无损检测：复合资料的超声检测技能
跟着我国航空航天技能的快速展开，各种复合资料运用越来越广泛。迄今为止，战斗机运用的复合资料占所用资料总量的30%左右，新一代战斗机将到达 40% ;直升机和小型飞机复合资料用量将到达70%～ 80%左右，乃至呈现全复合资料飞机。复合资料及其构件开发与运用的迅速展开，对无损检测技能提出了严峻的应战。经过不断的研讨、开发和完善，现在超声检测已成为最首要和成熟的复合资料无损检测办法之一。因为复合资料结构多种多样，要求也不尽相同，只是运用超声检测办法还难以担任其质量的检测与鉴定，实践检测工作中往往需求针对不同检测目标和要求，选用不同的检测技能和办法。
超声检测在复合资料研讨及其制作中的运用
复合资料无损检测首要运用于以下3 个方面：资料无损检测;结构无损检测;执役无损检测。资料无损检测首要处理资料研讨中面对的问题，进行比如资料内部缺点表征、功用测验、缺点根本判据的树立、无损检测物理数学模型的树立等研讨，其检测目标首要是试样、试片。结构无损检测首要处理结构在工艺制定、结构件制作进程中面对的问题，如对各种结构件进行无损检测所需的仪器设备等检测手法的树立、信号处理技能、缺点判别、规范树立与完善等，检测的目标是各种装机运用的工程结构件。执役无损检测首要研讨装机结构件在执役进程中所需的无损检测办法、手法等，包含供给有关结构件剩下寿数、剩下强度、损害扩展等综合信息的点评，检测的目标是装机后的各种执役结构件。很多的研讨和运用标明，超声检测是现在关于复合资料最为有用有用、运用最为广泛的无损检测技能，它能牢靠地检测出复合资猜中的分层、疏松、孔隙等大部分危害性缺点。下表给出了几种常见复合资料超声检测技能的特色。
复合资料制品超声检测办法
1 超声C 扫描检测技能
超声探头接纳到的脉冲回波具有不同的图画显现办法，常见的有A型显现、B 型显现和C 型显现。A型显现是根底，其他两种显现办法均由A型显现的数据重建得到。其间，C 型显现是一种在必定深度勘探的显现办法，图画上的纵、横坐标别离标明探头在被检体外表上的纵、横坐标，所以C型显现的成果是与扫描平面平行的一幅截面图画，并作为最常用的显现成果供给给终究用户。
超声C 扫描是具有C 型显现功用的探伤办法，在微观缺点检测中，常用频率为0.5 ～ 25 M H z的探头，选用脉冲反射法进行检测。超声C 扫描因为显现直观，检测速度快，已成为大型复合资料构件遍及选用的技能。现在C扫描检测技能能够明晰地检出复合资料结构中体积散布类缺点。 K.Lemster 在研讨金属基复合资料的机械功用时，运用超声C扫描对资料内部的均匀性和裂纹进行了检测。国内魏勤等人运用超声C扫描对碳化硅颗粒增强铝基复合资料试样进行了检测，能够明晰地看出资猜中的聚会和孔洞。浙江大学王艳颖针对大型非对称复合资料构件提出了一种超声C扫描检测办法，该办法集机器人、反求工程、超声成像、超声信号处理等多学科技能于一体，完结了实时检测时对构件曲面盯梢和灵敏度实时补偿的功用。吴瑞明选用多传感器信息交融技能，经过仿形丈量和重建模型的办法完结了复合资料超声C扫描的一般进程，精确检测出了复合资料的缺点。但如要求有更精确的复合资料定量检测技能，特别是关于新式复合资料，如缝编结构及陶瓷基复合资料等，要了解和把握这类资料内部缺点的散布状况和含量，惯例的C扫描往往难以担任。
2 超声导波检测技能
导波是指因为介质鸿沟的存在而发生的波，在介质尺度跟声波波长可比的状况下，介质中的波以反射或折射的办法与鸿沟发生效果并屡次来回反射，发生纵波与横波间的模态转化，构成杂乱的干与，呈现出了多种传达办法，构成各种类型的导波。导波本质上仍是由纵波、横波等根本类型的超声波以各种办法组成的。导波的首要特性包含频散现象、多方式和传达间隔远。超声导波检测是一种快速大范围的开端检测办法，一般只能对缺点定性，而定量是近似的，对可疑部位仍需求选用其他检测办法才干作出终究的点评。
因为导波检测具有快速便利的运用特色，现在已成为超声检测范畴研讨的热门。T . K u n d u 选用L a m b波扫描了复合资料的缺点，树立了线扫描办法和缺点成像技能。K . M a s l o v 研讨了5 层纤维增强复合资猜中运用漏L a mb 波检测内部缺点的方式挑选办法，把应力和位移的改变作为是否存在缺点的判别根据。N.Toyama 研讨了复合资料横向裂纹和分层缺点对S0 方式L a m b波速度的影响。T . R .H a y 剖析了复合资料蜂窝结构中导波的传达，运用Guided UltrasoNIcs公司出产的应力波剖析仪对蜂窝板的脱粘缺点进行了检测。法国M.Castaings 等人用Lamb波对EADS-ASTRIUM公司的高压复合资料油箱进行健康监测，激起了辨认为A0 方式的L a m b波，在传达进程中对碳纤维环氧体复合资料的微裂纹较为灵敏，实验成果有很好的信噪比，为运用中的高压复合资料油箱供给了无损健康监测的或许性。 M.Castaings等人还在玻璃环氧体复合资猜中激起了L a m b 波和S H导波，研讨了不同方式下的相速度的改变，获得的成果与理论有杰出的一致性。国内如北京工业大学、同济大学等研讨机构的首要精力会集在大型板壳、管道、铁轨等方面，其间部分产品已投入实践运用。北京航空航天大学无损检测研讨室展开了大型复合资料板壳粘接质量的超声导波检测技能研讨，对铝蒙皮蜂窝板的脱粘缺点进行了导波线扫描检测。
3 空气耦合超声检测技能
传统超声无损检测办法因为需求运用耦合剂，无法适用于某些航空航天用复合资料构件的检测，首要原因是耦合剂会使试样受潮或变污，且有或许进入损害处，这会严重影响构件的力学强度和稳定性。非触摸空气耦合超声检测办法是处理这个问题的可行途径之一。空气耦合超声检测是以空气作为耦合介质的一种非触摸超声检测办法，它能够完结真实的非触摸检测，不存在换能器的磨损，可进行快速扫描。别的，空气耦合超声检测简单完结纵波到横波、板波和瑞利波等的方式转化，而研讨成果标明，在复合资料检测中，横波、板波和瑞利波比纵波的灵敏度高，空气耦合超声检测的这一长处有利于完结复合资料的检测和资料特性的表征。现在，国外已开端将空气耦合超声检测技能用于某些复合资料板的检测，能够检测出脱粘、脱层、气孔、搀杂和纤维开裂等缺点，能够处理传统液体耦合超声检测办法不能处理的问题。可是，空气耦合超声检测的信号衰减很大，声阻抗较高的资料很难完结在线检测，有必要选用特别机制来改进，并且选用脉冲回波法进行检测的难度较大，大都选用穿透法检测和斜入射检测。
立陶宛考纳斯科技大学的K a z y s 等人选用斜入射同侧检测办法，研讨了航空用复合资料笔直结构蜂窝板中A0 方式L a mb 波的板边回波特性，因为损害区域有很强的能量走漏，所以可用于检测脱粘和结构损害等缺点，并估量其巨细。波兰格坦斯克科技大学的Imi el i n s k a等人选用空气耦合探头和穿透式超声C 扫描技能对多层聚合体复合资料的冲击损害进行了检测研讨，与X射线检测成果比较后标明，该办法更快、更便利、更精确，且可用于检测一些X 射线无法检测的资料。美国爱荷华州立大学无损检测中心的H S U 和印度G E 全球研讨中心的Kommareddy等协作，运用压电陶瓷空气耦合换能器，展开了复合资料零部件的缺点检测和修正点评的研讨工作，并研发了相应的空气耦合超声扫描体系，在飞机零部件阵地探伤中得以运用;英国伦敦大学的Berketis等人运用空气耦合超声检测办法对潜艇用玻璃纤维增强型复合资料的损害和退化进行了检测和点评，获得了用水耦合超声检测办法得不到的效果。丹麦国家实验室的Bo r u m 与丹麦工业大学的Berggreen等人协作，运用空气耦合超声波，选用穿透法，对水兵舰艇用层状叠合复合资料板进行检测，成果显现，该办法能够检测出上述资料板中的脱粘。
4 激光超声检测技能
激光超声是现在国内外研讨最活泼的非触摸超声检测办法之一。它运用高能量的激光脉冲与物质外表的瞬时热效果，在固体外表发生热特性区，构成热应力，在物体内部发生超声波。激光超声检测可分3种：一种用激光在工件中发生超声波，用P Z T 等惯例超声探头接纳超声波进行检测;另一种用P Z T等惯例超声波探头鼓励超声波，用激光干与法检测工件中的超声波;还有一种用激光鼓励超声波，并用激光干与法检测工件中的超声波，此法是朴实意义上的激光超声检测技能。超声波的鼓励或勘探可经过激光进行，不需求耦合剂，因而可完结远间隔非触摸检测，检测间隔可从几十厘米到数米。所激起的超声波具有很宽的频带，从几百kH z到几G Hz，可用于薄膜丈量剖析等一些特别运用场合。并且勘探激光可聚集到十分小的点，可完结高达数微米的空间分辨力。此外，激光超声源能一起激起纵波、横波、外表波以及各种导波，是实验验证各种杂乱媒质中声传达理论的有用手法。近年来，已展开成超声学中的重要分支，并在激光超声信号的激起与接纳、传达以及运用等方面获得很大发展。
激光超声检测的快速、远间隔和高分辨力等特性适用于惯例压电检测技能难以检测的形状结构较杂乱或尺度较小的复合资料以及资料的高温特性等研讨，如飞机上各个部件的定位和成像等。加拿大A.Blouin用激光超声研讨了蜂窝芯复合资料的分层、脱粘等缺点。美国洛克希德·马丁公司开发了 LaserUT 激光超声检测体系，在检测F -22 复合资料构件时获得了明晰的B 扫描、C扫描图画，不需求任何特别夹具，检测时刻大大缩短，到达了传统超声无法到达的效果。国内钱梦騄等在激光超声的特性和检测各种资料的力学特性方面进行了很多的研讨。刘松平研讨了碳纤维增强树脂基复合资猜中常见缺点的激光超声信号特性与缺点辨认点评办法。运用激光发射-超声接纳检测体系有用地提取了反映复合资猜中缺点的声波信息，并可进行缺点的判别，确认缺点的性质。
虽然激光超声在复合资料检测中获得了很大的发展，但现阶段仍存在 2个首要问题：一个是光声能量的转化功率较低;另一个是激光超声信号弱小，需求进步检测灵敏度。恰当增大激光的能量，可进步激光超声信号强度。但当能量增大到必定程度时，又简单将资料的外表灼伤。因而，提醒激光发声机理、进步光声转化功率及其检测灵敏度已成为激光超声研讨的3个首要方向。
5 相控阵超声检测技能
相控阵超声检测技能是一种多声束扫描成像技能，它所选用的超声检测探头是由多个晶片组成的换能器阵列，阵列单元在发射电路鼓励下以可控的相位激起出超声，发生的球面波在传达进程中波前彼此叠加，构成不同的声束。
相控阵超声探头由晶片阵列组成，各声束相位可控，可用软件操控聚集焦点，不移动探头或尽量少移动探头就能扫查厚大工件和形状杂乱工件的各个区域。经过优化操控焦柱长度、焦点尺度和声束方向，使得相控阵超声在分辨力、信噪比、缺点检出率等方面具有必定的优越性。
在实践的检测运用和研讨中，规划形状奇妙的探头已成为处理可达性差和空间约束问题的有用手法，英国R.J.Freemantle等人用一种新颖的相控阵超声探头检测大面积航空复合资料构件，把相控阵阵列安装在橡胶滚轮中，该滚轮既可手动也可自动操控，能有用检出航空复合资料构件中的裂纹及未贴合等缺点。 Ol y m p u s 无损检测公司的J.Habermehl 等人用该公司的相控阵超声检测体系OmniScanTMPA对飞机上碳纤维增强聚合物基复合资料平板构件进行检测，不只比传统超声检测速度快并且成像效果好。J.Habermehl等人还规划了专门检测碳纤维增强聚合物基复合资料弯管的弧形相控阵探头，为检测圆角联接的构件供给了快速牢靠的办法。
6 非线性超声检测技能
非线性超声检测是运用超声波在资猜中传达时，介质或细小缺点与它彼此效果发生的非线性呼应信号，进行资料功用的点评和细小缺点的检测，本质上反映的是细小缺点对资料非线性的影响。传统超声无损检测运用的检测超声波幅值极小，即由超声波传达时发生的应力和应变均为极小值，此刻介质中超声波的传达遵从线性应力-应变联系。当运用大起伏的超声波(有限起伏超声)检测时，超声波传达时受介质应力-应变联系非线性的影响增强，超声非线性呼应信号起伏变大，使描绘传统超声的线性动摇方程增加了谐波部分。把动摇方程中的二次谐波与基波(即线性项)的系数比值界说为非线性声参量B/ A。非线性声参量B / A 比值的巨细反映了超声在传达进程中非线性效应的强弱。B / A的丈量办法有有限振幅肯定丈量法、有限振幅相对丈量法和改进的热力学办法等。
研讨标明，超声波在贴合(Kissing Bonds)的触摸界面上传达显现出十分显着的非线性，呈现较多的非惯例谐波和非线性波形畸变。英国C.J.Brotherhood等人用惯例超声、电磁超声和非线性超声3种超声检测办法对在胶接中发生的贴合(非粘接)缺点进行了检测，并在检测的进程中对触摸面施加载荷。在外加载荷较低的状况下，非线性超声具有3者中最高的灵敏度。
结束语
复合资料因为其结构办法杂乱、资料特性多样，单一的超声检测办法难以担任一切的检测需求。实践检测中，应针对各种复合资料的特色，挑选合适的检测办法，或运用多种办法合作，相互弥补，来完结不同的检测使命。除上述办法外，电磁超声、声-超声等办法也可运用于复合资料的缺点检测，但运用较少，在此不再赘述。超声无损检测的杰出长处是对人体无害、成本低、操作简洁，它必将在复合资料的无损检测范畴中发挥出更大的效果。
