CN105911144A - 碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法 - Google Patents
碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法，该装置包括超声相控阵检测仪、控制计算机、超声相控阵探头、耦合楔块、位移编码器、耦合剂和对比试块；超声相控阵检测仪与控制计算机相连；超声相控阵探头与超声相控阵检测仪相连接；超声相控阵探头的探头端固定在耦合楔块上；位移编码器与所述超声相控阵检测仪相连接；位移编码器与耦合楔块固连。该检测方法包括：检测装置的连接；检测参数的设置；超声相控阵检测仪的校准；扫查灵敏度的调节；检测实施；检测数据的获取和记录。本发明应用于复杂空间结构的碳纤维复合材料桁架胶接部位的检测，有较好的使用灵活性，并提高了检测效率及检测结果的直观程度。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法。
背景技术
碳纤维复合材料由于具有优良结构性能和使用性能，在航空航天领域被广泛应用。新型号卫星的有效载荷舱桁架结构的制造，是由不同规格的碳纤维复合材料制造的杆件和接头通过胶接而成。胶接质量的好坏程度影响整个桁架结构的稳定程度和使用精度。因此，需要通过无损检测方法确定胶接质量是否满足技术要求。图1所示为卫星有效载荷舱桁架结构的示意图，图2所示为杆件与接头胶接部位结构示意图。如图1和图2所示，碳纤维复合材料接头8.2表面涂胶后旋入碳纤维复合材料杆件8.1内，待胶固化后在碳纤维复合材料杆件8.1与碳纤维复合材料接头8.2之间形成胶接层8.3。胶接层8.3的质量影响整个桁架结构的稳定程度和使用精度。
目前，国内外对碳纤维复合材料的胶接通常采用超声C扫描检测方法检测和常规超声方法进行检测，根据被检件的形状和规格，选择相应的检测工装和检测工艺。但是，卫星的有效载荷舱通常由数十根不同规格和形状的杆件及接头组装而成，单个接头连接着3~10根的碳纤维复合材料杆件，构成复杂的空间结构，而被检测位置通常位于杆件与接头相连接的位置，检测机构不可到达，因此超声C扫描检测方法在该被检测对象上难以实现。随着卫星平台的增大，有效载荷舱的体积也越来庞大，常规超声检测方法的效率也不能满足卫星验证进度的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及检测方法，检测效率高，检测结果直观可靠。
为了达到上述的目的，本发明提供一种碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，包括超声相控阵检测仪、控制计算机、超声相控阵探头、耦合楔块、位移编码器、耦合剂和对比试块；所述超声相控阵检测仪的超声回波信号输出端与所述控制计算机的信号输入端相连；所述超声相控阵探头的探头激励信号输入端与所述超声相控阵检测仪的探头激励信号输出端相连接；所述超声相控阵探头的探头端固定在所述耦合楔块上；所述位移编码器的位移信号输出端与所述超声相控阵检测仪的位移信号输入端相连接；所述位移编码器与所述耦合楔块固连；所述对比试块用于调节校准所述超声相控阵检测仪；检测过程中，所述耦合剂涂于所述对比试块或被检工件上。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其中，所述对比试块采用碳纤维复合材料制作，其一表面为台阶面，与该台阶面相对的另一表面为平面，所述对比试块设有用作人工缺陷的平底孔，该平底孔的埋深与被检工件的胶接层到被检工件接触耦合楔块的接触面的距离相等。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其中，所述对比试块上平底孔的直径为8mm。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其中，所述耦合剂为纯净水和98％浓度酒精的混合物，纯净水和98％浓度酒精质量比为1︰1。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其中，所述超声相控阵检测仪选用 M2M公司的MULTI X++ 超声相控阵检测仪，所述超声相控阵探头采用超声相控阵一维线阵探头。
本发明提供的另一技术方案是，一种碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，采用上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，包括如下步骤：
1）连接碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置；
2）检测参数的设置
设置超声相控阵检测仪的参数，包括超声相控阵探头的频率、时基范围、焦距、超声波声速、偏转角度、声波类型、单次计发晶片数和单次激发步进数；
3）超声相控阵检测仪的校准
在对比试块的平面表面上刷涂适量耦合剂，利用对比试块的最厚台阶位置，调整超声相控阵检测仪的零点；并调整使超声相控阵检测仪的垂直线性厚度偏差在±3%内；
4）扫查灵敏度的调节
在对比试块的表面上刷涂适量耦合剂，调整超声相控阵检测仪的增益，并移动超声相控阵探头，在对比试块上进行扫查，使对比试块上的平底孔的最高反射回波占据满屏刻度的80%以上，并在C扫图上测量平底孔的成像尺寸，当测量尺寸与实际尺寸误差小于±0.5mm时，此时的增益再增加3dB作为扫查灵敏度；
5）检测实施
在被检工件上、胶接层对应区域刷涂适量耦合剂，按照步骤4）确定的扫查灵敏度，在胶接层对应区域内进行扫查；
6）检测数据的获取和记录：
从被检工件的起始位置开始扫查，至终点位置，并使用控制计算机中的检测软件中的测量线测量扫查过程C扫描图像中出现的缺陷尺寸大小，当被检出的缺陷尺寸大于Ø8mm时，予以记录。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其中，所述步骤2）中，超声相控阵探头的频率设置为探头的标称频率，时基线范围设置为2倍的被检工件厚度，焦距设置为胶层至被检工件与耦合楔块接触面的距离，偏转角度设置为0°，声波类型设置为纵波，单次激发晶片设置为16个，单次激发步进为1个。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其中，扫查过程中，使用的扫查方式为超声相控阵检测纵波线扫方式，每次有效扫查宽度为超声相控阵探头的晶片总数目乘以单个晶片宽度。
上述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其中，扫查过程中，超声相控阵探头的移动距离通过位移编码器实现记录。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）采用超声相控阵检测技术，单次扫查面积增大，提高检测检测效率；（2）通过C扫描图像表示检测结果，缺陷显示直观，易判读；（3）在C扫描图像上直接测量缺陷的尺寸，操作方便，测量结果更准确；（4）采用位移编码器记录探头的位移，缺陷定位更加准确。
附图说明
本发明的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法由以下的实施例及附图给出。
图1是卫星有效载荷舱桁架结构的示意图。
图2是杆件与接头胶接部位结构示意图。
图3是本发明较佳实施例的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置的示意图。
图4是本发明较佳实施例中耦合楔块的俯视图。
图5是本发明较佳实施例中对比试块的示意图。
具体实施方式
以下将结合图1～图5对本发明的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置及方法作进一步的详细描述。
图3所示为本发明较佳实施例的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置的示意图。如图3所示，所述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置包括超声相控阵检测仪1、控制计算机2、超声相控阵探头3、耦合楔块4、位移编码器5、耦合剂和对比试块；
所述超声相控阵检测仪1的超声回波信号输出端与所述控制计算机2的信号输入端通过USB接口相连，所述控制计算机2内装载有检测软件，用于采集、处理和显示数据；
所述超声相控阵探头3的探头激励信号输入端通过电缆与所述超声相控阵检测仪1的探头激励信号输出端相连接；所述超声相控阵探头3的探头端固定在所述耦合楔块4上；
所述位移编码器5的位移信号输出端通过电缆与所述超声相控阵检测仪1的位移信号输入端相连接；所述位移编码器5与所述耦合楔块4固连；
所述对比试块用于调节校准所述超声相控阵检测仪1；
检测过程中，所述耦合剂涂于所述对比试块或被检工件上。
本实施例中，所述超声相控阵检测仪1选用 M2M公司的MULTI X++ 超声相控阵检测仪，所述超声相控阵探头3采用超声相控阵一维线阵探头。
图4所示为本实施例中耦合楔块的俯视图。本实施例中，超声相控阵一维线阵探头的探头端通过四个Ø3mm×10mm的单头螺丝固定在所述耦合楔块4的上表面；所述耦合楔块4设有插孔4.1，所述位移编码器5的插头插入该插孔4.1中，并使用Ø3mm×10mm的单头螺丝固定通过销孔4.2固定。
图5所示为本实施例中对比试块的示意图。如图5所示，所述对比试块7一表面为台阶面，与该台阶面相对的另一表面为平面，所述对比试块7设有用作人工缺陷的平底孔，该平底孔的埋深与胶接层到被检工件接触耦合楔块的接触面的距离相等。本实施例中，所述平底孔的直径为8mm，孔直径误差小于0.3mm。所述对比试块7采用碳纤维复合材料制作。
本实施例中，所述耦合剂为纯净水和98％浓度酒精的混合物，纯净水和98％浓度酒精质量比为1︰1。
本发明较佳实施例的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法使用所述碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，包括如下步骤：
1）碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置的连接：
连接好超声相控阵检测仪1、控制计算机2、超声相控阵探头3、位移编码器5之间的电缆；将超声相控阵探头3固定在耦合楔块4的上表面上，位移编码器5固定连接到耦合楔块4上，如图3所示。
如图2所示，本实施例的被检工件8包括碳纤维复合材料接头8.2、碳纤维复合材料杆件8.1以及碳纤维复合材料杆件8.1与碳纤维复合材料接头8.2之间的胶接层8.3。
2）检测参数的设置
在控制计算机的检测软件内，设置超声相控阵检测仪1的参数，包括超声相控阵探头的频率、时机范围、焦距、超声波声速、偏转角度、声波类型、单次计发晶片数和单次激发步进数。
超声相控阵探头的频率设置为探头的标称频率，时基线范围设置为2倍的被检工件厚度，焦距设置为胶层至被检工件与耦合楔块接触面的距离，例如，本实施例中，超声相控阵探头的频率设置为5MHz~10MHz，时机范围设置为10mm，焦距设置为3mm，超声波声速设置为2900m/s，偏转角度设置为0°，声波类型设置为纵波，单次激发晶片设置为16个，单次激发步进为1个。
3）超声相控阵检测仪的校准
在对比试块的平面表面上刷涂适量耦合剂，利用对比试块的最厚台阶位置，调整检测软件内的水平延迟时间，使耦合楔块的地面反射回波位于超声相控阵检测仪的零点；并调整声速值使超声相控阵检测仪的垂直线性厚度偏差在±3%内。
超声相控阵检测仪校准时，探头的放置位置应避免正对对比试块7的平底孔，如图4所示，该平面表面到平底孔平底的距离h（即平底孔的埋深）等于耦合楔块下表面（接触碳纤维复合材料杆件8.1的表面）到胶接层8.3的距离。
4）扫查灵敏度的调节
在对比试块7上刷涂适量耦合剂，将耦合楔块4和位移编码器5置于刷涂有耦合剂的台阶面上，通过检测软件调整超声相控阵检测仪1的增益，并移动超声相控阵探头3，在对比试块7上进行扫查，使对比试块7上的Ø8mm平底孔的最高反射回波占据满屏刻度的80%以上，并在C扫图上测量该缺陷（即该Ø8mm平底孔）的的成像尺寸，当测量尺寸与实际尺寸误差小于±0.5mm时，此时的增益再增加3dB作为扫查灵敏度。
在确定的扫查灵敏度下，扫查对比试块7上Ø8mm平底孔形成的C扫描图像将保存，用于后续被检工件8胶接缺陷检测。
5）检测实施
在被检工件8上、胶接层8.3对应区域刷涂适量耦合剂，将耦合楔块4和位移编码器5置于刷涂有耦合剂的碳纤维复合材料杆件8.1上，按照步骤4）确定的扫查灵敏度，在胶接层8.3对应区域内进行扫查。
扫查过程中，使用的扫查方式为超声相控阵检测纵波线扫方式，每次扫查宽度为超声相控阵探头的晶片总数目乘以单个晶片宽度。
6）检测数据的获取和记录：
从被检工件8的起始位置开始扫查，至终点位置，并使用检测软件中的测量线测量扫查过程C扫描图像中出现的缺陷尺寸大小，当被检出的缺陷尺寸大于Ø8mm时，予以记录。
本实施例中，超声相控阵探头的移动距离通过位移编码器5实现记录。
本发明应用于复杂空间结构的碳纤维复合材料桁架胶接部位的检测，有较好的使用灵活性，并提高了检测效率及检测结果的直观程度。
Claims (9)
1.碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，包括超声相控阵检测仪、控制计算机、超声相控阵探头、耦合楔块、位移编码器、耦合剂和对比试块；
所述超声相控阵检测仪的超声回波信号输出端与所述控制计算机的信号输入端相连；
所述超声相控阵探头的探头激励信号输入端与所述超声相控阵检测仪的探头激励信号输出端相连接；所述超声相控阵探头的探头端固定在所述耦合楔块上；
所述位移编码器的位移信号输出端与所述超声相控阵检测仪的位移信号输入端相连接；所述位移编码器与所述耦合楔块固连；
所述对比试块用于调节校准所述超声相控阵检测仪；
检测过程中，所述耦合剂涂于所述对比试块或被检工件上。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述对比试块采用碳纤维复合材料制作，其一表面为台阶面，与该台阶面相对的另一表面为平面，所述对比试块设有用作人工缺陷的平底孔，该平底孔的埋深与被检工件的胶接层到被检工件接触耦合楔块的接触面的距离相等。
3.如权利要求2所述的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述对比试块上平底孔的直径为8mm。
4.如权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述耦合剂为纯净水和98％浓度酒精的混合物，纯净水和98％浓度酒精质量比为1︰1。
5.如权利要求1所述的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，其特征在于，所述超声相控阵检测仪选用 M2M公司的MULTI X++ 超声相控阵检测仪，所述超声相控阵探头采用超声相控阵一维线阵探头。
6.碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一权利要求所述的碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置，包括如下步骤：
1）连接碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测装置；
2）检测参数的设置
设置超声相控阵检测仪的参数，包括超声相控阵探头的频率、时基范围、焦距、超声波声速、偏转角度、声波类型、单次计发晶片数和单次激发步进数；
3）超声相控阵检测仪的校准
在对比试块的平面表面上刷涂适量耦合剂，利用对比试块，调整超声相控阵检测仪的零点；并调整使超声相控阵检测仪的垂直线性厚度偏差在±3%内；
4）扫查灵敏度的调节
在对比试块的表面上刷涂适量耦合剂，调整超声相控阵检测仪的增益，并移动超声相控阵探头，在对比试块上进行扫查，使对比试块上的平底孔的最高反射回波占据满屏刻度的80%以上，并在C扫图上测量平底孔的成像尺寸，当测量尺寸与实际尺寸误差小于±0.5mm时，此时的增益再增加3dB作为扫查灵敏度；
5）检测实施
在被检工件上、胶接层对应区域刷涂适量耦合剂，按照步骤4）确定的扫查灵敏度，在胶接层对应区域内进行扫查；
6）检测数据的获取和记录：
从被检工件的起始位置开始扫查，至终点位置，并使用控制计算机中的检测软件中的测量线测量扫查过程C扫描图像中出现的缺陷尺寸大小，当被检出的缺陷尺寸大于Ø8mm时，予以记录。
7.如权利要求6碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其特征在于，所述步骤2）中，超声相控阵探头的频率设置为探头的标称频率，时基线范围设置为2倍的被检工件厚度，焦距设置为胶层至被检工件与耦合楔块接触面的距离，偏转角度设置为0°，声波类型设置为纵波，单次激发晶片设置为16个，单次激发步进为1个。
8.如权利要求6碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其特征在于，扫查过程中，使用的扫查方式为超声相控阵检测纵波线扫方式，每次扫查有效宽度为超声相控阵探头的晶片总数目乘以单个晶片宽度。
9.如权利要求6碳纤维复合材料桁架胶接缺陷超声相控阵检测方法，其特征在于，扫查过程中，超声相控阵探头的移动距离通过位移编码器实现记录。
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