Page 42 - 无损检测2022年第九期

陆铭慧,等:
复杂曲面粘接结构的阵列成像检测

超声波从介质 1 垂直入射到薄层介质 2 中, 其内部
声压的传播过程如图 2 所示, 为了更好地表现超声
波在层间的反射透射过程, 图中将实际垂直反射的
路径转化为曲线。

图 1 加热组件结构示意
法, 可准确地检测出材料粘接界面的脱粘缺陷, 保证
粘接质量 [ 6 ] 。 YONATHAN 等 [ 7 ] 利用空气 耦合超
声换能器, 提出了一种损伤可视化的同步扫描策略,

用于脱粘和弱粘检测。 ROTH 等 [ 8 ] 利用压电晶片
主动传感器测量脱粘周围结构的机械阻抗变化来检 图 2 声波在三层介质中的传播示意图
测脱粘缺陷, 结合结构健康监测技术的应用, 可以在 图 2 中 P 0 为入射波声压, P n n =1 , 2 , 3 ,…)
(
早期阶段检测到脱粘缺陷的出现。 SHANG 等 [ 9 ] 采 为介质1 、 2 界面的多次反射回波声压, T n n= 1 , 2 ,
(

用电磁超声方法对固体火箭发动机壳体和保温层的 3 ,…) 为介质 2 、 3 界面的多次透射波声压。通过计
粘结结构进行了检测, 能够准确 判断缺陷的位置。 算可得到界面I位置的反射回波声压 P m m = 2 , 3 ,
(
LI等 [ 10 ] 提出了一种利用导波检测复合材料脱粘的 4 ,…) 的表达式[ 见式( 1 )], 由式( 1 ) 可知每次反射

方法, 并通过 E-X ( 能量 - 位置) 曲线定量计算出脱粘 的回波幅值逐渐递减。在界面I处全部反射回波叠
的尺寸。王昌盛等 [ 11 ] 针对风电叶片前缘粘接结构 加的表达式和在界面 Ⅱ 处全部透射波叠加的表达式
设计了窄脉冲高分辨率的超声波双晶探头 进行检 分别如式( 2 )、( 3 ) 所示。
测, 能够获得明显的缺陷回波。李建存 [ 12 ] 针对 Cf / - 2 j k l - 2 j k l
m- 2
P m = t 12 r 23 t 21 e 2 ( r 23 r 21 e 2 ) ( 1 )
PA6 复合材料和 AA6061 铝合金板材的粘 接缺陷 ∞ ∞
- 2 j k l - 2 j k l m- 2
2
2
进行检测, 提出了超声连续检测和步进式两点静态 ∑ P n = r 12 + t 12 r 23 t 21 e ∑ ( r 21 r 23 e )
n=1 m=2
检测方法。陆铭慧等 [ 13 ] 使用非线性超声评价纤维 -
( 2 )
金属层板的粘接质量, 并提出运用 2 阶和 3 阶非线
∞ ∞
- j k l - 2 j k l
m- 2
性系数进行纤维 - 金属粘接层的评价。盛涛等 [ 14 ] 针 ∑ T n = t 12 t 23 e 2 ∑ ( r 23 r 21 e 2 ) ( 3 )
n=1 m=2
对复合壳体胶接质量的检测开发了一套自动化超声
(,
式中: l 为介质 2 的厚度; r i j 和 t i j ij=1 , 2 , 3 ) 分

C 扫描检测系统, 成功检测出 ϕ 5 mm 及以上的脱 别为由介质i 入射到介质 j 的声压反射率和声压透

粘缺陷。但是针对直升机桨叶前缘加热组件粘接结 为介质 2 的波数。
射率; k 2
构脱粘缺陷检测的研究还比较少。由于直升机桨叶 多层介质中的反射回波声压公式可以由三层介
前缘加热组件为特殊的复杂曲面粘接结构, 常规超 质中的反射回波声压公式推导得出。对于四层介
声方法较难保证稳定的连续检测, 所以目前应用较 质, 探头接收到的回波是由 3 部分叠加而成的, 分别
多的检测方法是电加热法和加热组件与桨叶复合后
为: ① 在介质 1 、 2 界面反射的回波; ② 在介质 1 、 2

的 敲击检测法, 前者缺陷检出能力较低, 后者检测 界面透射, 介质 2 、 3 界面反射, 最终返回介质 1 中被
效率较低且对检测人员要求极高。 接收的回波; ③ 在介质 1 、 2 和 2 、 3 界面都透射, 介

文章研究了声波在多层介质中的传播规律, 设 质 3 、 4 界面反射, 返回到介质 1 中被接收的回波。
计制作了加热组件人工脱粘缺陷试样及加热组件专 整理三层介质的反射透射回波声压公式, 得到四层
用阵列扫查探头, 对加热组件进行了超声阵列成像 介质的回波声压公式如式( 4 ) 所示。
检测, 成功检出加热组件不锈钢 - 橡胶层中的脱粘缺 - 2 j k l
∞ t 12 r 23 t 21 e 2
陷, 成像结果与实际缺陷形貌高度一致。 ∑ P n = r 12 + - 2 j k l +
n= 1 1- r 21 r 23 e 2
1 声波在多层介质中的传播规律 - ( 2 j k l + 2 j k d )
2
3
t 12 t 23 t 32 t 21 r 34 e
( 4 )
- 2 j k l 2 - 2 j k l
3
以三层介质为例, 假设存在一个声压 P 0 =1 的 ( 1- r 21 r 23 e )( 1- r 32 r 34 e )
2
8

2022 年 第 44 卷 第 9 期
无损检测