Page 63 - 无损检测2021年第七期

徐 莹, 等:

变厚度复合材料结构超声反射法成像的缺陷识别与定量表征

大平面的回波声压如式( 1 ) 所示, 由式( 1 ) 可得 为了排除 零 件 厚 度 变 化 对 底 波 幅 度 的 影 响,
到底面的回波声压与零件厚度成反比。 应使用设备 或 系 统 的 时 间 修 正 增 益 功 能, 即 TCG

S ( 深度补 偿 ) 曲 线,以 补 偿 厚 度 增 加 引 起 的 底 波
· ( 1 )
P =P 0
2λx 衰减。
为声源的起始声压; λ 为介质中声波的波
式中: P 0 另外, 除了孔隙密集缺陷, 材料中的小气孔、 富
长; x 为圆盘声源轴线上某一点距声源的距离; S 为 树脂或底波存在型夹杂等不连续性也会导致底波衰
圆盘声源的面积。 减, 故仅通过“ 尾沿波幅” 识别孔隙密集缺陷具有一
根据式( 2 ), 可得到仪器显示屏上的信号幅度与 定的局限性。为了排除其他因素的干扰, 可结合“ 首

声压成正比。 沿位置” C 扫描图辅助识别。
综上所述, 对于孔隙密集缺陷, 应使用“ 尾沿波
P 1 H 1
20l g = 20l g ( 2 )
P 2 H 2 幅” C 扫描图对缺陷进行识别。当零件厚度变化较
为
式中: P 1 为基准声压; H 1 为基准波幅高度; P 2 大时, 应使用 TCG 曲线进行补偿, 同时还需要结合
为底波信号幅度。
“ 首沿位置” C 扫描图辅助识别引起底波衰减的其他
底面回波声压; H 2
结合式( 1 ) 和式( 2 ), 可得出零件底波在仪器显
干扰因素。
示屏上的信号幅度与零件厚度成反比。换言之, 在
1.2.5 小结
检测变厚度层压板零件时, 随着零件厚度的增加, 底 分层、 脱黏、 夹杂和孔隙密集 4 种典型缺陷的识
波幅度线性下降。
别方法如表 1 所示。
表 1 4 种典型缺陷的识别方法
缺陷种类 缺陷识别方法
分层、 脱黏、 底波
使用“ 尾沿位置” C 扫描图表征零件的整体厚度, 并判断是否存在缺陷; 使用“ 峰值位置” C 扫描图表征缺陷深度
消失型夹杂
使用“ 首沿位置” 信息识别缺陷, 对于层压板, 仅从一侧入射声波即可, 对于板板黏接结构, 将换能器分别置于零
底波存在型夹杂
件的两侧进行扫查, 以保证其上板和下板中的缺陷均能被检出
使用“ 尾沿波幅” C 扫描图识别缺陷, 当零件厚度变化较大时, 使用 TCG 曲线补偿零件厚度变化引起的底波衰
孔隙密集
减, 同时结合“ 首沿位置” C 扫描图辅助识别气孔、 富树脂以及底波存在型夹杂等其他干扰因素。
使用自动化超声反射法检测层压板和板板黏接结 较小且呈弥散性分布, 则需要考虑是富树脂、 气孔或
构并存的变厚度零件时, 应首先根据零件的厚度变化 材料不均匀等缺陷。
范围设置 TCG 曲线和包含最大有效分析区间的闸门,
2 试验过程
然后从零件的一侧进行扫描, 分别采集“ 尾沿位置”、
“ 峰值位置”、“ 首沿位置” 和“ 尾沿波幅” 信息进行成像, 2.1 设备与试块
对于板板黏接结构的区域, 再从零件的另外一侧进行 采 用 英 国 超 声 波 科 学 有 限 公 司 生 产 的 CG8-
扫描, 采集“ 首沿位置” 信息, 共生成5幅 C扫描图像。 1.5-2.9型超声喷水反射法 C 扫描检测系统, 超声换
“ 尾沿位置” C 扫描图可以表征零件的整体厚度 能器为 Imasonic 生 产 的 水 浸 平 探 头 ( 晶 片 直 径 为
和其中是否存在分层、 脱黏或底波消失型夹杂, 若存 19mm , 频率为 5 MHz ), 喷嘴直径为 3 mm 。扫查

在缺陷, 则通过“ 峰值位置” C 扫描图判定缺陷的深 对象是厚度为 1.68~10.56mm 的碳纤维树脂基复
度。“ 尾沿波幅” C 扫描图可以表征零件是否存在底 合材料阶梯层压板和板板黏接结构试块。试块中预
波衰减区域, 若存在, 则通过“ 首沿位置” C 扫描图辅 埋了聚四氟乙烯薄膜制成的人工分层和脱黏缺陷各

助识别。对于层压板区域, 若“ 首沿位置” C 扫描图 47个, 大小为 ϕ 3 , 5mm , 预埋在 29 个深度( 阶梯
ϕ
中没有显示, 则可判定为孔隙密集缺陷; 对于板板黏 层板下表面 2~3 层间, 4~5 层间,…, 52~53 层间,
接结构, 零件两侧扫描的“ 首沿位置” C 扫描图中均 54~55 层间, 薄板与各阶梯层压板的胶膜间, 以及
没有显示, 才可判定为孔隙密集缺陷。通过两幅“ 首 厚板与各阶梯层压板的胶膜间)。对比试块中人工
沿位置” C 扫描图, 可以判断层板中和靠近换能器一 缺陷的预埋位置如图 5 所示。
侧上板中的底波存在型夹杂, 若显示的尺寸较大且 2.2 试验结果与分析
轮廓边缘清晰, 则有可能是底波存在型夹杂, 若尺寸 试块的C 扫描图如图 6 所示, 可以看出, 试块中
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2021 年 第 43 卷 第 7 期
无损检测