和结构几乎一致,因此机械阻抗处处相等。但是在缺陷处,脱黏会改变材料局部的密度和吸收弹性振动的能力[8],进而导致机械阻抗产生变化。有、无缺陷时的机械阻抗对比如图2所示。
激振量F保持不变,当复合材料黏接状况良好时,激振量F引起的振动是复合材料内所有相互连接的零件共同决定的,因此,激振量F引起的工件振动响应量X最小,故而机械阻抗幅值较大。当复合材料黏接状况较差时,激振量F所激励的振动仅仅为复合材料部分组件的振动,因此,激振量F引起的质点振动响应量X′较大,故而机械阻抗幅值较小[9-10]。
1.2 声阻法检测模型
声阻法检测模型及其信号与系统中的信号传输模型类似,在整个过程中仅观察输入函数、传递函数和输出函数[11]。在声阻法中,激振量即为输入函数,系统的机械阻抗（或者机械导纳）即为传递函数,振动响应则是最后的输出函数,声阻法检测缺陷的过程就是通过将振动响应与激振量相比,反推出材料的机械阻抗,从而判断材料结构的完整性,整个传递过程如图3所示。
上述系统测得的机械阻抗中带有相位、幅值两个参量。相位为激振量与系统到达稳态响应之间的时间差,脱黏缺陷的深度会影响系统到达稳态响应的时间,因此相位可以表征缺陷的深度信息。幅值为激振量与稳态响应量之间的幅值比,缺陷的大小会影响稳态响应的大小进而改变幅值,因此幅值可以表征缺陷的尺寸信息。基于声阻法的上述特征,故在后续试验中,基于声阻法检测原理研发了一套成像系统,该系统框图如图4所示。该系统工作时,首先由同步电路板发出同步脉冲经过发射接收器激励信号,在阻抗谐振探头中产生超声波,超声波通过探头在复合材料中引起微观振动,而有缺陷和无缺陷处对于同一激励的振动响应不同,这一差异体现在机械阻抗的相位和幅值的变化上；然后振动响应传回阻抗谐振探头,进而被发射接收器接收并传输到信号采集卡,经过放大、滤波等信号处理后被保存；与此同时,检测程序发出指令控制机械装置进行扫查,并将位置信息传递给同步电路；最终检测程序将超声信号与探头的位置信号相结合,在探头移动检测的同时进行相位、幅值成像。
2. 试验材料声学检测分析
2.1 试验试块
文章所使用的试块依据直升机桨叶包铁结构设计,在两块复合材料中预埋一定尺寸和深度的缺陷。试块具体规格尺寸（长×宽×高）为200.00 mm×100.00 mm×4.03 mm,厚度方向从上向下依次是0.50 mm不锈钢,2.03 mm橡胶（该部分有3层橡胶,第一层厚度为0.63 mm,第二层厚度为0.86 mm,第三层厚度为0.44 mm,第一与第二层橡胶之间有厚为0.1 mm的加热组件层,共2.03 mm）,1.50 mm玻纤层,试块结构示意如图5所示。在试块边缘涂抹一圈胶质,防止空气中的水分渗入复合材料中影响材料的几何尺寸及缺陷性质,保证试块的完好性。
两试块的实物及缺陷示意如图6所示。1号试块中含有两处预埋缺陷,左侧圆形区域内为一整块下层脱黏缺陷,中间方框内为一整块上层脱黏缺陷。2号试块中含有4处预埋缺陷,左侧方框内为一整块下层脱黏缺陷,右侧方框内存在3条竖直的条形下层脱黏缺陷。
2.2 机械阻抗测试
采集信号前,在试块表面喷涂一层低黏度耦合剂,使阻抗探头与试块表面耦合良好。机械阻抗信号采集方法为：手动将阻抗探头逐点耦合在复合材料试块上,或者以平行扫查的方式在试块上平缓移动探头。当探头在无缺陷位置时,阻抗点经过平衡校准后将处于屏幕中的平衡点位。当探头移动到缺陷位置时,阻抗点会产生偏移；偏移的方向取决于振动响应相位差异,偏移的距离则取决于振动响应的幅值差异。阻抗检测仪实物及检测过程信号如图7所示。
在使用阻抗检测仪接250 kHz谐振探头检测复合材料试块时,设定相位角为300°,增益（水平增益和垂直增益）为40 dB后,检测结果如图8,9及表3所示。在图8中,向左偏移的对应为下层缺陷,向右偏移的对应则为上层缺陷,可以看出上下层缺陷阻抗点偏移方向差异明显。图9中灰色部分代表检测结果中的上层缺陷部位,黑色部分代表检测结果中的下层缺陷部分。
Table 3. 阻抗检测仪检测试块所得数据试块序号 缺陷类型 面积/mm2 埋深/mm 相位/(°) 幅值/dB 1 上层缺陷 1 300 0.50 166.0 3.4 1 下层缺陷 1 250 2.53 31.0 5.6 2 下层缺陷1 120 2.53 56.0 4.5 2 下层缺陷2 180 2.53 58.0 4.7 2 下层缺陷3 250 2.53 56.0 4.6 2 下层缺陷4 700 2.53 61.0 4.5 从图8,9和表3中可以看出：① 信号相位受缺陷埋深影响,随着埋深增大,振动信号与激振信号相位差逐渐减小;② 信号幅值几乎不受缺陷面积影响,但是探头由无缺陷处移入有缺陷处时,阻抗点由平衡位置缓慢向外偏移。当探头移至缺陷中心时,阻抗点也几乎移到幅值最大处。当探头由缺陷处移到无缺陷处时,阻抗点也会缓慢移回平衡位置。因此,信号幅值会受脱黏缺陷大小的影响;③ 缺陷的埋深也会对幅值造成较小的影响。缺陷埋深越大,对材料的振动响应影响也越小,幅值差异会越大,因此表现出的阻抗点偏移幅值也越大。但这个影响量相对较小。
2.3 超声水浸聚焦检测
超声特征扫描检测成像系统作为一种相对完善的声学检测系统,已实际应用于航空、军工等领域多年,对于大量复杂零部件都有较好的检测效果。其是根据探头接收的声波反射信号进行深度或幅值成像的,系统成像精度和运动精度极高。
使用型号为UTFSCAN-SURFACES & HOLES V6.0的超声特征扫描成像设备检测复合材料试块,验证声阻法的检测结果,并对两种方法进行比较。在检测中使用水浸聚焦法检测,探头为纵波聚焦直探头,探头频率为5 MHz。检测设备如图10所示,试验参数设置如表4所示。
Table 4. 超声水浸聚焦检测试验参数参数类型 试验参数 脉冲电压/V 100 激励频率/MHz 2.00~2.25 增益/dB 25 水层厚度/mm 22 在使用超声特征扫描检测成像系统时,通过调节探头到工件表面的距离、信号增益以及选择更为合适的回波信号进行分析均能增强检测效果。调节探头到工件表面的距离可以让探头焦柱包含目标复合界面,例如将下层结合面作为检测目标时,需要通过计算将探头焦柱正确聚焦到下层结合面。调节信号增益可以让目标回波波高在理想范围内波动,提高成像时的图像对比度,使检测结果更加直观。选择正确的回波信号是因为在使用水浸聚焦检测该复合材料试块时,缺陷波信号往往会和界面反射波结合在一起,选择带有缺陷信息的回波进行分析可以达到最好的成像效果。超声水浸聚焦特征扫描检测的成像结果如图11所示。
由图11(a)可以看出,超声水浸聚焦法在检测复合材料薄板时,有严重的信号混叠现象。理论上为了减弱信号混叠的影响,应当选用高频探头,但是高频声波易衰减而难以穿透橡胶层检测到下层缺陷。故在图11(b),(c)两图中可以清晰看出1号试块中的上层缺陷,但是1号,2号试块中的下层缺陷却没有检出。这便是常规超声检测复合材料薄板时的一大弊端：难以在减弱信号混叠现象影响的同时保证声波穿透性。
2.4 声阻法检测与超声水浸聚焦检测对比
将声阻法检测与超声水浸聚焦检测的结果进行对比分析,从图9和图11可以看出,超声水浸聚焦设备对于上层缺陷的检测精度高,扫描结果与预埋缺陷的形状基本一致,但是试块中的预埋下层缺陷却无法检出。阻抗检测仪检测复合材料时对于上层缺陷和下层缺陷都能保证稳定可靠的缺陷检出率,并且由阻抗点相位的偏移差可以简单直观地分辨上层、下层缺陷,对于缺陷的平面位置、深度位置定位都较为精确。由于声阻法是基于材料振动进行检测的,而阻抗谐振探头在材料中引起的振动处于一局部范围内,对于缺陷边界的位置信息只能给出大致的范围,所以使用目前的声阻法检测设备对于小缺陷的定位并不十分精准,同时在缺陷定量方面仍然存在一定的局限性。从缺陷检测结果示意图中也能看出缺陷形状与实际预埋缺陷形状确实存在一定误差。
3. 结语
针对常规超声检测因信号混叠现象严重且无法检出复合材料层间脱黏缺陷的问题,提出了一种基于机械阻抗分析的声阻法检测技术,并试验验证了该方法的可行性,得出以下结论。
(1) 声阻法可以稳定检出复合材料上、下层间脱黏缺陷,且试验结果重复性高。机械阻抗信号的相位可以表征黏接缺陷的深度信息,信号的幅值可以表征黏接缺陷的尺寸信息。
(2) 声阻法检测多层复合材料黏接缺陷时在缺陷定量方面仍存在改进空间。与高精度超声水浸聚焦扫描检测相比,声阻法的优势在于检测复合材料下层缺陷。
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Table 2 3种理想元件的阻抗和导纳
元件 位移d 速度v 加速度a 阻抗 导纳 阻抗 导纳 阻抗 导纳 阻尼 jωc 1/jωc c 1/c c/jω jω/c 弹簧 k 1/k k/jω jω/k -k/ω2 -ω2/k 质量块 -ω2m -1/ω2m jωm 1/jωm m 1/m 
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Table 3 阻抗检测仪检测试块所得数据
试块序号 缺陷类型 面积/mm2 埋深/mm 相位/(°) 幅值/dB 1 上层缺陷 1 300 0.50 166.0 3.4 1 下层缺陷 1 250 2.53 31.0 5.6 2 下层缺陷1 120 2.53 56.0 4.5 2 下层缺陷2 180 2.53 58.0 4.7 2 下层缺陷3 250 2.53 56.0 4.6 2 下层缺陷4 700 2.53 61.0 4.5
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