CN109115872B - 一种粘接质量的超声检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种粘接质量的超声检测方法，通过以下步骤实现：步骤1、在复合材料叶片前缘未粘接金属包边前，对前缘处用超声喷水穿透C扫法进行检测，排除前缘处有缺陷的复合材料叶片；步骤2、在前缘处无缺陷的复合材料叶片粘接金属包边后，用超声喷水穿透C扫法检测叶片包边处，确定脱粘缺陷的水平位置，并做标记；步骤3、用高分辨延迟块探头分别从正、反两面检测上述标记处，通过对面的复合材料/金属/空气的界面波组成的反射超声波脉冲的高度来判断脱粘缺陷产生在哪一个面。本发明的方法可快速、准确地检测出该种构件金属包边不大于Φ5mm脱粘缺陷，且能准确确定脱粘产生在哪一个面，满足产品设计和返修要求。

Description

一种粘接质量的超声检测方法

技术领域

本发明涉及一种粘接质量的超声检测方法，特别是树脂基复合材料叶片前缘与小厚度金属包边粘接质量的超声检测方法，属于超声无损检测领域。

背景技术

新型发动机叶片已开始采用纤维增强树脂基复合材料与小厚度金属包边粘接的新型结构来代替纯金属叶片，该结构可大大减轻叶片的重量。但是，该结构中的包边在使用过程中会遭受高温、高速气流的冲刷，粘接质量不好时会导致包边脱落进入发动机中，造成重大事故，因此必须采用有效的无损检测技术对其粘接质量进行检测。

上述叶片结构中，金属包边厚度≤0.3mm，粘接包边的复合材料叶片前缘的厚度不一致，且包边外形不规则。由于该结构为新型结构，具有包边薄、外形不规则、双面粘接等特点，国内外鲜有该类结构的无损检测案例。目前，超声检测是常用的无损检测方法，但是，采用常规的超声检测方法对上述结构的粘接质量检测时，由于上述结构的特殊性(例如包边不规则、薄、叶片前缘厚度不一致等)，会存在以下问题：金属包边难以分辨、包边外形不规则难以耦合、包边脱粘与复材叶片前缘内缺陷难以区分、脱粘产生在哪一面难以确定，严重影响检测结果。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，提供一种粘接质量的超声检测方法，实现了树脂基复合材料叶片前缘与小厚度金属包边粘接质量的超声无损检测。

本发明的技术解决方案：

本发明提供一种粘接质量的超声检测方法，通过以下步骤实现：

步骤1、在复合材料叶片前缘未粘接金属包边前，对前缘处用超声喷水穿透C扫法进行检测，排除前缘处有缺陷的复合材料叶片；

步骤2、在前缘处无缺陷的复合材料叶片粘接金属包边后，用超声喷水穿透C扫法检测叶片包边处，确定脱粘缺陷的水平位置，并做标记；

步骤3、用高分辨延迟块探头分别从正、反两面检测上述标记处，通过对面的复合材料/金属/空气的界面波组成的反射超声波脉冲的高度来判断脱粘缺陷产生在哪一个面。

进一步的，所述步骤2中，确定脱粘缺陷的水平位置具体包括：(1)确定超声喷水穿透C扫自动扫查设备的基本检测参数；(2)确定超声喷水穿透C扫自动扫查设备所用超声仪的检测灵敏度；(3)根据确定的检测灵敏度，按照确定的基本检测参数对被检叶片的包边处进行扫查。

进一步的，上述基本检测参数的确定可采用使用超声喷水穿透C扫自动扫查设备时常规的基本检测参数确定方法，例如，超声喷水穿透C扫自动扫查设备中，探头频率1～5MHz，水柱直径≤5mm，扫查步进≤1mm，扫查方向与前缘方向垂直，步进方向与前缘方向平行，设置穿透波的高度为超声仪满屏高度对应的直流模拟输出信号值的20％为阈值，令C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。

进一步的，超声仪的检测灵敏度确定包括：

a、准备n≤10个直径为4～6mm、厚度小于0.05mm的不透声材料；

b、将上述n个材料沿无脱粘缺陷复合材料叶片前缘包边的中线，分别在距包边端部的L/(n+1)、2*L/(n+1)、3*L/(n+1)、……、n*L/(n+1)处放置，并粘接在包边上，其中，L为包边长度；

c、调整超声仪的dB值，并按确定的基本检测参数对包边处进行自动扫查，若C扫图中不透声材料处对应的红色面积和在0.9*19.6*n～1.1*19.6*n范围内，则此时的dB值即为检测灵敏度，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。

进一步的，所述步骤(3)具体为：将超声仪的dB值调至确定的检测灵敏度，按确定的基本检测参数对被检叶片的包边处进行扫查，扫查完成后，C扫图中红色的区域即为脱粘，并对该区域的边界做好标记，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。

进一步的，所述高分辨延迟块探头的频率为2.25～10MHz，激励的超声波脉冲周次≤2，晶片直径≤6mm；

进一步的，所述高分辨延迟块探头中，延迟块为有机玻璃或与有机玻璃声阻抗差值在10％以内的材料制作；

进一步的，所述延迟块的高度/延迟块声速≥金属包边处最厚处的厚度/金属包边的复合材料的声速；

进一步的，所述步骤3中，所述高分辨延迟块探头在使用检测之间还包括检测灵敏度的确定：

a、制备对比试块：选取与被检件相同的复合材料和金属薄片制作，将复合材料加工成阶梯型，在阶梯的上下表面粘接金属薄片；

b、用高分辨延迟块探头检测所述对比试块的阶梯处，调整所用超声仪的dB值，使得对比试块对面反射超声波脉冲的高度为80％～100％，此时的dB值即为检测实际被检件同等厚度包边时的检测灵敏度；

进一步的，上述对比试块阶梯的厚度范围包含实际被检件包边处的厚度范围，并且相近阶梯的高度差值≤3mm；

进一步的，若实际被检件包边处检测点的厚度不等于对比试块阶梯厚度时，可采用插值法进行计算或采用相近厚度的灵敏度；

进一步的，上述在阶梯的上下表面粘接金属薄片时，其粘接工艺与实际产品相同。

进一步的，所述通过对面的复合材料/金属/空气的界面波组成的反射超声波脉冲的高度来判断脱粘缺陷产生在哪一个面包括：

(1)在实际被检件标记区域的正面涂抹耦合剂，按确定的检测灵敏度，用高分辨延迟块探头检测该处，若该处的对面反射超声波脉冲的高度≤40％，则正面的包边与复合材料脱粘；

(2)采用与上述(1)相同的方法，对实际被检件标记区域的反面检测，若其对面反射超声波脉冲的高度≤40％，则反面的包边与复合材料脱粘。

本发明相比于现有技术的特点及有益效果：

(1)本发明采用超声喷水穿透自动检测法，并利用在被检件包边不同位置预置缺陷、计算预置缺陷面积和的方式确定检测灵敏度，以确定包边脱粘缺陷，所述方法能够准确地显示缺陷的的尺寸和水平位置，且耦合效果较好，具有扫查快速、结果显示准确、结果可靠性高的特点，解决了金属包边难以分辨、包边外形不规则难以耦合的问题，且所述确定的灵敏度，减少了被检件包边的不同曲率对检测结果的影响，大大提高检测结果的准确性；

(2)本发明先检测被检件中包边前缘的复合材料本体质量，排除了前缘复合材料本体质量不好的被检件，解决了包边脱粘和复材叶片前缘内缺陷难以区分的问题；

(3)本发明利用高分辨延迟块探头，通过对延迟块的设计，保证检测时延迟块的二次反射波在被检件底波之后，从而不会影响对面反射超声波脉冲的观察，且通过设计对比试块模型，保证了检测灵敏度的准确性，提高检测结果的准确性；另外，根据被检件对面反射超声波脉冲的高度来判断靠近超声探头一面的金属包边的粘接情况，由于入射面的反射波脉冲与对面反射超声波脉冲易分辨，所以检测结果具有很高的可靠性，解决了脱粘产生在哪一面难以确定的问题，且为被检件的返修提供准确的位置，大大降低生产成本。

综上，本发明的方法可快速、准确地检测出该种构件金属包边不大于Φ5mm脱粘缺陷，且能准确确定脱粘产生在哪一个面，满足产品设计和返修要求。

附图说明

图1为超声喷水穿透C扫法检测叶片前缘的示意图；

图2为超声喷水穿透C扫法检测叶片前缘参数设置示意图；

图3为对比试块结构示意图；

图4为高分辨延迟块探头检测脱粘位置示意图；

图5为复合叶片中金属包边脱粘位置判定示意图；

图中，1—叶片前缘包边，2—C扫步进方向，3—C扫扫查方向，4—超声探头，5—喷水套，6—探头臂，7—包边蒙皮，8—复合材料本体，9—检测正面，10—检测反面，11—高分辨延迟块探头，12—入射面反射超声波脉冲，13—对面反射超声波脉冲。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明制备的产品及产品的制备方法的保护范围不限于实施例。

实施例1

以本发明方法实现前缘厚度变化范围为2～10mm的CFRP复合材料叶片前缘与厚度为0.2mm的镍合金包边蒙皮粘接质量的超声检测为实例，步骤如下：

一、未包边前排除前缘处有缺陷的复合材料叶片：

(1)参见图1和2，使用超声喷水穿透C扫自动扫查设备进行扫查，该设备包括超声探头4，喷水套5，探头臂6，发射和接收超声波探头4频率均为2.25MHz，即可保证足够的超声波能量穿透被检件，又可保证较高的检测灵敏度；扫查步进1mm，C扫扫查方向3与前缘方向垂直，C扫步进方向2与前缘方向平行，保证较高的横向分辨率；设置穿透波的高度为超声仪满屏高度对应的直流模拟输出信号值的10％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷的尺寸。

(2)检测灵敏度的确定：检测前，将耦合水柱对准叶片前缘复合材料无缺陷且厚度为前缘平均厚度处，调整超声仪的dB值，使得直通穿透波的高度为超声仪满屏高度的80％，此时的dB值为检测灵敏度。

(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数进行扫查，扫查完成后，红色区域判为缺陷，有缺陷的被检件排除掉，不能进行下一步工序。

二、检测复合材料叶片前缘包边1的脱粘缺陷：

(1)基本检测参数的确定：使用超声喷水穿透C扫自动扫查设备进行扫查，发射和接收探头频率为1MHz，水柱直径5mm，即可保证足够的超声波能量穿透被检件，又可保证较高的检测灵敏度；扫查步进1mm，C扫扫查方向3与前缘方向垂直，C扫步进方向2与前缘方向平行，保证较高的横向分辨率；设置穿透波的高度为超声仪满屏高度对应的直流模拟输出信号值的20％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷的尺寸。

(2)检测灵敏度的确定：准备3个Φ5mm、厚度小于0.05mm的聚四氟乙烯薄膜，沿无脱粘缺陷复合材料叶片前缘包边1的中线，分别在距包边端部的L/4、L/2、3L/4(L为包边长度)处放置，用透明胶带粘在包边上，粘贴时排除胶带与包边之间的空气。调整超声仪的dB值，按确定的基本检测参数对包边处进行自动扫查，信号值小于等于阈值的区域显示为红色，若C扫图中3个聚四氟乙烯薄膜处对应的红色面积和在52～65mm²之间，则此时的dB值为检测灵敏度，可保证灵敏度的准确性，使得C扫图像中显示的面积接近缺陷的实际面积。

(3)扫查：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数对被检叶片的包边处进行扫查。

(4)缺陷判定：扫查完成后，C扫图中红色的区域为脱粘，并对该区域的边界做好标记。

三、确定脱粘缺陷产生在哪个面：

(1)探头的确定：使用的探头为高分辨延迟块探头11，频率为5MHz，激励的超声波脉冲周次≤2，保证良好的纵向分辨力；晶片直径为6mm，保证良好的横向分辨力；延迟块为有机玻璃制作，延迟块的高度为15mm，保证检测时延迟块的二次反射波在被检件底波之后，从而不会影响对面反射超声波脉冲的观察。

(2)参见图3，对比试块的加工：选取与被检件相同的复合材料和金属薄片制作，复合材料本体8加工成阶梯型，阶梯的高度为2mm、4mm、6mm、8mm、10mm，在阶梯的上下表面粘接金属薄片即包边蒙皮7，保证试块的高度覆盖被检件包边处的厚度范围。

(3)检测灵敏度的确定：用高分辨延迟块探头11检测对比试块的不同厚度处，调整超声仪的dB值，使得试块对面反射超声波脉冲的高度为80％。此时的dB值为被检件包边处该厚度时的检测灵敏度，若被检件包边处检测点的厚度不等于2mm、4mm、6mm、8mm、10mm时，可采用插值法进行计算或采用相近厚度的灵敏度，保证检测灵敏度的准确性。

(4)扫查及判断脱粘缺陷产生在哪个面：参见图4和5，在被检件标记区域的正面9涂抹耦合剂，用高分辨延迟块探头11检测该处，按确定的检测灵敏度检测，若对面反射超声波脉冲的高度低于40％，则正面9的包边与复合材料脱粘；在被检件标记区域的反面10涂抹耦合剂，用高分辨延迟块探头11检测该处，按确定的检测灵敏度检测，若对面反射超声波脉冲的高度低于40％，则反面10的包边与复合材料脱粘。利用对面反射超声波脉冲的高度来判断检测面金属包边的粘接情况，由于入射面反射波脉冲12与对面反射超声波脉冲13距离较远，容易分辨，所以检测结果具有很高的可靠性。

采用本发明的方法，对多批次复合材料叶片前缘与小厚度金属包边粘接质量进行实际检测，结果表明，本发明的方法可快速、准确地检测出该种构件金属包边不大于Φ5mm脱粘缺陷，且能准确确定脱粘产生在哪一个面，满足产品设计和返修要求。

本发明未详细说明的内容为本领域人员公知的技术。

Claims (9)

1.一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

步骤1、在复合材料叶片前缘未粘接金属包边前，对前缘处用超声喷水穿透C扫法进行检测，排除前缘处有缺陷的复合材料叶片；

步骤2、在前缘处无缺陷的复合材料叶片粘接金属包边后，用超声喷水穿透C扫法检测叶片包边处，确定脱粘缺陷的水平位置，并做标记；

步骤3、用高分辨延迟块探头分别从正、反两面检测上述标记处，通过对面的复合材料/金属/空气的界面波组成的反射超声波脉冲的高度来判断脱粘缺陷产生在哪一个面。

2.根据权利要求1所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：所述步骤2中，确定脱粘缺陷的水平位置具体包括：(1)确定超声喷水穿透C扫自动扫查设备的基本检测参数；(2)确定超声喷水穿透C扫自动扫查设备所用超声仪的检测灵敏度；(3)根据确定的检测灵敏度，按照确定的基本检测参数对被检叶片的包边处进行扫查。

3.根据权利要求2所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：超声仪的检测灵敏度确定包括：

a、准备n≤10个直径为4～6mm、厚度小于0.05mm的不透声材料；

b、将上述n个材料沿无脱粘缺陷复合材料叶片前缘包边的中线，分别在距包边端部的L/(n+1)、2*L/(n+1)、3*L/(n+1)、……、n*L/(n+1)处放置，并粘接在包边上，其中，L为包边长度；

c、调整超声仪的dB值，并按确定的基本检测参数对包边处进行自动扫查，若C扫图中不透声材料处对应的红色面积和在0.9*19.6*n～1.1*19.6*n范围内，则此时的dB值即为检测灵敏度，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：所述高分辨延迟块探头的频率为2.25～10MHz，激励的超声波脉冲周次≤2，晶片直径≤6mm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：所述高分辨延迟块探头中，延迟块为有机玻璃或与有机玻璃声阻抗差值在10％以内的材料制作。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：所述延迟块的高度/延迟块声速≥金属包边处最厚处的厚度/金属包边的复合材料的声速。

7.根据权利要求6所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于，所述步骤3中，所述高分辨延迟块探头在检测之前还包括检测灵敏度的确定：

a、制备对比试块：选取与被检件相同的复合材料和金属薄片制作，将复合材料加工成阶梯型，在阶梯的上下表面粘接金属薄片；

b、用高分辨延迟块探头检测所述对比试块的阶梯处，调整所用超声仪的dB值，使得对比试块对面反射超声波脉冲的高度为80％～100％，此时的dB值即为检测实际被检件同等厚度包边时的检测灵敏度。

8.根据权利要求7所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：上述对比试块阶梯的厚度范围包含实际被检件包边处的厚度范围，并且相近阶梯的高度差值≤3mm。

9.根据权利要求8所述的一种粘接质量的超声检测方法，其特征在于：所述通过对面的复合材料/金属/空气的界面波组成的反射超声波脉冲的高度来判断脱粘缺陷产生在哪一个面包括：

(1)在实际被检件标记区域的正面涂抹耦合剂，按确定的检测灵敏度，用高分辨延迟块探头检测该处，若该处的对面反射超声波脉冲的高度≤40％，则正面的包边与复合材料脱粘；

(2)采用与上述(1)相同的方法，对实际被检件标记区域的反面检测，若其对面反射超声波脉冲的高度≤40％，则反面的包边与复合材料脱粘。

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