复合材料蜂窝夹层结构制件的超声可视化无损检测（超声波检测）

复合材料蜂窝夹层结构制件的超声可视化无损检测（超声波检测）
复合材料蜂窝夹层结构由于比强度高、质轻、隔音、隔热等优良性能特点，在航空航天领域得到了广泛的应用，如雷达罩、夹芯壁板、夹芯墙、储油箱、安定面、蜂窝舵面等部位。同时，制备工艺、结构特点、设计要求、应用环境等复杂因素均会致使复合材料蜂窝夹层结构在制造和服役过程中，都会形成缺陷，需要针对其苛刻的检测要求研究专门的无损检测方法和缺陷可视化表征技术，从而实现复合材料蜂窝夹层结构的超声成像检测。

目前主机厂及一些航空研究单位针对复合材料蜂窝夹层结构多采用喷水超声穿透法，但实际检测中喷水速度、喷水距离和喷水角度等工艺参数均对检测结果具有较大影响，北京航空材料研究院刘颖韬等人将红外线检测技术应用于蜂窝结构复合材料中人工缺陷的检测试验，取得了较好的检测效果。中航复合材料有限责任公司的史俊伟等主要针对共固化工艺复合材料蜂窝夹层结构中的脱粘类型缺陷，选取接触式超声反射检测为主要技术方向，创新地从A-Scan超声检测和B-Scan、C-Scan超声可视化成像检测等多维多信息表征复合材料蜂窝夹层结构及其脱粘缺陷，并结合金相结果进行验证分析。

1.试验对象

共固化复合材料蜂窝夹层结构检测试验件，如图1所示。该试样尺寸为650mm×570mm，上下蒙皮厚度均为0.5mm，各4层，蒙皮材料为T700/LT-03A，图1中灰度阴影斜线区域标示蒙皮内部的蜂窝夹层结构区域，典型的蜂窝夹层结构如图2所示，蜂窝夹层结构材料为NRH芳纶纸蜂窝，蜂窝格边长为2mm，蜂窝壁厚为0.05mm，采用共固化工艺方式，即蒙皮面板与蜂窝胶接同时固化成型，通过厚度为0.15mm的胶层与上下蒙皮粘接。

由于外压水平分力与芯材内压等因素的作用，蜂窝芯材四边向其中间部位形成塌陷变形（Core Crush），如图3所示。

     图1：复合材料蜂窝检测试样结构（单位：mm）



    图2：型的蜂窝夹层结构及尺寸（单位：mm）
               
    图3：蜂窝塌陷变形
2.检测特征
   根据复合材料蜂窝检测试样的结构特征与成型工艺以及检测要求，分析该复合材料蜂窝夹层结构的结构特点和检测难点具体如表1所示。
表1：复合材料蜂窝夹层结构的结构特点和检测难点分析

结构特征	结构参数	检测难点及检测要求
上下蒙皮区域	厚度：0.5mm	需分辨0.5mm厚的蒙皮区内可能出现的缺陷类型，具备高检测灵敏度与缺陷表征能力。
蜂窝夹层结构区域及粘接结构	壁厚：0.05mm 边长：2mm	需分辨壁厚为0.05mm的蜂窝壁与蒙皮的粘接质量，具备高检测灵敏度；同时针对A-Scan检测波形特征复杂等问题，建立B-Scan、C-Scan可视化成像检测方法。
胶接层结构	层厚：0.15mm	由于固化过程中，存在胶体沿蜂窝壁蔓延的“胶瘤”现象，即成型过程中从面板流出的树脂在面板与芯材端面结合处形成的滞留物，形状一般接近三角形[3]。“胶瘤”现象会造成超声A-Scan检测波形复杂、规律难寻，需结合成像检测结果和相应的验证试验总结A-Scan波形变化规律。
共固化工艺	塌陷变形	针对共固化工艺造成的蒙皮表面凹陷，硬接触的超声换能器使用存在一定局限，需使用水膜耦合的软接触换能器进行A-Scan超声检测以及水浸耦合的成像检测超声换能器。

3.检测试验

3.1超声A-Scan检测方法

试验装置：FCC-D复合材料超声检测仪
换能器：聚焦超声换能器（5MHz）
耦合条件：水膜耦合

结合人工扫查方式针对复合材料蜂窝夹层结构的四处特征区域进行全覆盖超声A-Scan检测，记录典型蜂窝夹层结构的超声A-Scan典型特征波形。

检测结果如图4所示。图中所示的典型区域特征A-Scan波形相对比较明显，但在实际检测中，由于复合材料蜂窝夹层结构幅值、网格尺寸较小数量大且存在“胶瘤”现象引起的胶层状态复杂，对区域2,3,4的A-Scan波形往往分辨难度较大，
通过观察图4分析可知，蜂窝网格A-Scan检测波形特征的判据因素包括：一次回波是否存在、一次回波幅值、二次回波是否存在、回波波形特征、时域位置等。因而在人工手动进行超声A-Scan检测时，检测难度大，缺陷表征、记录以及传递不方便，且容易造成漏检。

   图4：典型的超声A-Scan检测波形

3.2超声C-Scan检测方法

试验装置：CUS-21复合材料超声成像检测系统
换能器：聚焦超声换能器（5MHz）
耦合条件：水浸耦合

首先采用接触式超声C-Scan成像检测技术对复合材料蜂窝夹层结构中的预制人工缺陷进行成像检测，检测试样预埋单层厚度为0.1mm的聚四氟乙烯薄膜模拟脱粘缺陷，直径分别为Φ3mm、Φ5mm和Φ9mm。

人工缺陷与实际缺陷存在差别会造成缺陷识别的困难，此时结合A-Scan波形采用不同的成像闸门进行多次成像检测。为得到良好的可视化效果，针对超声C-Scan二维成像检测结果（局部）进行数值处理形成3D成像后处理结果，如图5所示，由3D后处理结果可以较清晰的看到蜂窝网格的结构分布，椭圆线所示区域疑似蜂窝脱粘。


      图5：超声C-Scan成像3D后处理结果

3.3超声B-Scan检测方法

试验装置：CUS-21复合材料超声成像检测系统
换能器：聚焦超声换能器（5MHz）
耦合条件：水浸耦合

采用水浸耦合方式，对复合材料蜂窝夹层结构试样沿厚度方向进行成像检测，记录蜂窝夹层结构沿厚度方向的检测程序结果并进行分析。扫描6次的典型成像结果如图6所示，可见随着设定一定的步进量，对复合材料蜂窝夹层结构试样进行超声B-Scan进行扫描检测，可以得到复合材料蜂窝夹层结构试样沿厚度方向的结构分布特征。


    图6：扫描超声B-Scan成像检测结果

4.结论

通过接触式超声反射检测方法对复合材料蜂窝夹层结构人工缺陷和实际缺陷的检测试验，详细研究了接触式超声反射检测方法对这类复合材料蜂窝夹层结构的结构表征和缺陷定性定量的检测能力，有效、准确、直观地检出了脱粘类型缺陷。

（1）接触式超声反射检测方法可以检出复合材料蜂窝夹层结构中的直径为Φ3mm、Φ5mm和Φ9mm的脱粘类人工预制缺陷；

（2）对于复合材料蜂窝夹层结构的实际缺陷，应用接触式超声反射检测方法建立可以相互印证的多维多信息的可视化表征，并通过金相验证了接触式超声反射检测方法对于实际脱粘缺陷的检测能力；

（3）该超声检测方法在复合材料蜂窝夹层结构的工艺研究、结构制造和产品服役检测等领域具有广泛的应用前景。

来源：来源节选自《无损检测》2015年第3期，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们及时处理   
作者：史俊伟,硕士,中航复合材料有限责任公司工程师,主要从事复合材料无损检测工作。