CN107607622A - 碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，采用了超声波C扫描自动扫查对产品进行检测，采用了水浸喷水相结合的耦合方式，将检测结果转化为数字图像进行分析、处理、储存。本发明解决了使用手动超声波A扫对碳纤维缠绕压力容器检测不能全面覆盖检测面，检测灵敏度低，检测效率低，检测结果评定主要依靠人为经验判断，不能进行准确量化分析，检测质量可靠性较差的问题。通过采用此方法对碳纤维缠绕压力容器进行检测，可以有效保障碳纤维缠绕压力容器的质量，提高碳纤维缠绕压力容器的使用安全可靠性。

Description

碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体涉及一种碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法。

背景技术

高性能碳纤维复合材料由于具有高比强度、比模量高、尺寸稳定性和材料可设计性等特点，使得碳纤维缠绕方法制造压力容器已成为重要发展方向。由于复合材料的各项异性、组织不均匀等特点，使常规的检测技术对其检测均不具备完整的有效性，检测结果的可靠性低。

碳纤维缠绕压力容器是采用碳纤维浸入树脂后缠绕固化成型，碳纤维在缠绕固化过程中会产生分层、脱粘等缺陷，直接影响构件的使用安全性。为保障产品质量，提高碳纤维缠绕压力容器的使用安全性，必须采用有效的检测技术手段对碳纤维缠绕压力容器进行完整的质量控制。

超声波检测是利用可产生稳定、一定频率的探头激发出超声波，超声波通过耦合剂传入被检测物体，在物体介质中传播时，声波遇异质介面，将发生不同程度的折射、反射和透射，声波在传播过程中还会产生扩散和衰减；当被检测物体介质中的组织结构中存在不连续性(缺陷)或复合结构发生层间脱粘、分层时，超声波会在此处发生反射，当被检测物体介质中的组织结构均匀、复合结构层间粘接良好时，超声波会在制品材料中发生透射，采用仪器和探头采集到超声波反射或透射信号，通过声程和声压的测试，根据界面的粘接情况不同，声波的反射率和透射率不同，穿过介质的声波声压也不同，可以通过测量超声波的声压值对产品的粘接质量进行判定。

目前，对碳纤维缠绕压力容器的检测主要采用的是常规超声波A扫描检测方法，超声波A扫描检测方法受到构件材料及复合结构的影响，只能采用局部手动接触穿透法检测，不能全面覆盖检测面，检测灵敏度低，检测效率低，仅可检测出直径大小为φ30mm以上的分层、脱粘缺陷，检测结果评定主要依靠人为经验判断，不能进行准确量化分析，检测质量可靠性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测效率高，检测结果直观的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法。

为解决上述技术问题，本发明所设计的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：对比试样加工，根据被检测碳纤维缠绕压力容器的实际情况，制作与被检测碳纤维缠绕压力容器材料、结构、复合工艺、曲率、厚度、表面状况相同的人工缺陷对比试样，在人工缺陷对比试样的待测弧面内部预埋聚四氟乙烯薄膜模拟分层及脱粘缺陷；

步骤2：灵敏度校准，使用人工缺陷对比试样对超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法灵敏度进行校准；校准时，将人工缺陷对比试样内部注水，并使水覆盖住人工缺陷对比试样的待测弧面，然后将超声波发射探头浸入水中，将超声波接收探头采用喷水方式耦合在人工缺陷对比试样待测弧面的外部，调节超声波发射探头和超声波接收探头使两探头声束在始终对中，且对中位置为人工缺陷对比试样的待测弧面的无缺陷区域，调节超声波C扫描仪的声程调节旋钮，使超声波穿透波处于超声波C扫描仪示波屏中间位置，调节超声波C扫描仪的增益旋钮，使穿透波幅值达到超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％，此时所确定的超声波C扫描仪增益值参数即为起始灵敏度；检测时在起始灵敏度的基础上增益值提高预设值作为扫查灵敏度，利用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对人工缺陷对比试样的待测弧面进行检测，当两探头同步移动到模拟分层及脱粘区域时超声波C扫描仪检测得到的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波，说明扫查灵敏度校准有效；

步骤3：使用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对碳纤维缠绕压力容器的待测弧面进行检测；检测时，将碳纤维缠绕压力容器内部注水，并使水覆盖住碳纤维缠绕压力容器的待测弧面，然后将超声波发射探头浸入水中，将超声波接收探头采用喷水方式耦合在碳纤维缠绕压力容器待测弧面的外部，调节超声波发射探头和超声波接收探头使两探头声束在始终对中，并使两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描，同时超声波C扫描仪显示扫描结果；

步骤4：若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波则判定为待测弧面中的该检测点存在分层及脱粘缺陷；若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％～80％之间为待测弧面中的该检测点的材料组织树脂不均由于该材料的成型工艺，会存在树脂混合不均的现象即贫胶或聚胶现象)，若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％以上为待测弧面某个检测点粘接完好。

本发明的有益效果：

本发明与现有检测方法相比，具有检测覆盖面全、检测灵敏度高，检测效率高，检测结果直观、可量化分析等优点，检测方法适用于碳纤维缠绕压力容器的大批量生产检测，极大的提高了碳纤维缠绕压力容器的的质量可靠性和使用安全性。

附图说明

图1对比试块示意图；

图2耦合方式示意图；

图3检测方式示意图；

图4产品检测结果示意图。

其中，1—人工缺陷对比试样、2—超声波发射探头、3—超声波接收探头、4—超声波C扫描仪、5—碳纤维缠绕压力容器、6—模拟分层及脱粘缺陷。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

一种碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，如图1～4所示，它包括如下步骤：

步骤1：对比试样加工，根据被检测碳纤维缠绕压力容器的实际情况，制作与被检测碳纤维缠绕压力容器材料、结构、复合工艺、曲率、厚度、表面状况相同的人工缺陷对比试样1，在人工缺陷对比试样1的待测弧面内部预埋聚四氟乙烯薄膜模拟分层及脱粘缺陷6；

步骤2：灵敏度校准，使用人工缺陷对比试样对超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法灵敏度进行校准；校准时，将人工缺陷对比试样1内部注水，并使水覆盖住人工缺陷对比试样1的待测弧面，然后将超声波发射探头2浸入水中，将超声波接收探头3采用喷水方式耦合在人工缺陷对比试样1待测弧面的外部，调节超声波发射探头2和超声波接收探头3使两探头声束在始终对中(这种耦合方式声束扩散小，声波传递稳定)，且对中位置为人工缺陷对比试样1的待测弧面的无缺陷区域，调节超声波C扫描仪4的声程调节旋钮，使超声波发射探头2穿透波幅值处于超声波C扫描仪示波屏中间位置，调节超声波C扫描仪4的增益旋钮(表征超声波声压)，使穿透波幅值达到超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％，此时所确定的超声波C扫描仪增益值参数即为起始灵敏度；检测时在起始灵敏度的基础上增益值提高预设值6dB作为扫查灵敏度，利用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对人工缺陷对比试样1的待测弧面进行检测，当两探头同步移动到模拟分层及脱粘区域时超声波C扫描仪4检测得到的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波，说明扫查灵敏度校准有效；

步骤3：使用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面进行检测；检测时，将碳纤维缠绕压力容器5内部注水，并使水覆盖住碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面，然后将超声波发射探头2浸入水中，将超声波接收探头3采用喷水方式耦合在碳纤维缠绕压力容器5待测弧面的外部，调节超声波发射探头2和超声波接收探头3使两探头声束在始终对中，并使两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描，同时超声波C扫描仪4显示扫描结果(扫描结果为通过软件(检测系统自带软件)将采集信号进行处理(检测前对检测参数进行了设置，不同强度范围的信号显示不同颜色)，从而将检测结果转化成数字图像(三色图)进行存储)；

步骤4：若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％(波高)(增益值dB差大于18dB)以下或无穿透波则判定为待测弧面中的该检测点存在分层及脱粘缺陷；若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％～80％(波高)(增益值dB差大于6dB，小于18dB)之间为待测弧面中的该检测点的材料组织树脂不均，若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％(dB差小于6dB)(波高)以上为待测弧面某个检测点粘接完好。

上述技术方案中，当两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描完成后，将碳纤维缠绕压力容器5环向步进旋转到下一个检测位，然后采用上述方法在下一个检测位，使用两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描。

上述技术方案中，所述调节超声波发射探头2发射的超声波和超声波接收探头3接收的超声波均为超声纵波(由于声波的传播路径，在采用穿透法对产品进行检测时选用纵波)。所述调节超声波发射探头2发射的超声波和超声波接收探头3接收的超声波的频率范围为0.5MHz～1MHz。通常探头的检测频率即为每个探头固定频率，根据被检测碳纤维缠绕压力容器的材料、状态所具有的声速、声阻抗等声衰减特性确定，由于被检产品一般为碳纤维及其他材料复合而成，且内部组织结构呈各向异性，声衰减较大，故应选用频率较低的探头，一般为0.5MHz～1MHz。

上述技术方案中，并使两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器5的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描时，打开超声波C扫描仪4中的检测软件，点击“系统初始化、探头位置调整及扫描参数设置”，选择主扫描轴“X轴”轴和辅扫描轴“φ轴”，点击“扫描长度、自动设置、主扫描起始位置”，移动X轴至终点位置，点击“扫描长度、自动设置、主扫描终点位置”，输入扫查宽度、扫查间距、扫描速度、采样间距、产品直径，点击“产品检测”开始检测并建立文件对检测结果进行保存。

上述技术方案中，在对碳纤维缠绕压力容器5进行检测时，由于产品表面粗糙，采用直接耦合的方式进行耦合会产生耦合不良；当产品开口较小时若采用喷水耦合的方式进行耦合，因为声程过大会导致声束扩散，无法接收到穿透波信号；使用水浸喷水耦合方式进行检测，可在产品内部注入水，将壳体内部探头浸入水中使用水浸耦合，产品外部探头喷水耦合可大大缩小声程，减少声束扩散，有效的接收到穿透波信号。

上述技术方案中，超声波C扫描仪4中采样数据选择“穿透波幅值”；采样显示选择“三基色显示”，并将穿透波幅值低于20％波高的设置为分层及脱粘缺陷设置为蓝色显示，穿透波幅值在20％～80％波高之间为材料组织树脂不均设置为黄色显示，穿透波幅值为80％波高以上为粘接完好设置为红色显示。

上述技术方案的步骤4中，由于采用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法从原理上不能对缺陷深度定位，且碳纤维缠绕压力容器5为整体缠绕后续产品不能返修，不需要对缺陷在厚度方向上的定位，只需要进行轴向和圆周方向的定位，在检测过程中穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波时，超声波发射探头2与超声波接收探头3之间的待测弧面为分层及脱粘缺陷区域；检测结束后通过测量工具对步骤4中得到的分层及脱粘缺陷区域距基准点的距离进行测量，从而对缺陷进行定位。

上述技术方案的步骤4中，采用测量工具对步骤4得到的所有分层及脱粘缺陷区域相互垂直的最大长度和最大宽度进行测量，该最大长度和最大宽度的乘积即为缺陷面积。

上述技术方案的步骤1中，在人工缺陷对比试样1的待测弧面内部预埋三块直径分别为φ20mm、φ30mm和φ40mm(根据产品的检测要求需检测出φ20mm的缺陷)的聚四氟乙烯薄膜模拟分层及脱粘缺陷6。人工缺陷对比试样1中除了模拟分层及脱粘缺陷6外的其它区域要求无分层及脱粘缺陷存在。

例如：例如超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对某型号的碳纤维缠绕压力容器进行检测，检测采用的是全数字自动超声波检测系统，记录检测结果，结果统计表如表1所示。

表1某型号碳纤维缠绕压力容器检测数据

本发明采用超声波C扫描自动检测代替原有的手动接触A扫检测，检测面覆盖全面，减少人为因素对检测过程的影响，检测结果可靠。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：对比试样加工，根据被检测碳纤维缠绕压力容器的实际情况，制作与被检测碳纤维缠绕压力容器完全相同的人工缺陷对比试样(1)，在人工缺陷对比试样(1)的待测弧面内部预埋聚四氟乙烯薄膜模拟分层及脱粘缺陷(6)；

步骤2：灵敏度校准，使用人工缺陷对比试样(1)对超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法灵敏度进行校准；校准时，将人工缺陷对比试样(1)内部注水，并使水覆盖住人工缺陷对比试样(1)的待测弧面，然后将超声波发射探头(2)浸入水中，将超声波接收探头(3)采用喷水方式耦合在人工缺陷对比试样(1)待测弧面的外部，调节超声波发射探头(2)和超声波接收探头(3)使两探头声束在始终对中，且对中位置为人工缺陷对比试样(1)的待测弧面的无缺陷区域，调节超声波C扫描仪(4)的声程调节旋钮，使超声波穿透波处于超声波C扫描仪示波屏中间位置，调节超声波C扫描仪(4)的增益旋钮，使穿透波幅值达到超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％，此时所确定的超声波C扫描仪增益值参数即为起始灵敏度；检测时在起始灵敏度的基础上增益值提高预设值作为扫查灵敏度，利用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对人工缺陷对比试样(1)的待测弧面进行检测，当两探头同步移动到模拟分层及脱粘区域时超声波C扫描仪(4)检测得到的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波，说明扫查灵敏度校准有效；

步骤3：使用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法对碳纤维缠绕压力容器(5)的待测弧面进行检测；检测时，将碳纤维缠绕压力容器(5)内部注水，并使水覆盖住碳纤维缠绕压力容器(5)的待测弧面，然后将超声波发射探头(2)浸入水中，将超声波接收探头(3)采用喷水方式耦合在碳纤维缠绕压力容器(5)待测弧面的外部，调节超声波发射探头(2)和超声波接收探头(3)使两探头声束在始终对中，并使两探头沿轴向对碳纤维缠绕压力容器(5)的待测弧面进行超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法扫描，同时超声波C扫描仪(4)显示扫描结果；

步骤4：若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波则判定为待测弧面中的该检测点存在分层及脱粘缺陷；若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％～80％之间为待测弧面中的该检测点的材料组织树脂不均，若两探头检测的待测弧面某个检测点的穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的80％以上为待测弧面某个检测点粘接完好。

2.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述调节超声波发射探头(2)发射的超声波和超声波接收探头(3)接收的超声波均为超声纵波。

3.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述调节超声波发射探头(2)发射的超声波和超声波接收探头(3)接收的超声波的频率范围为0.5MHz～1MHz。

4.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述步骤4中，由于采用超声波C扫描水浸喷水耦合纵波穿透法从原理上不能对缺陷深度定位，且碳纤维缠绕压力容器(5)为整体缠绕后续产品不能返修，不需要对缺陷在厚度方向上的定位，只需要进行轴向和圆周方向的定位，在检测过程中穿透波幅值在超声波C扫描仪显示屏满刻度的20％以下或无穿透波时，超声波发射探头(2)与超声波接收探头(3)之间的待测弧面为分层及脱粘缺陷区域；检测结束后通过测量工具对步骤4中得到的分层及脱粘缺陷区域距基准点的距离进行测量，从而对缺陷进行定位。

5.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述步骤4中，采用测量工具对步骤4得到的所有分层及脱粘缺陷区域相互垂直的最大长度和最大宽度进行测量，该最大长度和最大宽度的乘积即为缺陷面积。

6.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述步骤1中在人工缺陷对比试样(1)的待测弧面内部预埋三块直径分别为φ20mm、φ30mm和φ40mm的聚四氟乙烯薄膜模拟分层及脱粘缺陷(6)。

7.根据权利要求6所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：所述步骤1中人工缺陷对比试样(1)中除了模拟分层及脱粘缺陷(6)外的其它区域要求无分层及脱粘缺陷存在。

8.根据权利要求6所述的碳纤维缠绕压力容器超声波检测方法，其特征在于：步骤1中，制作与被检测碳纤维缠绕压力容器材料、结构、复合工艺、曲率、厚度、表面状况相同的人工缺陷对比试样(1)。