CN110609083A - 基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，包括：1)对试件进行100％扫查，得到三维机织层合板复合材料试件分别在同时激发4，8，16个晶片的条件下得到的超声检测结果图；2)对薄板机织层合板复合材料进行横纵向方向超声扫描得到检测图，得到相控阵设置最优参数；3)在参数设置最优条件下得到超声回波A扫波形图、B扫图像以及C扫图像；4)针对C扫得到的缺陷扫查图进行定量分析，结果表明，该检测方法可用于三维机织层合板复合材料的无损检测及其内部缺陷的初步评价。

Description

基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺 陷检测方法

技术领域

本发明涉及基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，在可行性、特异性以及准确性方面比现有技术较优，具有较好的检测效果，属于无损检测、机械工程领域。

背景技术

三维机织层合板复合材料是由两层或多层同种或不同材料铺层层合压制而成的，具有优良的层间性能，在可设计性、整体成型性等方面具有明显优势，在航空航天、船舶、汽车、建筑和医疗器械等方面具有广泛的应用，在复合材料成型过程中，由于存在很多人为因素和工艺质量的不稳定性，产品很可能出现缺陷，为保证生产使用过程中的安全性，必须对材料内部的缺陷有清楚的认识。因此，除了采用严格的工艺以尽量避免产生缺陷之外，对缺陷进行有效检测是保证材料可靠应用的重要手段。

复合材料内部缺陷检测问题在无损检测领域已被广泛关注，目前存在一些难点：(1)对于机织复合材料特殊的制作工艺，其各向异性对超声检测有很强的衰减作用并且扫查方向不同会造成不同的扫查结果；(2)对于比较薄的试件，在检测时需要借助楔块，扫查时容易出现底面二次回波的干扰；(3)对于扫查得到的缺陷检测结果图分析时要正确判断真缺陷和伪缺陷。

复合材料内部缺陷检测方法有很多种，但是存在很多弊端。相比超声相控阵的自动检测，传统的超声扫描检测速度慢，缺陷定位不准确，检测灵敏度不高，激光设备复杂，敏感度较低，对于轻质的复合材料不适用；声发射需要对测试对象施加负载，难以确定缺陷类型；X射线设备，低稳定性且辐射照射不安全。

近年来，超声相控阵的自动检测方法在复合材料内部缺陷检测方面得到广泛的应用，超声相控阵换能器(探头)是基于惠更斯-菲涅尔原理研制的。它是由许多能够被单独激发的独立的阵元晶片构成的，每个晶片称为一个阵元，当它们被同一频率的脉冲信号激励时，发出的声波是相干波，从而在空间中形成稳定的超声场。超声相控阵检测法就是利用计算机技术来控制阵列传感器中各阵元的激发次序，改变超声波束的特性，通过控制合成声束来实现声束的聚焦和偏转，完成相控阵波束合成形成成像扫描。

发明内容

本发明提出了基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，通过激发探头中的独立的阵元来发出能形成稳定超声场的声波，通过计算机技术来控制阵列传感器中各阵元的激发次序，改变超声声束的特性，控制合成声束来实现声束的聚焦和偏转，实现相控阵波束合成形成成像扫描。

本发明的技术方案，包括下列步骤：

步骤1：选用相控阵超声探伤仪、相控阵探头、楔块、18m×18m的扫查器以及编码器，对试件进行缺陷检测；

步骤2：检测时，采用楔块和试件直接接触，作喷水耦合并对试件作100％扫查。相控阵探头通过扫查器移动在薄板三维机织复合材料表面进行B扫描及C 扫描，先对试件进行横纵扫描确定相控阵设置参数；

步骤3：在相控阵参数设置最优条件下得到薄板三维机织复合材料扫描图像后，通过TomoView 2.10软件来显示得到的A、B、C扫图并通过移动参考光标和测量光标得出缺陷的相关信息。

步骤4：在超声无损检测中，通过分析超声相控阵扫查得到的A扫图的波形以及对应的B扫图和C扫图获得缺陷的自身大小、性质和形状等信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在不破坏试件结构的情况下对其内部进行缺陷检测，保证了试件的完整性。在可行性、特异性以及准确性上相比现有技术较优，而且能测出φ2mm的缺陷，说明本发明有很好的检测效果。

另外，对于各向异性的试件，也能较好的得到超声C扫图像；对于比较薄的试件，借助楔块也能避免底面二次回波的干扰。对于φ2mm的缺陷也能检测出来，因此本发明对于薄板三维机织层合板复合材料内部缺陷也有较好的检测结果。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的相控阵超声工作原理图

图3为缺陷检测示意图；

图4(a)为本发明的薄板三维机织层合板复合材料试件；

图4(b)为本发明的搭建的实验平台；

图5(a)为本发明的对试件横向扫查；

图5(b)为本发明的对试件纵向扫查；

表1为本发明的主要检测参数的设置

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

首先搭建实验平台，对相控阵超声探伤仪进行参数设置并对薄板三维机织层合板复合材料试件进行100％扫查。

下面结合附图，对本发明技术方案的具体实施过程加以说明。

1.实验材料

本发明选用北京Olympus有限公司提供的Omni Scan MX2相控阵超声探伤仪(32：128通道)和5L64-NW1相控阵探头，SNM1-OL-WP5的垂直楔块，18m ×18m的扫查器以及编码器，对试件进行缺陷检测。探头共64个晶片，频率为 5MHZ，为了实现良好的耦合，在探头和楔块之间均匀抹上耦合剂，薄板三维机织层合板复合材料试件在天津工业大学复合材料研究所制备，试件尺寸为 344mm×153mm×2mm，试件和搭建的实验平台如图4(a)和图4(b)所示，参数设置依据向导指示一步完成，主要检测参数的设置如表1所示。

表1

2.实验过程

检测时，采用楔块和试件直接接触，作喷水耦合并对试件作100％扫查。相控阵探头通过扫查器移动在薄板三维机织复合材料表面进行B扫描及C扫描，先粗扫确定缺陷的大致位置，根据得到的图像分析其大小、形状及位置。扫描过程中先对试件进行横向扫查(图5(a))，再对试件进行纵向扫查(图5(b))，根据扫描结果比较两种情况下缺陷显示图像，分析同一位置的缺陷显示。检测过程中还需要根据具体情况调整闸门、增益、TCG曲线等，在A扫显示中将闸门置于始波与底波之间，这样由闸门采集到的信号就转化为相应的C扫图像，使用扫查器对试件进行100％扫查，以获得比较清晰的检测图像。得到薄板三维机织复合材料扫描图像后，通过TomoView 2.10软件来显示得到的A、B、C扫图并通过移动参考光标和测量光标得出缺陷的相关信息。在超声无损检测中，通过分析超声相控阵扫查得到的A扫图的波形以及对应的B扫图和C扫图获得缺陷的自身大小、性质和形状等信息。

在实验过程中，通过调整相控阵设备的设置参数(一次激发阵元数量，聚焦深度等)来判断影响出现这种现象的因素。一般的复合材料在平面方向是各向同性，机织复合材料在制作过程中，增强纤维在复合材料中呈空间多向分布，这样的结构使纤维表现各向异性等特征。因此本文选取的试件由于在机织过程中的机织工艺的不同呈现的状态是各向异性的。移动探头扫查的方向能够改变底面波的波形，同一位置横向扫查图可以看到探头在横向放置扫查时底面波是连续的，在纵向放置扫描得到的底面波是离散的，并且可以看到表面波向下凸出的点正好跟底面波断点处相对应。再考虑到探头的工作原理和选取的试件的机织工艺，主影响因素可归结为两类：一是探头的排布实现的聚焦；二是材料的各向异性。

通过实验分析，在对被检试件进行超声相控阵扫查时，同时激发探头8个阵元时能够实现很好的成像效果，最后对缺陷进行确定以及定量分析。通过观察得到的扫查图，超声A扫回波图、C扫图以及对应的B扫图可以判断是否存在缺陷，在Tomoview软件中移动光标在C扫图像中的位置，综合参考A扫波形的变化以及波幅的大小，可以确定缺陷是真缺陷还是伪缺陷。

发明的基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法具有可行性，可以更好的检测出内部缺陷。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，应当理解，本发明并不限于这里所描述的实现方案，这些实现方案描述的目的在于帮助本领域中的技术人员实践本发明。任何本领域中的技术人员很容易在不脱离本发明精神和范围的情况下进行进一步的改进和完善，因此本发明只受到本发明权利要求的内容和范围的限制，其意图涵盖所有包括在由所附权利要求所限定的本发明精神和范围内的备选方案和等同方案。

Claims (5)

1.基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，包括下列步骤：

步骤1：对试件进行100％扫查，得到三维机织层合板复合材料试件分别在同时激发4，8，16个晶片的条件下得到的超声检测结果图；

步骤2：对薄板机织层合板复合材料进行横纵向方向超声扫描得到检测图，得到相控阵设置最优参数；

步骤3：在参数设置最优条件下得到超声回波A扫波形图、B扫图像以及C扫图像；

步骤4：针对C扫得到的缺陷扫查图进行定量分析。

2.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤1中，在对三维机织层合板复合材料进行超声检测时，分别设置4，8，16个晶片时得到超声检测结果图，分析不同晶片下扫查得到的超声回波A扫图，B扫图像以及C扫图像。

3.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤2中，根据薄板机织层合板复合材料的各向异性，对其进行横纵向的100％超声扫描得到检测图，通过分析比较结果图得到相控阵在此检测中的最优设置参数。

4.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤3中，在相控阵设置材料声速、法则配置、聚焦深度、晶片步距、声波类型、扫查速度、编码器分辨率、闸门、增益、TCG曲线这些参数最优条件下对试件进行100％横向扫查，从而得到超声回波A扫波形图、B扫图像以及C扫图像。

5.根据权利要求1所述的基于超声相控阵的薄板三维机织层合板复合材料试件内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤4中，对上述扫描得到的C扫图像分析，对带有缺陷的C扫描图像进行缺陷的定量分析，确定缺陷的形状、大小和性质信息。