Page 103 - 无损检测2023年第四期

岳登魁, 等:

“中温环境”环氧树脂固化过程的 Lamb波实时监测

为超声波穿过钢板 / 环氧树脂( Lamb 波II ) 85℃下随着监测时间的增加呈现逐渐下降趋势, 复
幅; A t

的回波振幅。 合材料探头在85℃下回波信号峰值保持稳定。
2 Lamb波监测试验

2.1 试验材料
试验所用的环氧树脂复合材料由中国航天科技
集团有限公司第四研究所提供, 其复合材料由树脂基
体和固化剂混合而成。固化试验所用模具为长方体
45钢槽, 其尺寸为200mm×90mm ( 长×宽), 检测区

域厚 度 为 2 mm , 其 内 腔 底 面 尺 寸 为 150mm×

图3 不同探头超声回波信号峰值变化曲线
70mm ( 长×宽), 厚度为2~3mm 。
2.2 监测系统 2.2.2 85℃下不同耦合剂耦合性能分析
在超声检测中, 耦合剂用来排除探头和工件之
环氧树脂固化过程监测系统构成如图2所示,
由超声发射接收器、 恒温箱、 数字示波器、 钢槽、 样 间的气隙, 实现声能的有效传递, 如果耦合不良会影
品、 中温 Lamb波监测装置和计算机等组成。其中 响超声回波信号的幅值和到达时间。适用于高温下
恒温 箱 型 号 为 DHG-9030A , 数 字 示 波 器 型 号 为 连续工作的耦合剂应满足以下条件: ①黏度随温度

DSO-X3024A ; 中温 Lamb 波监测装置由高温楔 的变化小, 高温下不易流失; ② 挥发性小, 利于高温

块、 高温耦合剂、 高温传感器等组成; 试验采用的超 下长期工作; ③ 成份稳定, 高温下长期工作时物理、

声波频率为3MHz , 采用 LabVIEW 软件进行超声 化学性质不发生变化。选取复合材料探头, 采用
GW-Ⅰ型耦合剂和 Sono600 型高温耦合剂以纵波
信号采集存储; 采用 MATLAB软件进行信号分析。
方法检测高度为29.078mm 的 p eek材料中的超声

回波信号, 其结果 如 图 4 所 示。结 果 表 明, 采 用
Sono600型高温耦合剂, 超声回波信号峰值更高、 更
稳定。

图2 环氧树脂固化过程监测系统构成

当温 度 升 高 到 85 ℃ 时 会 对 钢 板、 传 感 器、
Lamb波频散曲线、 透声楔块、 入射角度、 耦合效果

图4 不同耦合剂的 p eek材料中的超声回波信号
等产生影响, 因此, 需要选取在85℃声学性能保持

良好性能的传感器、 透声楔块、 耦合剂等材料, 同时 2.2.3 85℃下钢板频散曲线分析

需要计算入射角度来激发适当模式的 Lamb波。 当温度升高到85℃时, 材料不仅会发生膨胀,

2.2.1 85℃下传感器压电效应分析 材料的弹性模量、 密度、 泊松比等参数也会发生变
压电陶瓷晶片普通超声传感器是 Lamb波常用 化, 根据式( 3 ),( 4 ), 钢板和透声楔块的弹性模量、 密
的传感器, 其工作原理是通过压电效应实现电信号 度、 泊松比等参数发生变化时将导致超声波的声速
和机械振动信号的转换 [ 12 ] , 压电效应与温度有关, 发生变化, 进而影响 Lamb波的频散曲线和入射角
温度升高时压电效应减弱。笔者分别采用单晶纵波 曲线。

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探头、 单晶窄脉冲探头、 复合材料探头在85℃环境 试验测得85℃下45钢的 c L 为6010m · s ,

温度下以纵波的方式对钢柱进行检测, 各探头的超 c T 为3170m · s , 钢板的热膨胀很小可忽略不

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声回波信号峰值变化曲线如图3所示。由图3可见, 计, 所以根据式( 1 ),( 2 ) 可绘制出85℃下2mm 厚
单晶纵波探头、 单晶窄脉冲探头的回波信号峰值在 钢板中 Lamb波的相速度频散曲线( 见图5 )。
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2023年 第45卷 第4期
无损检测