Page 103 - 无损检测2023年第十期

王 松, 等:

复合材料拉挤长梁缺陷的超声表征与评估

压、 固化、 拉挤移动时机等需要高度协调互动, 在这
一复杂拉挤成型过程中, 意外因素或工艺细节的偏 1 超声检测和试验系统
离可能会引入缺陷, 而且缺陷行为和特征又与拉挤 1.1 超声检测
工艺密切有关。因此, 为了保证复合材料拉挤长梁 复合材料拉挤长梁单脉冲超声检测方法示意如
的质量, 进行拉挤工艺优化, 首先需要研究和建立反 图1所示, 图中, u i 表示入射声波; u f 表示拉挤长梁
映复合材料拉挤工艺特点的缺陷表征与评价方法, 表面反射声波; u b 表示拉挤长梁底面反射声波; u d
然后, 按照产品质量控制要求, 对复合材料拉挤长梁 表示拉挤长梁内部缺陷反射声波。采用超声反射
进行100%无损检测。 法, 利用探头向被检测复合材料拉挤长梁发射单脉
目前有关复合材料无损检测方面文献报道比较 冲周期超声波, 此超声通过耦合介质水, 传播到复合
多, 包括超声 [ 1-3 ] 、 X 射线 [ 4 ] 、 红外 [ 5 ] 、 激光电子散斑 材料拉挤长梁表面, 并与长梁表面相互作用后, 在其

( ESPI ) 、 高频脉冲涡流 [ 7 ] 、 微波 [ 8 ] 等方法。然而, n
[ 6 ]
i
内部形成反射声波u r= ∑ u r i=1 , 2 ,…, n , 由于
,
这些研究没有涉及复合材料拉挤长梁内部缺陷无损 i = 1
i 的弹性
是来自蒙皮 - 加强筋接头区内部材料对u i
检测与评估。从检测原理上看, 红外、 ESPI 、 涡流、
u r
响应, 当复合材料拉挤长梁内部的微结构、 层间界面
微波等检测方法不适用于复合材料拉挤长梁缺陷准
结合行为发生变化或者出现缺陷时, 会影响复合材
确表征与评估及检测, X 射线检测需要专门的辐射
的弹性响应, 当这种弹性响应足够
防护, 也不适用于复合材料超长结构的全覆盖无损 料拉挤长梁对u i
明显时, 就会引起显著的声波反射行为, 进而在复合
检测。相比而言, 超声检测是一种比较可行的检测
n , 经探头压电转换为对应的脉
方法, 因为复合材料超声评估与超声波在其内部的 材料拉挤长梁形成u r
n
传播行为密切有关 [ 9 ] , 复合材料拉挤长梁内部细节 冲回波信号v r= ∑ v r , 如果能够使v r 每个脉冲回
i
i
变化( 如挤压层) 及缺陷的存在会改变入射声波在其 i = 0
波信号在时域上可分辨, 就可确定发生弹性响应变
内部的传播行为, 基于此变化可以进行复合材料拉
化的区域和位置, 进而用于拉挤长梁缺陷的表征
挤长梁缺陷表征与评估 [ 10-12 ] 。但该方法需要针对
i
与评估。影响v r 时域可分辨行为的因素主要有:
复合材料拉挤长梁的特点, 研究建立相应的缺陷表 i
①v r 的脉冲回波信号响应宽度; ② 构成的单个脉
征与超声评估方法。在绝大部分情况下, 需要采用
i 的脉冲个数, 即脉
冲回波信号的宽度; ③ 构成v r
超声反射法才能实现复合材料结构( 如超长梁) 的检
冲周期数。
测, 这就对超声检测的分辨率和表面检测盲区提出
对于垂直入射超声纵波检测, 采用单脉冲超声
了非常高的要求, 因此, 超声反射法检测分辨率和表
技术可以显著改善超声反射法表面检测盲区和纵向
面缺陷检出能力一直是复合材料检测领域广受关注
分辨率 [ 15-16 ] 。在单脉冲超声条件下, 当缺陷面积小
的技术问题 [ 13-14 ] 。
于探头声束面积时, 来自复合材料拉挤长梁的超声
针对复合材料拉挤长梁特征、 成型工艺特点
回波信号可以表示为
以及拉挤造成的表面不平整状态和缺陷, 开展了 3
i
基于单脉冲超声波在复合材料拉挤长梁结构中产 v r= ∑ v r= v f+ v d+ v b ( 1 )
i = 0
生反射行为的缺陷表征与评估方法。试验结果表 1 2 3
,
,
式中: v r=v fv r=v d v r=v b 。
明, 采用超声反射法可以得到高质量的时域可分 反映入射声波在复合材料拉挤
式( 1 ) 中的v f
辨回波信号, 显著改善了入射声波在拉挤长梁中 与拉挤长梁内部缺陷有
长梁表面的耦合效果, v d
形成的超声信号时域的可分辨性, 有利于提高复 反映长梁底面的超声波大小, 与长梁是否存
关, v b
合材料拉挤长梁缺陷检出和定性定量能力; 通过 在缺陷、 缺陷类型、 长梁内部声衰减特性等有关。
超声信号的时域特征及其成像特征可以有效地进 利用式( 1 ) 中超声信号之间的时域关系, 可以确定
行复合材料拉挤长梁中缺陷表征与识别及评估; 检出 缺 陷 的 深 度 位 置 和 拉 挤 长 梁 的 局 部 厚 度
表面 检 测 盲 区 达 到 1 个 复 合 材 料 铺 层 厚 度 ( 约 分布。

0.125mm ); 检出缺陷大小偏差, 最大不超过1mm , 在单脉冲条件下, 可以提取到来自不同复合材
为复合材料拉挤长梁提供了一种有效的缺陷检测与 料层可能存在缺陷的超声反射信号 [ 15-16 ] , 从而实现
评估方法。 拉挤长梁缺陷的准确表征和评估。
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2023年 第45卷 第10期
无损检测