CN113109450A - 一种多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明针对解决具有多层固体介质特征的复合材料内部竖直缺陷难以检测的共性问题。利用复合材料中特有的多层固体分层结构特征，利用两种固体介质的声学差异性形成边界效应，提出了一种基于超声爬波传播特性的检测方法：当超声爬波沿异质界面传播时，遇到缺陷会激励出衍射波的特性。具体是采用一种超声爬波与聚焦技术相结合的复合超声检测技术，借助具有三维自动扫查功能的装置，以发展出一种简单快速实用的无损检验技术。解决了类似航空发动机整体叶环用纤维增强金属基等具有分层结构特征的复合材料难以检测的问题，保证了其加工质量和服役安全性，该述方法同样适用于其它多层固体介质复合材料内部竖直缺陷的检测。
Description
技术领域
本发明涉复合材料构件的无损检测领域，检测对象为具有多层固体界面结构特征的一类复合材料，且各固体层之间具有明显的声学差异性。例如，航空发动机用SiC纤维增强Ti基复合材料整体叶环构件。
背景技术
复合材料是一类由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分构成的新材料。其中有一类复合材料具有多层固体夹心结构特征，是使用在一定承力工况下的结构材料，主要包括夹层复合材料和纤维增强型复合材料等。纤维增强型金属基复合材料具有增强体与基体材料复合结构，在航空航天、核电、武器装备、汽车等领域中应用广泛。例如，连续SiC纤维增强钛基复合材料(Ti-MMC)因其高比强、高比模量、好的尺寸稳定性和高温强度是航空航天工业中结构件的候选材料。它是理想的适用于航空发动机用轻质耐高温结构材料。由SiC纤维增强钛基复合材料所制造的整体叶环结构在减重、承受环向载荷等方面具有显著优势，逐渐成为减轻发动机重量的重要途径。然而，目前碳化硅纤维制造成本高昂，整体叶环制造工艺还不够成熟。由于加工制造缺陷对Ti-MMC性能有非常大的影响，除了需要继续突破整体叶环的设计与加工制造关键技术外，还必须建立连续SiC纤维增强钛基复合材料环件的无损检测技术，才有可能实现其工程化应用。
连续纤维增强的钛基复合材料因具有多界面复合结构，其缺陷的无损检测问题比常规均质整体材料要复杂得多。其中的缺陷主要包括:纤维断裂、纤维/基体的分离、纤维的滑动和拔出、基体裂纹等，其中以纤维断裂最具危害性。目前国内外针对Ti-MMC的缺陷无损检测主要检测方法有：声发射(AE)、X射线和超声等。声发射技术主要用在力学试验时，对工件持续加力过程中，纤维发生断裂的动态过程进行监测并研究其断裂机理，因此不能用于实际工业生产上的产品质量检测，工程应用意义不大。X射线、工业CT属于透射成像，发射光强、材料衰减系数及工件尺寸直接决定了检测的精准程度，当工件厚度大于20mm以上时，两种方法的图像分辨力明显不足。超声波检测技术是常规的无损检测方法，工业生产中常采用脉冲反射法。对于微小缺陷的检测常采用水浸聚焦探头，以提高聚焦区的超声波能量，并且通过提高探头频率的方法，来提高对微小缺陷检测的灵敏度和分辨率。例如，采用100MHz高频探头的超声显微镜，可以检测出埋深在2～3mm区间的纤维环中的开裂缺陷。但随着检测深度的增加，超声波声束扩散严重，超声显微镜成像分辨率迅速降低。由于实际工程应用的整体叶环件的厚度大多介于20mm～100mm之间，因此，上述无损检测方法都难以实现对增强纤维区进行质量控制。
发明内容
为解决类似整体叶环(Ti-MMC)构件等具有多层固体介质特征的复合材料内部竖直缺陷难以检测的共性问题。本发明根据该类材料中特有的多层固体“夹心”结构特征，利用两种固体介质的声学差异性形成边界效应，提出了一种基于超声爬波传播特性的检测方法：当超声爬波沿异质界面传播时，遇到缺陷会激励出衍射波的特性。具体是采用一种超声爬波与水浸聚焦技术相结合的复合超声检测技术，借助具有三维自动扫查功能的装置，以发展出一种简单快速的针对纤维增强金属基复合材料结构件制造质量的检验技术，以保证其加工质量和服役安全性，该述方法同样适用于其它多层固体介质复合材料内部竖直缺陷的检测。
本发明技术方案如下：
一种多层固体介质复合材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：利用两种固体介质的声学差异性形成边界效应，基于超声爬波沿异质界面传播时遇到缺陷会激励出衍射波的特性进行检测，具体为采用爬波探头与接收探头组成探头组，爬波探头发射超声爬波，再用接收探头接收衍射波并转换成电信号，从而实施检测。
本发明所述多层固体介质复合材料为由两种或两种以上声学性能差异较大(优选声阻抗值差异在20％以上)的材料组成的层状复合结构，被检测缺陷类型为复合材料内部垂直于检测面的竖直缺陷。由于各组分固体材料是密度和声速均不相同的介质，会形成声学特性不同的异质界面。在固体介质一中传播的折射纵波以适当角度入射到固体介质二的界面时，会在界面上激励出超声爬波。当爬波沿着界面传播时，与内部竖直缺陷产生“撞击”，会产生衍射波，再用接收探头接收这种衍射波，从而实施检测。本发明采用接触式爬波探头与水浸探头组合，其中接触式爬波探头发射超声波，垂直于工件表面的水浸探头接收衍射波信号，但不限于此种探头组合，也可以采用其它形式的探头组合。
在检测不同材质组合的复合材料时，需根据各组分固体介质中的超声波声速计算出声束折射角β，使入射波在界面处能够激发出爬波，并通过折射角β设计爬波探头倾角，探头压电晶片的尺寸范围为10～15mm，晶片频率范围为1MHz～15MHz。
本发明所述多层固体介质复合材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：具体检测步骤如下：
步骤1)、实测超声波在固体介质一中的纵波声速CL1和固体介质二中的纵波声速CL2；
步骤2)、依据公式(Ⅰ)计算出固体介质一中声束折射角β，使入射波在界面处能够激发出爬波；
β＝arcsin(CL1/CL2)(Ⅰ)
步骤3)、根据步骤2)中计算的β计算出超声爬波探头的入射角α，再根据入射角α设计制作出所需楔块倾角，确定探头晶片尺寸和频率；
步骤4)、将超声爬波探头与接收探头组合成探头组；
步骤5)、将探头组安装在检测系统上，用电缆将探头组与超声探伤仪接好，将被检测件放置于检测系统工作台上，将探头组调整至被检测区域；
步骤6)自动扫查：若是环状工件，采用螺旋扫查运动方式，W轴作为旋转轴，X轴作为步进轴，使探头组自起始点开始扫查直至螺旋扫查区域全部覆盖被检测区域为止，扫查螺距ΔX1＝0.1～1mm；若是板状工件，采用X-Y二维扫查运动方式，Y轴作为扫查轴，X轴作为步进轴，使X-Y二维扫查区域全部覆盖被检测区域，扫查步进ΔX2＝0.1～1mm；
步骤7)超声波的激励与仪器参数设置：在步骤6)扫查的同时，启动超声探伤仪同步激励探头组中的爬波探头，使之发射超声波；
步骤8)缺陷回波信号的采集：当步骤7)中探头发出的超声波遇到异质界面后，会转换成爬波，当爬波遇到竖直缺陷后会发出衍射波，衍射波信号被接收探头接收到，再转换成电信号被超声探伤仪采集到，然后信号被上传至上位机计算机中保存；
步骤9)将计算机存储的信号作数据后处理，最终实现结果的A扫、B扫和C扫显示。
作为优选的技术方案：
步骤3)中，探头晶片宽度为10～15mm，晶片频率范围为1MHz～15MHz。
步骤4)中，调节超声爬波探头与接收探头之间的距离，距离设置成被检测表面与异质界面间距离的1～3倍。
步骤7)中，超声波激励的重复频率与Y轴扫查速度相关，Y轴的直线速度不得大于150mm/s，超声波激励的重复频率为100Hz～10KHz；仪器增益的设置主要取决于检测灵敏度，可参照常规超声检测时使用的对比试块进行调节，使人工缺陷回波达到基准灵敏度所需波高；仪器闸门起始位置设置在纵波p1p2p1之后5～10mm左右，排除影响检测的伪缺陷干扰波。
本发明所述方法适用范围广，可精准检测厚度较大材料内部的竖直缺陷，该方法特别适用于厚度为10mm～100mm的多层固体介质材料。
本发明还提供了所述方法专用的检测装置，其特征在于：所述检测装置由探头组14和三维自动扫查装置组成，其中：
所述探头组14由爬波探头2与接收探头3组成，两者通过夹具模块19组合在一起；
三维自动扫查装置包括检测水槽6、XYZ轴运动机构、线缆9、超声探伤仪10、工业计算机11、电气控制装置12、定位卡具15、W轴旋转运动装置16；检测水槽6内设有XYZ轴运动机构和W轴旋转运动装置16，定位卡具15设置在W轴旋转运动装置16上；探头组14固定在XYZ轴运动机构上，并通过线缆9与超声探伤仪10相连；工业计算机11与超声探伤仪10和电气控制装置12相连。
在扫查运动功能方面，该装置可以提供X-Y二维平面扫查和W轴旋转运动；在仪器功能方面，该装置可以实现超声波的激励和接收，并将超声信号进行全波形采集和保存。在信号数据后处理方面，该装置具有A扫、B扫、C扫显示功能和时域—频域转换分析功能。
本发明具有以下优点：
本发明利用复合材料所具有的多界面结构特征和超声爬波传播特性，建立了一套由特殊设计的超声探头组和三维自动扫查装置所构成的检测系统，并制定了独特的检测工艺方法，实现了对类似整体叶环(Ti-MMC)构件等具有多层固体介质特征的复合材料内部竖直缺陷的无损检测。
附图说明
图1检测原理示意图；
图2检测工艺流程图；
图3是本发明多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法的检测装置结构原理图；
图4探头组结构示意图；
图5带有人工缺陷的纤维增强钛基复合材料板件结构图；
图6纤维增强钛基复合材料板件检测结果的C扫显示；
图7铜铝复合导电极板；
图8铜铝导电极板检测结果C扫显示。
附图标记：1、固体介质一，2、爬波探头，3、接收探头，4、微裂纹，5、固体介质二，6、检测水槽，7、X轴向直线运动装置，8、Y轴向直线运动装置，9、线缆，10、超声探伤仪，11、工业计算机，12、电气控制装置，13、Z轴向直线运动装置，14、探头组，15、定位卡具，16、W轴旋转运动装置，17、晶片，18、楔块，19、夹具模块，20、人工刻槽缺陷。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1
参见图1，被检测材料为纤维增强金属基复合材料结构件，其具有由基体合金材料(固体介质一1)和增强纤维材料(固体介质二5)组成的层状复合结构。由于基体合金材料与增强纤维材料是密度和声速均不相同的介质，会形成声学特性不同的异质界面AB`BB``。爬波探头2在基体合金中激励出折射纵波P1，以适当角度β入射到异质界面AB`BB``时，会在界面AB`BB``上激励出爬波p1p2。当爬波p1p2沿着界面AB`BB``传播时，会向固体介质一1中辐射纵波p1p2p1和头波p1p2s1，同时向固体介质二5中辐射头波p1p2s2，当爬波p1p2与垂直于增强纤维材料方向的微裂纹4产生“撞击”，会产生衍射波，再用接收探头3接收这种衍射波，从而实施检测。
如图3、4所示，所述检测装置由探头组14和三维自动扫查装置组成，其中：
所述探头组14由爬波探头2与接收探头3组成，两者通过夹具模块19组合在一起，本实施例所述接收探头3为水浸探头，爬波探头2为接触式爬波探头；
三维自动扫查装置包括检测水槽6、XYZ轴运动机构、线缆9、超声探伤仪10、工业计算机11、电气控制装置12、定位卡具15、W轴旋转运动装置16；检测水槽6内设有XYZ轴运动机构和W轴旋转运动装置16，定位卡具15设置在W轴旋转运动装置16上；探头组14固定在XYZ轴运动机构上，并通过线缆9与超声探伤仪10相连；工业计算机11与超声探伤仪10和电气控制装置12相连。
XYZ轴运动机构包括X轴向直线运动装置7、Y轴向直线运动装置8与Z轴向直线运动装置13，构成“龙门”式三维扫查机构，三个运动轴均带有位置记录功能；W轴旋转运动装置16位于检测水槽6的水面以下，且带有位置记录功能；探头组14是由两个独立的超声波探头通过安装在夹具模块19上构成的组件，1个探头激励超声爬波，1个探头接收衍射波；超声探伤仪10与探头组14通过同轴线缆9连接，具有超声波发射与接收功能，并将超声波信号转换成电信号，通过A/D转换器将信号上传至工业计算机11中。
连续纤维增强金属基复合材料超声检测包括以下步骤：
步骤1)、实测超声波在基体合金材料中(固体介质一1)的纵波声速CL1＝6100m/s，和沿增强纤维材料(固体介质二5)中轴向的纵波声速CL2＝7969m/s，参见图1；
步骤2)、依据公式(Ⅰ)计算出合金中声束折射角β≈49°，以确保在合金与纤维界面激发出爬波。
步骤3)、实施例采用接触式爬波探头形式，根据步骤2)中所得β角计算探头中超声波的入射角α，并设计制作出用于激励超声爬波的爬波探头2所需楔块18的倾角α≈20°，探头所有晶片17的尺寸为10x10mm左右，晶片频率为5MHz，参见图4。
步骤4)、将爬波探头2与接收探头3安装在夹具模块19中，组合成探头组14，两探头间距为30mm，参见图4；
步骤5)、将探头组14安装在检测装置上，用电缆9将探头组14与超声探伤仪10接好，将被检测的SiC纤维增强Ti基复合材料放置于检测装置工作台定位卡具15上，使探头组14与被检测材料表面接触，将探头调整至纤维芯所在区域。
步骤6)自动扫查：将探头移动至纤维区域边缘作为扫查起始点。
由于实施例中被检测工件是板状工件，因此采用X-Y二维扫查运动方式。扫查轴Y轴沿平行于纤维轴向做直线运动，步进轴X轴沿垂直纤维方向运动，设置步进间距ΔX2＝0.1mm，使X-Y二维扫查区域全部覆盖纤维芯所在区域，参见图5。
步骤7)仪器参数设置和超声波的激励：在步骤6)扫查的同时，启动超声探伤仪10同步激励爬波探头2，使之发射超声波，超声波激励的重复频率与Y轴扫查速度相关，设置Y轴的直线速度为150mm/s，超声波激励的重复频率为5KHz；仪器增益为53dB，闸门起始位置设置在纵波p1p2p1波后5～10mm。
步骤8)缺陷回波信号的采集：当步骤7)中爬波探头2发出的超声波遇到合金与纤维界面后，会转换成爬波，当爬波遇到纤维断裂缺陷后会发出衍射波，衍射波信号被接收探头3接收到后转换成电信号被超声探伤仪10采集到，被当做缺陷信号上传至上位机计算机11中保存。
步骤9)上位机计算机11中的结果分析软件，将存储的超声信号作数据后处理，识别缺陷波信号，最终实现结果的C扫显示，参见图6。
检测工件为具有预制缺陷的试样件，其中增强纤维丝共9层，在试样件的上三层预制出纤维表层断丝缺陷A；在试样件中间三层纤维上预制出纤维内部断丝缺陷B；在试样件下三层纤维上预制出纤维底部断丝缺陷C，参见图5。图6中为检测结果C扫图像显示，图中的ABC处“横线”为上述试样中的三处纤维断裂预制缺陷。经测量，检测结果图中A、B和C处距试样一端的距离为37.84、72.68和111.78mm，基本与试样设计的预制缺陷位置相符，说明本发明可以有效地检测出所有缺陷。
实施例2
参见图7，被检测工件为铜铝复合导电板，板件总厚度78mm，夹心固体介质为铝合金，厚度18mm，在铝合金中设有人工刻槽缺陷20，其尺寸为10×40×0.2mm(长×深×宽)。
检测步骤参照实施例1，其中步骤7)中关于仪器参数的设置，增益值为62dB。
检测结果的C扫显示如图8所示，图像显示位置与实际加工缺陷位置相符。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：利用两种固体介质的声学差异性形成边界效应，基于超声爬波沿异质界面传播时遇到缺陷会激励出衍射波的特性进行检测，具体为采用爬波探头与接收探头组成探头组，爬波探头发射超声爬波，再用接收探头接收衍射波并转换成电信号，从而实施检测。
2.按照权利要求1所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：所述多层固体介质复合材料为由两种或两种以上声阻抗值差异在20％以上的材料组成的层状复合结构，被检测缺陷类型为复合材料内部垂直于检测面的竖直缺陷。
3.按照权利要求1所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：需根据各组分固体介质中的超声波声速计算出声束折射角β，使入射波在界面处能够激发出爬波，并通过折射角β设计爬波探头倾角，探头压电晶片的尺寸范围为10～15mm，晶片频率范围为1MHz～15MHz。
4.按照权利要求1所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1)、实测超声波在固体介质一中的纵波声速CL1和固体介质二中的纵波声速CL2；
步骤2)、依据公式(Ⅰ)计算出固体介质一中声束折射角β，使入射波在固体介质一和固体介质二的界面处能够激发出爬波；
β＝arcsin(CL1/CL2)(Ⅰ)
步骤3)、根据步骤2)中计算的β计算出超声爬波探头的入射角α，再根据入射角α设计制作出所需楔块倾角，确定探头晶片尺寸和频率；
步骤4)、将超声爬波探头与接收探头组合成探头组；
步骤5)、将探头组安装在检测系统上，用电缆将探头组与超声探伤仪接好，将被检测件放置于检测系统工作台上，将探头组调整至被检测区域；
步骤6)自动扫查：若是环状工件，采用螺旋扫查运动方式，W轴作为旋转轴，X轴作为步进轴，使探头组自起始点开始扫查直至螺旋扫查区域全部覆盖被检测区域为止，扫查螺距ΔX1＝0.1～1mm；若是板状工件，采用X-Y二维扫查运动方式，Y轴作为扫查轴，X轴作为步进轴，使X-Y二维扫查区域全部覆盖被检测区域，扫查步进ΔX2＝0.1～1mm；
步骤7)超声波的激励与仪器参数设置：在步骤6)扫查的同时，启动超声探伤仪同步激励探头组中的爬波探头，使之发射超声波；
步骤8)缺陷回波信号的采集：当步骤7)中探头发出的超声波遇到异质界面后，会转换成爬波，当爬波遇到竖直缺陷后会发出衍射波，衍射波信号被接收探头接收到，再转换成电信号被超声探伤仪采集到，然后信号被上传至上位机计算机中保存；
步骤9)将计算机存储的信号作数据后处理，最终实现结果的A扫、B扫和C扫显示。
5.按照权利要求4所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：步骤3)中，探头晶片宽度为10～15mm，晶片频率范围为1MHz～15MHz。
6.按照权利要求4所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：步骤4)中，调节超声爬波探头与接收探头之间的距离，距离设置成被检测表面与异质界面间距离的1～3倍。
7.按照权利要求4所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：步骤7)中，超声波激励的重复频率与Y轴扫查速度相关，Y轴的直线速度不得大于150mm/s，超声波激励的重复频率为100Hz～10KHz；仪器闸门起始位置设置在纵波p1p2p1之后5～10mm，排除影响检测的伪缺陷干扰波。
8.按照权利要求1～7任一所述多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法，其特征在于：所述多层固体介质材料的厚度为10mm～100mm。
9.一种权利要求1所述方法专用检测装置，其特征在于：所述检测装置由探头组(14)和三维自动扫查装置组成，其中：
所述探头组(14)由爬波探头(2)与接收探头(3)组成，两者通过夹具模块(19)组合在一起；
三维自动扫查装置包括检测水槽(6)、XYZ轴运动机构、线缆(9)、超声探伤仪(10)、工业计算机(11)、电气控制装置(12)、定位卡具(15)、W轴旋转运动装置(16)；检测水槽(6)内设有XYZ轴运动机构和W轴旋转运动装置(16)，定位卡具(15)设置在W轴旋转运动装置(16)上；探头组(14)固定在XYZ轴运动机构上，并通过线缆(9)与超声探伤仪(10)相连；工业计算机(11)与超声探伤仪(10)和电气控制装置(12)相连。
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|---|---|---|---|
| CN202010031134.5A CN113109450A (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 一种多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法及装置 |
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| CN202010031134.5A CN113109450A (zh) | 2020-01-13 | 2020-01-13 | 一种多层固体介质材料内部竖直缺陷检测方法及装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113933390A (zh) * | 2021-09-24 | 2022-01-14 | 天津市津能管业有限公司 | 用于检测保温管聚氨酯保温层缺陷的超声波探测设备 |
| CN114113326A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-03-01 | 安泰天龙(北京)钨钼科技有限公司 | 一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置 |
-
2020
- 2020-01-13 CN CN202010031134.5A patent/CN113109450A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114113326A (zh) * | 2021-12-24 | 2022-03-01 | 安泰天龙(北京)钨钼科技有限公司 | 一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置 |
| CN114113326B (zh) * | 2021-12-24 | 2024-06-07 | 安泰天龙(北京)钨钼科技有限公司 | 一种复合连接结构的相控阵超声检测方法及装置 |
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