CN110196287A - 用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块，试块由与复合材料工件相同的材料构成，其中，在试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷和与人工预制缺陷同心的通孔，其中人工预制缺陷的直径(Ф)大于通孔的直径在通孔中填充有低温固化树脂。本发明还涉及一种制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法和用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法。通过本发明，能够精确模拟缺陷信号，从而能够准确调整设备灵敏度，保证实际孔边微小缺陷的信号检出，并且制作简单易行、成本较低。

Description

用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块及方法

技术领域

本发明涉及一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块，其可用于在超声检测复合材料工件的制孔边缘的分层缺陷时对检测设备的灵敏度进行调节以及对缺陷进行定量分析的试块，其特别可用于航空领域中复合材料工件的超声无损检测。本发明还涉及一种制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法和一种用于复合材料制工件的孔边缘分层缺陷分析的检测方法。

背景技术

在航空领域中，大量使用由复合材料制成的工件并且经常需要在这些工件中穿孔。对于复合材料工件制孔的工艺与对于传统金属合金工件制孔的工艺相比，差别主要体现在复合材料具有硬度高、强度大、导热性差、各向异性等特点。特别是对于由碳纤维复合材料制成的工件，在工件中碳纤维复合材料通常为分层的结构并且层间强度较低低，因此在制孔过程中的钻削轴向力容易导致层间应力超过基体材料的强度，引起分层缺陷。另一方面，由于碳纤维复合材料属各向异性，碳纤维的定向对制孔质量有很大影响，例如对单向层板制孔时，钻孔处的应力集中极易引起孔边缘劈裂等缺陷。目前对制孔过程中产生的缺陷的检测，主要是采用肉眼或者放大镜辅助的目视检查方法，在边缘处敞开形式的缺陷较易被发现，而在层间贴合度较高的分层缺陷的检出率几乎为零。

为此可以采用超声检测，其利用超声波具有的折射、反射、衍射、衰减等特性，通过观察显示在超声检测仪上的超声波穿过被检材料或工件时发生的传播变化所导致的特定波形，来判定被检工件的内部或表面是否存在制孔缺陷，从而在不破坏被检材料和工件的情况下，评估其质量和使用价值。目前对于孔边缘缺陷的超声检测仅局限于发现分层缺陷，无法进行准确的定量分析，而且检测灵敏度的确定也受到孔边结构对超声波声束直径的影响，导致存在缺陷漏检的可能。

试块，特别是标准试块，是以特定方法检测特定工件时用作对比的参照物，它与受检工件的材料声学特性相似或完全相同，例如由与受检工件相同的材料构成。在试块内设置有明确限定了尺寸的一个或多个参考反射体，使用超声检测设备对试块进行超声扫描并根据扫描结果调节超声检测设备的参数状态，保证超声扫描的灵敏度足以发现具有所要求的尺寸与取向的缺陷，并根据超声检测设备在扫描受检工件时实际获得的参数状态来计算得到受检工件中存在的缺陷的实际尺寸。通常，对于复合材料工件领域中使用预埋聚有四氟乙烯薄膜作为人工缺陷的试块，基于该类试块的大面积分层、夹杂缺陷的发现和定量分析均较为准确，而对于孔边缘分层缺陷的边界信号提取不具代表性，通常孔边缘分层缺陷的特点是自孔边向外延伸仅1-2mm量级，这导致了普通标准试块根本无法准确标定设备灵敏度来进行缺陷信号捕捉，更无法定量分析其尺寸大小。

发明内容

相对于此，根据本发明提出一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块、一种制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法和一种用于复合材料制工件的孔边缘分层缺陷分析的检测方法，由此解决现有技术中存在的复合材料制孔边缘分层缺陷的超声检测以及定量分析问题。

为了实现以上发明目的，根据本发明的用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块可以由与复合材料工件相同的材料构成，其中，在试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷和与人工预制缺陷同心的通孔，其中人工预制缺陷的直径大于通孔的直径，在通孔中填充有低温固化树脂。

根据本发明的一种优选技术方案，多个人工预制缺陷具有不同的直径和/或设置在试块内的不同深度处。

根据本发明的一种优选技术方案，人工预制缺陷的直径Ф与与其同心的通孔的直径的关系满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。人工预制缺陷特别是四氟乙烯薄膜。

此外，根据本发明，提供一种制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法，其包括以下步骤：预制步骤，其中由与复合材料工件相同的材料预制试块，在试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷；制孔步骤，其中使用超声波扫描检测由预制步骤得到的试块并记录检测结果，由此确定各缺陷圆心位置并以此为中心制孔以形成与人工预制缺陷同心的通孔；封装固化步骤，其中清洗通孔的边缘并在通孔中填灌树脂，使树脂固化。

根据本发明的一种优选技术方案，在预制步骤中根据待检测的复合材料工件的尺寸和构型预制试块。特别是，在预制步骤中根据针对复合材料工件的验收要求埋置具有不同的直径多个人工预制缺陷和/或在试块内的不同的深度处埋置多个人工预制缺陷。人工预制缺陷特别是是四氟乙烯薄膜。

根据本发明的一种优选技术方案，在制孔步骤中，人工预制缺陷的直径Ф与所述通孔的直径的关系满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。此外，在制孔步骤中特别是能够使用超声C聚焦探头进行扫描检测。

根据本发明的一种优选技术方案，在封装固化步骤中使用低温固化树脂。在封装固化步骤中，在填灌树脂时在由制孔步骤得到的试块下方布置均压板和四氟乙烯布并填灌树脂与由制孔步骤得到的试块的上表面齐平，放入真空烘箱进行脱泡处理，在脱泡完成后在试块上方布置另一均压板和另一四氟布进行常温树脂固化。

根据本发明的一种优选技术方案，在封装固化步骤之后还包括打磨处理步骤，其中打磨处理树脂的上下表面以与试块齐平、整体无凹凸。

另外，根据本发明，提供一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法，包括以下步骤：按照前述根据本发明的制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法制造试块；对试块和复合材料工件进行超声波扫描；按照针对复合材料工件的验收要求的最大允许缺陷尺寸，在试块的超声波扫描图像中的相应人工缺陷的位置处，确定用于超声波评估的阈值；在复合材料工件的超声波扫描图像中，对复合材料工件根据阈值进行缺陷边界的确定，统计由缺陷边界限定的区域的面积数值；将面积数值与验收要求比对。

根据本发明的一种优选技术方案，阈值是超声波的衰减dB或者波幅％。

根据本发明的一种优选技术方案，对复合材料工件根据不同的厚度使用相应的阈值进行缺陷边界的确定。

根据本发明的一种优选技术方案，超声波是超声A或超声C。

通过本发明，能够实现孔边缘延伸1-2毫米的环形人工缺陷制作和预埋；通过采用专用的试块对缺陷信号做精准模拟，能够准确调整设备灵敏度，保证实际孔边微小缺陷的信号检出，并且基于试块中的预埋人工缺陷尺寸的缺陷评价，保证了评价的客观性和准确性；克服了制孔边界的水花信号干扰，使得孔边图像信噪比高。此外，由于通孔填充区域透声性能与试块基体相似，定量评价缺陷时没有伪缺陷干扰，可以实现制孔边缘1-2毫米宽度缺陷的无损检测尺度评判。另外，试块中人工缺陷的模拟与实际的制孔边缘分层缺陷相似度极高，且模拟缺陷尺寸可调，制作简单易行、成本较低。

附图说明

在附图中示出了根据本发明的有利的实施方案。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的示意性俯视图和示意性侧视图；

图2示出了在根据本发明的制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法中树脂固化封装的示意图；以及

图3示出了根据本发明的用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法的示意性流程图。

具体实施方式

下面，将参照附图详细描述根据本发明的用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块、制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法和用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法的具体实施方式。以下所给出的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围内。

通常使用与复合材料工件相同的材料来制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块。在试块中预先埋置一个或多个圆形的人工预制缺陷，例如四氟乙烯薄膜，并且在埋置多个人工预制缺陷时这些人工预制缺陷可以具有不同的直径和/或设置在试块内的不同深度处。参见图1，其示出了根据本发明的试块的一个示例，其中埋置有9个人工预制缺陷，这些人工预制缺陷分别具有三种不同的直径并且设置在三个不同的深度。与人工预制缺陷同心地进行钻孔以形成通孔，其中人工预制缺陷的直径Ф大于通孔的直径并且两者之间的关系例如应满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。在通孔中填充有可固化的树脂、特别是低温固化树脂填充。

为了制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块，首先在预制步骤中由与复合材料工件相同的材料根据待检测的复合材料工件的尺寸和构型预制试块，制得的试块具有与待检测的复合材料工件相同的尺寸、至少具有相同的厚度。此外，在试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷，例如根据针对复合材料工件的验收要求在试块内的不同深度处埋置具有不同的直径多个人工预制缺陷、特别是四氟乙烯薄膜。

随后，在制孔步骤中使用超声波扫描检测由上述预制步骤得到的试块并记录检测结果，由此确定各缺陷圆心位置并以此为中心制孔以形成与人工预制缺陷同心的通孔，其中人工预制缺陷的直径Ф大于通孔的直径并且两者的数值可以按验收等级规定的孔径及孔边缺陷验收尺寸共同决定，例如两者之间的关系应满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。在上述制孔步骤中例如可以使用超声C聚焦探头进行扫描检测以获得更高的横向分辨率扫描图像。

此后，在封装固化步骤中清洗试块的通孔的边缘并在通孔中填灌树脂、例如低温固化树脂，使树脂固化。特别地，如图2所示，在封装固化步骤中，在填灌树脂时在由制孔步骤得到的试块下方布置均压板和四氟乙烯布并填灌树脂与由制孔步骤得到的试块的上表面齐平，此后将试块放入真空烘箱进行脱泡处理，在脱泡完成后在试块上方布置另一均压板和另一四氟布进行常温树脂固化。

可选地，在封装固化步骤之后还可以包括打磨处理步骤，其中在固化完成后脱模并打磨处理树脂的上下表面以与试块齐平、整体无凹凸。由此获得用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块。

参见图3，其示出了根据本发明的用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法的示意性流程图。其中，首先按照如上述的根据本发明的制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法制造试块，亦即根据如上所述的预制步骤、制孔步骤和封装固化步骤来制造试块。随后对制得的试块和复合材料工件进行超声波扫描，例如使用超声A或超声C进行扫描。此后，按照针对复合材料工件的验收要求的最大允许缺陷尺寸，在试块的超声波扫描图像中的相应人工缺陷的位置处，确定用于超声波评估的阈值，该阈值是超声波的衰减dB或者波幅％。然后，在复合材料工件的超声波扫描图像中，对复合材料工件根据阈值进行缺陷边界的确定，统计由缺陷边界限定的区域的面积数值，其中对复合材料工件可以根据不同的厚度使用相应的阈值进行缺陷边界的确定。最后将面积数值与验收要求比对。

鉴于在此结合优选的实施例已经对本发明进行了演示和描述，显而易见，在符合本发明权利要求预期的广泛范围内可以进行变型、替换和附加。

Claims (19)

1.一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块，所述试块由与所述复合材料工件相同的材料构成，其特征在于，在所述试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷和与所述人工预制缺陷同心的通孔，其中所述人工预制缺陷的直径(Ф)大于所述通孔的直径在所述通孔中填充有低温固化树脂。

2.按照权利要求1所述的试块，其特征在于，多个所述人工预制缺陷具有不同的直径。

3.按照权利要求1或2所述的试块，其特征在于，多个所述人工预制缺陷设置在所述试块内的不同深度处。

4.按照权利要求1或2所述的试块，其特征在于，所述人工预制缺陷的直径(Ф)与与其同心的通孔的直径的关系满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。

5.按照权利要求1或2所述的试块，其特征在于，所述人工预制缺陷是四氟乙烯薄膜。

6.一种制造用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的试块的方法，其包括以下步骤：

预制步骤，其中由与所述复合材料工件相同的材料预制所述试块，在所述试块中埋置有一个或多个圆形的人工预制缺陷；

制孔步骤，其中使用超声波扫描检测由所述预制步骤得到的试块并记录检测结果，由此确定各缺陷圆心位置并以此为中心制孔以形成与所述人工预制缺陷同心的通孔；

封装固化步骤，其中清洗所述通孔的边缘并在所述通孔中填灌树脂，使所述树脂固化。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述预制步骤中根据待检测的复合材料工件的尺寸和构型预制所述试块。

8.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述预制步骤中根据针对所述复合材料工件的验收要求埋置具有不同的直径多个所述人工预制缺陷。

9.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述预制步骤中根据针对所述复合材料工件的验收要求在所述试块内的不同的深度处埋置多个所述人工预制缺陷。

10.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述人工预制缺陷是四氟乙烯薄膜。

11.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述制孔步骤中，所述人工预制缺陷的直径(Ф)与所述通孔的直径的关系满足其中Δ为边缘分层缺陷验收要求的允许尺寸。

12.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述制孔步骤中能够使用超声C聚焦探头进行扫描检测。

13.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述封装固化步骤中使用低温固化树脂。

14.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述封装固化步骤中，在填灌所述树脂时在由所述制孔步骤得到的试块下方布置均压板和四氟乙烯布并填灌所述树脂与由所述制孔步骤得到的试块的上表面齐平，放入真空烘箱进行脱泡处理，在脱泡完成后在所述试块上方布置另一均压板和另一四氟布进行常温树脂固化。

15.按照权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述封装固化步骤之后还包括打磨处理步骤，其中打磨处理所述树脂的上下表面以与试块齐平、整体无凹凸。

16.一种用于复合材料工件的制孔边缘分层缺陷分析的检测方法，包括以下步骤：

按照前述权利要求6-15中任一项所述的方法制造试块；

对所述试块和所述复合材料工件进行超声波扫描；

按照针对所述复合材料工件的验收要求的最大允许缺陷尺寸，在所述试块的超声波扫描图像中的相应人工缺陷的位置处，确定用于超声波评估的阈值；

在所述复合材料工件的超声波扫描图像中，对所述复合材料工件根据所述阈值进行缺陷边界的确定，统计由所述缺陷边界限定的区域的面积数值；

将所述面积数值与验收要求比对。

17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于，所述阈值是超声波的衰减dB或者波幅％。

18.按照权利要求16或17所述的方法，其特征在于，对所述复合材料工件根据不同的厚度使用相应的阈值进行缺陷边界的确定。

19.按照权利要求16或17所述的方法，其特征在于，所述超声波是超声A或超声C。