复合材料结构中R区超声反射信号特征及其检测应用

刘松平，刘菲菲，傅天航，周德武

(1.中航复合材料有限责任公司/中航工业复合材料技术中心， 北京 101300；2.大连长丰实业总公司, 大连 116034)



复合材料结构中R区超声反射信号特征及其检测应用

刘松平1，刘菲菲1，傅天航1，周德武2

(1.中航复合材料有限责任公司/中航工业复合材料技术中心， 北京 101300；2.大连长丰实业总公司, 大连 116034)

R区是复合材料结构中的重要几何过渡区和连接区，利用超声反射法检测时，入射声波在R区形成的反射信号的复杂性明显影响了缺陷的判别和评定。为此，采用宽带窄脉冲超声检测方法，通过专门设计的超声检测系统及水膜耦合换能器，提取和分析来自实际复合材料结构R区的超声反射信号的时域特征，结合超声检出结果进行解剖验证分析。结果表明：采用水膜耦合可以获得较好的声学耦合效果和稳定的超声反射信号；来自R区分层等缺陷和R区层间界面及树脂界面的反射信号在其单周特性、幅值特性、多次反射行为等方面存在明显的时域差别，基于此特征，可有效地进行复合材料R区缺陷的判别和定位，并有效地检出R区近表面单个铺层深度(约0.13 mm)的分层；基于此信号特征的B扫描为复合材料结构中R区缺陷的检测与评估提供了一种非常直观的可视化方法。

超声检测；复合材料；R区；信号特征；缺陷识别

随着复合材料在先进飞机上的不断应用，特别是各种复合材料承力结构的不断推出，复合材料结构的无损检测越来越受到关注，通常要求对飞机复合材料结构进行100%检测。由于超声方法可以非常有效地实现大部分飞机复合材料结构的无损检测和缺陷的定性定量无损评估，因此，超声检测是一种非常重要和广泛应用的复合材料无损检测方法。为了实现复合材料结构的超声检测和缺陷评估，通常需要针对不同复合材料的特点和结构，研究或选用不同的超声检测技术，其中超声反射法和穿透法是目前应用效果最好的超声检测方法[1-4]，对复合材料结构及其缺陷具有很好的检出能力[1-2]。不过，超声反射法和穿透法各有优缺点[3]。其中基于超声反射法和穿透法的C扫描检测技术已成为一种非常普遍和有效的复合材料结构件无损检测方法，且有了很好的工程实际应用[5-6]；而且，利用超声3D扫描技术还可以实现复杂航空复合材料结构的自动无损检测[6]。利用超声检测得到的信号及其变化规律，还有望实现复合材料内部的缺陷自动判别[6-7]；通过优化超声检测工艺，改进复合材料超声检测效果[8]，甚至可以利用空气耦合超声方法解决一些特殊的复合材料结构的无损检测[9]。

图1 R区超声检测方法及结构示意

不过在大多数情况下，超声检测需要对被检测复合材料及其结构中的超声信号特征有一个合理的提前认识和积累。复合材料及其结构越复杂，对检测人员了解和认知其内部超声反射信号规律的要求就越高。有些较为复杂的复合材料结构中，往往存在许多复合材料蒙皮与加强筋几何连接部位，在结构成型过程中，这些连接部位会形成各种各样的几何过渡区，简称R区，它起着结构过渡和一定的传载作用。因此，通常要求对复合材料结构R区进行无损检测，目前主要采用超声反射法对其检测。因其结构开敞性受限明显且入射声波在其内部反射复杂，直接影响了R区超声反射法检测效果和缺陷判别的准确性。因此，针对复合材料结构中各种R区部位及其形状，构建R区超声反射信号特征之后，才能有效地用于R区的超声检测和缺陷的正确判别。目前较为可行的R区超声反射检测方法有：① 超声接触法，采用固体延时块作传声柱，包括采用单晶元换能器和多晶相控阵换能器，延时块与R区表面之间采用硬接触耦合，难以保证扫查过程中的良好声学耦合，从而影响超声信号的反射/接收及其信号规律与缺陷的识别；② 采用超声非接触法，通常利用水作为耦合介质，需要复杂的喷水耦合系统，在复合材料结构在线制造现场或者外场，通常不允许进行大量的喷水作业。笔者针对碳纤维复合材料层压结构R区结构特点，采用高分辨率脉冲超声反射检测方法，通过水膜耦合，分析实际复合材料结构R区的超声回波信号及特征，并通过验证试验构建信号特征与R区内部反射体特征之间的对应联系，指导复合材料结构R区的超声反射法检测和缺陷的判别及检测应用。

1 检测方法

R区通常主要包括蒙皮和填充区，但有些R区，如拉齐成型的筋条中的R区没有填充区，因此，不同R区，其内部结构不尽相同，声波在其中的反射行为也不尽相同。以图1所示的T形R区为例，它由复合材料蒙皮、加强筋或立樯、填充区三部分构成，可分为开敞和非开敞两种情况。不同复合材料结构，因其所采用的蒙皮(其单个碳纤维预浸料铺层厚度在0.13 mm左右)和加强筋或立樯的厚度有区别，因而R区的半径变化不一，在R区形成的填充区也不一样，但要求进行无损检测的部位主要包括：R区左右两侧蒙皮区；R区左右两侧蒙皮-填充区；R区对应的下端蒙皮区；R区对应的下端蒙皮-填充区界面；R区中填充区。

针对R区的特点，采用图1(b)所示的超声检测方法，超声波从P1、P2、P3三个不同位置和方向入射R区，以便对R区各个部位和各个方向分布的缺陷形成最有利的声波入射;其中在位置P2和P3，入射声波的方向通过改变换能器的摆角进行调节，通过换能器的扫查移动，以确保有效地覆盖检出复合材料R区中可能产生的缺陷。

选择换能器时主要考虑以下几个因素：耦合效果，纵向分辨率和表面检测盲区，换能器及其接触端的尺寸。此外，为了保证扫查过程中换能器的稳定耦合和姿态(即入射方向)，尽量使用与换能器配套的扫查辅助装置(图1中所示的辅助装置)。

对于开敞复合材料结构中T形R区的超声检测，选择中航复材生产的专门用于复合材料结构R区检测的高分辨率超声换能器(刘松平等国家发明专利：ZL201210054308.5)，如FJ-1W或FJ-2W系列复合材料结构R区换能器，从位置P2和P3对R区左右侧进行超声检测；选择FJ-1系列复合材料换能器，从位置P1对R区对应的部位进行超声扫查(参见图1)。对于非开敞式的内腔类的复合材料结构R区，选用复合材料内腔R区超声换能器(刘松平等国家发明专利：ZL2012101955528.X)。

选择超声检测系统时，主要考虑以下因素：① 分辨率和表面检测盲区，确保能有效地检出近表面缺陷；② 适合所在的检测环境或场合，通常在离线检测时才考虑超声自动扫描检测系统的选用。

对于复合材料结构R区的在线检测(即被检测复合材料结构不离开其模具或者离开其成型模具后的制造现场)，选择复合材料超声检测仪器(刘松平等授权专利：ZL201320021135.7)，如FCC-D-1/FCC-B-1或MUT-1系列复合材料超声检测仪；对于超声自动扫查检测，选择复合材料超声自动检测设备(刘松平等国家发明专利：ZL201110199057.5)，如其中的CUS-6000系列超声检测设备，超声换能器与R区表面之间采用水膜耦合，确保扫查过程中形成稳定的声学耦合。通过对不同复合材料结构R区进行超声扫查，分析来自不同R区的超声反射信号及其特征。

2 检测结果与分析

为了获取实际复合材料结构R区中的超声反射信号特征及其与R区内部实际质量间的对应关系，采用图1所示的超声检测方法，对一组实际碳纤维复合材料层压结构R区进行了系列的超声反射检测，对其中超声检出具有典型反射信号特征的R区部位进行了取样和显微分析。

图2(a)是从一实际复合材料层压结构R区中对应位置P2及其方向进行超声检测，得到的典型超声反射信号E2(F,L,D)，其中：F标示的脉冲信号波形来自R区蒙皮表面的声波反射，简称F波或界面波；L标示的脉冲信号波形来自R区蒙皮层间的声波反射，简称L波或层波；D标示的脉冲信号波形来自R区内部或蒙皮-填料区界面附近的声波反射，简称D波。

图2 来自R区P2方向和位置的超声回波信号E2(F,L,D)及对应的R区显微结构

从图2(a)可以非常清晰地看出：① 来自R区蒙皮表面的反射信号F足够大，表明换能器与R区蒙皮表面声学耦合良好；② 来自R区蒙皮-填料区界面附近的反射信号D明显，且呈现明显的多周特征；③ 来自R区蒙皮区层间的反射信号L,与D和F相比，呈现无规则的时域特征。

图2(b)是从对应图2(a)中超声检出结果的R区位置取样后，得到的实际R区的断面显微结果，从图中可以清晰地看出：① R区没有出现内部缺陷，这表明图2(a)中的L波的确来自R区层间声波反射，它与R区的材料及其铺层工艺等密切有关；② 在R区蒙皮-填料区界面附近存在较明显的树脂区，由于入射声波在预浸料铺层-树脂界面约有21%左右的声波反射[10]，因而图2(a)中D波应来自R区内部蒙皮-填料区界面附近的树脂反射，而不是缺陷反射，且D波的第1个负峰和F负峰之间的时间差Δt≈1 000 ns。

图3(a)是从R区中对应位置P1及其方向进行超声检测，得到的典型超声反射信号E1(F,L,D)。从图可清晰地看出，E1(F,L,D)具有与E2(F,L,D)相似的信号特征：F足够大；D波明显，呈现明显的多周特征；没有明显的L波。

图3(b)是从对应图3(a)中超声检出结果的R区位置取样后，得到的实际R区的断面显微结果。从图中可清晰地看出：① R区没有出现内部缺陷，且在声波传播方向，层间均匀性明显比R区蒙皮的层间均匀性好，因而在图3(a)中没有出现明显的L波，这与蒙皮区的成型工艺有关。② 在R区下蒙皮-填料区界面附近存在一较明显的树脂界面层，因而在图3(a)中的D波应是来自R区内部蒙皮-填料区界面附近的树脂反射，且D波的第1个负峰和F负峰之间的时间差Δt≈2 450 ns，其传播的声程约是E2(F,L,D)中D波的2.45倍，复合材料的剧烈衰减使得E1(F,L,D)中D波明显比E2(F,L,D)中D波小，但两者的D波时域特征一致。

图3 来自R区P1方向和位置的超声回波信号E1(F,L,D)及对应的R区显微结构

图4(a)是从复合材料结构R区中另一位置进行超声检测得到的典型超声反射信号E2D(F,L,D)。从图中可清晰地看出，E2D(F,L,D)中的D波与E1(F,L,D)和E2(F,L,D)的D波具有明显不同的信号特征：① D波具有明显的单周属性;② 出现了明显D波的多次反射波，如图4(a)中D2波(D的二次反射)和D3波(D的三次反射)所指示的信号波形，而且它们都具有与D波一致的单周特性;③ 出现了明显的L波。

图4(b)是从对应图4(a)中超声检出结果的R区位置取样后，得到的实际R区的断面显微结果(×40倍数)。从图4(b)中白色虚线所标示的铺层界面位置可清晰地看出，在R区蒙皮的第11～12个铺层界面的确存在一分层缺陷，其两端扩展到了R区蒙皮的第12铺层内部。因而在图4(a)中D波是来自R区中第11～12个铺层界面间分层缺陷的反射，且D波的第1个负峰和F负峰之间的时间差Δt≈900 ns，其传播的声程比E2(F,L,D)中D波的声程(Δt≈1 000 ns)略小，但E2D(F,L,D)中D波的幅值约是E2(F,L,D)中D波幅值的2.4倍，即高出约7.6 dB。此外，E2D(F,L,D)中D波的幅值约是E1(F,L,D)中D波幅值的4.6倍，即约13.3 dB。这是因为在分层部位，入射声波几乎产生了全反射，而在图2,3中树脂界面的反射则只有21%左右的入射声波会产生反射[12]。因此，根据E2D(F,L,D)中的D波特征，可以非常容易确定其分层缺陷属性，依据Δt确定其具体的层深位置。例如，根据图4中的超声检测结果和解剖结果，E2D(F,L,D)中的D波(Δt≈900 ns)对应的分层层深约11个铺层深，而E2(F,L,D)中D波的Δt≈1 000 ns，则不难得出，E2(F,L,D)中D波对应约12.2个铺层深度位置，近似12个铺层，从而也验证了上述关于E2(F,L,D)中D波是来自R区蒙皮-填料界面树脂层声波反射的结论。

图5 来自R区不同深度分层的超声B扫描图像

因此，基于超声波在复合材料R区中的反射信号及其特征的B扫描图像及其特征，可以非常清晰地确定R区不同深度的分层，即使当缺陷位于R区表面/底面的1个铺层深度位置，也能被有效地检出。

3 结论

宽带窄脉冲超声波在R区形成的反射信号特征与其内部层间微结构和缺陷密切相关。采用水膜耦合可以获得较好的耦合效果和稳定的超声反射信号，超声检测试验结果和解剖验证结果表明，利用来自复合材料R区的反射信号的时域特征,可有效地进行缺陷判别。

(1) 来自R区分层等缺陷的反射信号D波呈现明显的单周特性，而来自R区层间界面和树脂界面的反射信号D波呈现明显的多周特性。

(2) 来自R区分层等缺陷的反射信号D波波高比来自R区层间界面和树脂界面的反射信号L波波高明显大，对于12个铺层的R区蒙皮，其幅值相差超过7 dB。

(3) 来自R区分层等缺陷的反射信号D波呈现明显的多次反射特性，而来自R区层间界面和树脂界面的反射信号D波通常不会出现多次反射行为。

(4) 利用D波和F波之间的时域差异，可以估测R区D波的具体位置，由此可对超声检出缺陷进行铺层深度定位。

(5) 基于R区超声反射行为的B扫描为R区提供了一种非常直观的可视化检测方法，检测结果表明，其可以有效地检出R区近表面单个铺层深度(约0.13 mm)的分层。且该方法目前已得到了较好的实际检测应用,取得了较好的实际检测效果。

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Ultrasonic Reflected Signals Characterization Resulted from R-Zone in Composite Structures

LIU Song-ping1, LIU Fei-fei1, FU Tian-hang1, ZHOU De-wu2

(1.AVIC Composite Corporation Ltd./AVIC Composite Technology Center, Beijing 101300, China; 2.Dalian Changfeng Industrial Company， Dalian 116034, China)

R-zones are the important geometric transition and joint region of composite primary structures. The complexities of echo signals from R-zones bodies have effects on the discrimination and evaluation of defects when ultrasonic reflection method is used. Therefore, a broad-band short pulsed ultrasonic method was employed to obtain echo signals from series of R-zones in practical carbon fiber-reinforced composite structures by using a special ultrasonic system and transducer with water-film coupling. Time-domain characterizations of the echo signals were analyzed. A series of destructive testing were implemented for validating the correction of the ultrasonic results. The testing results have shown that good ultrasonic coupling and high quality echo signals can be obtained by using the water-film transducer and the ultrasonic system; there are obvious time-domain differences of echo signals from delaminations and interlaminar ply interfaces as well as from resin interfaces in periodic property, amplitude and multiple reflection behavior. These differences in echo signals provide a very effective and easy way to discriminate and position defects in R-zone by using B-scan, which has been applied to practical nondestructive testing and evaluation of series of R-zones in composite structures. The delamination with 3 mm in diameter and single prepreg ply depth (approximately 0.13 mm)can be found out by the method.

Ultrasonic evaluation; Composite; R-zone; Signal characterization; Defect discrimination

2016-08-28

国家自然科学基金资助项目(61571409,60727001)

刘松平(1962-)，男，博士，研究员，博士生导师，主要从事复合材料及焊接可视化无损检测新方法新技术新仪器设备研究与检测应用工作。

刘松平， E-mail：liusping2014@163.com。

10.11973/wsjc201612001

TG115.28

A

1000-6656(2016)12-0001-05