楊 亮 蔡桂喜 劉 芳 李建奎

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,沈陽(yáng),110016

0 引言

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件間以鉚釘和螺栓等機(jī)械連接為主,所以制孔是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件最終組裝前必不可少的工序。碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)具有層間強(qiáng)度低、非均質(zhì)且各向異性等特點(diǎn),在進(jìn)行鉆、锪加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)分層、撕裂和毛刺等缺陷,影響結(jié)構(gòu)件的裝配質(zhì)量、剛度和承載性能,在飛機(jī)裝配中,由于孔的分層導(dǎo)致的零件報(bào)廢量占報(bào)廢總量的60%[1-2]。因此,對(duì)復(fù)合材料制孔結(jié)構(gòu)分層缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià),對(duì)保障結(jié)構(gòu)部件的服役安全性至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)CFRP制孔結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此已開(kāi)展了多方面的研究,主要檢測(cè)方法有X射線(xiàn)、工業(yè)CT和超聲等。

X射線(xiàn)和工業(yè)CT通過(guò)分析射線(xiàn)的衰減強(qiáng)度得到CFRP內(nèi)部的分層情況,主要用來(lái)研究缺陷形成機(jī)理和重建缺陷形貌。DURAO等[3]通過(guò)對(duì)比不同直徑轉(zhuǎn)頭、不同轉(zhuǎn)速下的孔結(jié)構(gòu)X射線(xiàn)圖譜,研究了分層缺陷形成機(jī)理,結(jié)合力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化了制孔工藝;KOURRA等[4]通過(guò)工業(yè)CT技術(shù)分析了CFRP層間分層缺陷的圓度與分布,反演了內(nèi)壁缺陷的三維幾何模型,結(jié)果表明,工業(yè)CT技術(shù)可以有效評(píng)估缺陷大小及位置,但設(shè)備昂貴,有輻射危害,難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

還有很多研究者嘗試采用超聲C掃描(折返式掃查)的方式檢測(cè)孔周?chē)娜毕荨?TSAO等[5]用5 MHz探頭結(jié)合JSR-DPR002超聲脈沖收發(fā)器對(duì)不同工藝下的制孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了常規(guī)C掃描,建立了分層面積與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。魏瑩瑩等[6]采用75 MHz高頻超聲對(duì)鋪層厚度為0.2 mm的制孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè),認(rèn)為分層缺陷的形成通常是一種發(fā)生在多層材料上的三維結(jié)構(gòu)缺陷,并提出了一種三維體積分層因子的分層評(píng)價(jià)方法,但工程中CFRP結(jié)構(gòu)部件的制孔結(jié)構(gòu)數(shù)量大且分布范圍廣,該方法難以滿(mǎn)足在役檢測(cè)的需求。

綜上分析,當(dāng)前迫切需要一種可靠且高效的無(wú)損檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRP在役孔的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。本研究即針對(duì)CFRP孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用螺旋式掃查取代傳統(tǒng)折返式掃查,建立了不規(guī)則缺陷的最長(zhǎng)軸線(xiàn)與孔的公稱(chēng)孔徑比值(ratio of the longest axis to the nominal aperture of the hole,RLN)評(píng)價(jià)因子模型,然后將算法集成于所研制的便攜式儀器軟件中,以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種形式分層缺陷的檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

1 檢測(cè)原理與儀器組成

常規(guī)超聲波C掃描檢測(cè)掃查方式為折返式,如圖1所示,分為掃查軸和步進(jìn)軸[7]。在掃查過(guò)程中需要對(duì)步進(jìn)軸電機(jī)進(jìn)行頻繁的啟?？刂?既造成機(jī)械沖擊又嚴(yán)重影響檢測(cè)速度。

圖1 折返掃查與螺旋掃查對(duì)比Fig.1 Comparison between retractable scan and spiral scan

本文提出的快速螺旋掃查技術(shù)在相同掃查分辨力的前提下無(wú)需頻繁啟停步進(jìn)軸電機(jī),既可以減小機(jī)械沖擊,又可大幅提高檢測(cè)速度。以步進(jìn)軸的步進(jìn)精度為0.5 mm為例,若步進(jìn)長(zhǎng)度為100 mm,則每次檢測(cè)就可以節(jié)省200 s時(shí)間,當(dāng)步進(jìn)精度更小、步進(jìn)長(zhǎng)度更大時(shí),將節(jié)省更多時(shí)間。

如圖2所示,檢測(cè)時(shí),首先將內(nèi)置5 MHz點(diǎn)聚焦探頭的水套置于待檢區(qū)域,探頭焦點(diǎn)聚焦于工件表面,該探頭既作為發(fā)射探頭又作為接收探頭。探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)過(guò)水和透聲介質(zhì)后在被檢工件中沿直線(xiàn)傳播。開(kāi)啟按鍵后,旋轉(zhuǎn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)連動(dòng)探頭進(jìn)行螺旋掃查,CPU實(shí)時(shí)處理超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)探頭位于孔周?chē)鷷r(shí),若孔周?chē)鸁o(wú)缺陷,則超聲波傳播至底面處發(fā)生反射,形成反射回波(底波),直至被探頭接收,如圖2中①所示;若孔周?chē)嬖邳c(diǎn)狀小缺陷,則超聲波傳播至缺陷處會(huì)發(fā)生反射和折射,反射的超聲波被探頭接收,形成缺陷回波,折射的超聲波繼續(xù)向前傳播,直至遇到被檢工件的底面,形成底波,如圖2中②所示;當(dāng)探頭位于孔上方時(shí),超聲波傳播至透聲介質(zhì)底部處發(fā)生反射,形成界面波被探頭接收,如圖2中③所示。若孔周?chē)嬖诖蠓謱尤毕?則超聲波傳播至缺陷處會(huì)發(fā)生反射,傳播路徑被阻隔,不會(huì)形成底波,如圖2中④所示[8]。

圖2 超聲檢測(cè)原理圖Fig.2 Schematic diagram of ultrasonic testing

如圖3a所示,超聲波螺旋C掃描檢測(cè)儀器包括便攜式主機(jī)和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)兩部分。便攜檢測(cè)主機(jī)由數(shù)據(jù)采集卡、脈沖收發(fā)器、控制器及驅(qū)動(dòng)器組成,數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)采集超聲波信號(hào),脈沖收發(fā)器負(fù)責(zé)觸發(fā)探頭并對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行放大以易于數(shù)據(jù)采集,控制器及驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)完成規(guī)定圈數(shù)掃查并調(diào)理編碼器觸發(fā)信號(hào)。

如圖3b所示,高精度旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)、編碼器、啟動(dòng)按鍵、水密封及耦合、探頭組成。軟件控制電機(jī)運(yùn)行參數(shù),經(jīng)過(guò)機(jī)械傳動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)檢測(cè)探頭在既定平面內(nèi)沿漸進(jìn)螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)探頭激勵(lì)出的超聲波經(jīng)水耦合傳播到被檢工件內(nèi),獲取檢測(cè)區(qū)域質(zhì)量信息,通過(guò)接口傳送到上位機(jī)進(jìn)行分析與成像。編碼器和精密徑向步進(jìn)掃查機(jī)構(gòu)相匹配,探頭掃查精度可達(dá)到0.065 mm。最大掃查范圍可達(dá)φ28 mm,足以覆蓋常規(guī)CFRP孔及其周邊可疑區(qū)域。

(a)設(shè)計(jì)基本組成

(b)設(shè)備設(shè)計(jì)圖及工作原理圖3 設(shè)備基本構(gòu)成和工作原理Fig.3 Basic composition and working principle of equipment

2 評(píng)價(jià)方法

通過(guò)超聲檢測(cè)方式獲取分層缺陷C掃描成像是定量評(píng)價(jià)的原始依據(jù),至今沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的評(píng)價(jià)因子,以對(duì)分層缺陷進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)價(jià)[9]。當(dāng)前主要以一維直徑分層因子和二維面積評(píng)價(jià)因子為主。

CHEN[10]提出采用最大分層直徑與孔的公稱(chēng)直徑的比值作為分層缺陷的評(píng)價(jià)因子Fd,即

(1)

式中,Dmax為最大分層直徑;D0為孔的公稱(chēng)直徑。

Fd評(píng)價(jià)因子測(cè)量簡(jiǎn)單,是目前較常用的評(píng)價(jià)制孔結(jié)構(gòu)分層程度的方法。但當(dāng)最大分層直徑相近,分層面積差異較大時(shí),該方法并不適用。如圖4所示,圖4a、圖4b中的最大分層直徑(Dmax1、Dmax2)相等,Fd相同,圖4a在單方向發(fā)生嚴(yán)重的分層剝離,但圖4a的分層面積比圖4b的分層面積小很多,分層程度明顯小于圖4b的分層程度。

(a)單方向分層損傷 (b)多方向均勻損傷圖4 Fd相等時(shí)不適宜情況Fig.4 Inappropriate situation when Fd is equal

FARAZ等[11]在考慮分層面積的影響后,提出以真實(shí)分層面積與孔的公稱(chēng)面積的比值作為分層評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)Fa,其表達(dá)式為

(2)

式中,Ad為實(shí)際分層面積;Anom為孔的公稱(chēng)面積。

Fa與Fd相比可更好地評(píng)估分層的程度,但同樣存在不足。因?yàn)樵摲椒](méi)有考慮分層向某一方向拓展嚴(yán)重的情況。如圖5a和圖5b所示,分層面積Ad1與Ad2相等,評(píng)估因子Fa相等,但圖5a分層缺陷在各個(gè)方向的拓展程度相近,而圖5b中分層缺陷沿左下方拓展嚴(yán)重,故圖5b中孔周?chē)鷮?shí)際分層更為嚴(yán)重。

(a)多方向均勻分布 (b)分層擴(kuò)展不均勻圖5 Fa相等時(shí)不適宜情況Fig.5 Inappropriate situation when Fa is equal

在二維面積評(píng)價(jià)因子模型基礎(chǔ)上,考慮不規(guī)則分層缺陷向某方向拓展較大的情況,基于靜矩原理,建立RLN評(píng)價(jià)因子數(shù)學(xué)模型,用以評(píng)價(jià)CFRP孔分層程度。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:通過(guò)二重積分算法確定缺陷與孔構(gòu)成的不規(guī)則面積形心,計(jì)算不規(guī)則面積內(nèi)通過(guò)該形心的最長(zhǎng)軸線(xiàn),最后得出最長(zhǎng)軸線(xiàn)與孔的公稱(chēng)直徑比值(RLN)。形心確定方法如圖6所示。

圖6 不規(guī)則面積形心提取模型Fig.6 Irregular area centroid extraction model

假設(shè)圖5b中不規(guī)則區(qū)域是一平面薄片,處于Oxy平面中的面積為σ,質(zhì)量為M,質(zhì)量密度為ρ(x,y),則質(zhì)量M為

M=?Dρ(x,y)dσ

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

不規(guī)則區(qū)域中任意通過(guò)該形心的直線(xiàn)將該圖像分割成面積相等的兩部分。從圖6中可以看出形心位置明顯與孔圓心位置不一致,這是由于分層缺陷向各方向拓展程度不同造成的,當(dāng)分層缺陷向各方向拓展程度相同時(shí),形心與孔圓心位置應(yīng)重合。故可通過(guò)最長(zhǎng)軸線(xiàn)與孔的公稱(chēng)孔徑比值大小表征分層缺陷向某方向拓展程度,其表達(dá)式為

(8)

式中,Dlong為不規(guī)則面積最長(zhǎng)軸線(xiàn)。

儀器的上位機(jī)軟件計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 軟件計(jì)算流程圖Fig.7 Software calculation flow chart

將圖4和圖5中單方向分層損傷、多方向均勻損傷和分層擴(kuò)展不均勻三種情況按圖7中流程計(jì)算以RLN進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果如圖8所示。

由圖8可以看出,三種制孔結(jié)構(gòu)中實(shí)際分層嚴(yán)重程度從大到小為圖8c、圖8b、圖8a。Fd因子評(píng)價(jià)結(jié)果為Fd(c)>Fd(b)=Fd(a)(Fd(c)表示圖8c所示的分層擴(kuò)展不均勻情況下的Fd因子評(píng)價(jià)結(jié)果,其余符號(hào)類(lèi)此表達(dá));Fa因子評(píng)價(jià)結(jié)果為Fa(c)=Fa(b)>Fa(a);若按RLN因子進(jìn)行評(píng)價(jià),Dlong3>Dlong2>Dlong1,結(jié)果為FRLN(c)>FRLN(b)>FRLN(a),與實(shí)際情況一致。故通過(guò)RLN因子評(píng)價(jià)分層程度時(shí),既能夠涵蓋單方向分層損傷和多方向均勻損傷的情況,又可避免由于分層擴(kuò)展不均勻性導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不合理的問(wèn)題,具有工程意義。

(a)單方向分層損傷 (b)多方向均勻損傷 (c)分層擴(kuò)展不均勻圖8 不同損傷情況下各評(píng)價(jià)因子對(duì)比Fig.8 Comparison of evaluation factors under differentdamage situations

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

人工試樣為層壓板結(jié)構(gòu),板厚為7.8 mm,孔的公稱(chēng)直徑為5.2 mm。試樣共有4個(gè)孔,含有1個(gè)完好孔,以及3個(gè)缺陷孔,缺陷為φ1.5 mm平底孔,長(zhǎng)度為4 mm。分別位于試樣厚度方向等間隔三處,模擬上中下三個(gè)部位的寬度為1.5 mm、長(zhǎng)度為4 mm的分層缺陷,如圖9所示。

圖9 人工試塊Fig.9 Manual test block

使用研制的便攜式儀器對(duì)人工試樣中的孔進(jìn)行檢測(cè),掃查的圓形區(qū)域直徑為18 mm,成像閘門(mén)設(shè)置在底波區(qū)域,檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

從圖10和圖11中C掃描和D掃描成像結(jié)果可以看出,不同深度位置的分層缺陷均可檢出。孔周?chē)鸁o(wú)缺陷時(shí),C掃描成像結(jié)果中,紅色區(qū)域?yàn)閽卟閰^(qū)域成像,藍(lán)色區(qū)域?yàn)榭壮上?D掃描成像結(jié)果中,深度方向無(wú)缺陷波形。當(dāng)存在分層缺陷時(shí),C掃描成像結(jié)果中,超聲波經(jīng)過(guò)缺陷折射后繼續(xù)向下傳播,形成較弱的底波,故當(dāng)閘門(mén)位于底波位置時(shí),孔周?chē)毕莸腃掃描成像的色階介于藍(lán)色和紅色之間。上中下三部位的缺陷成像位置不同是因?yàn)槊看畏胖玫男D(zhuǎn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)相對(duì)位置不同,不影響檢測(cè)與評(píng)價(jià)。D掃描成像結(jié)果中,顯示了三個(gè)不同深度下的分層缺陷。上中下分層缺陷中RLN評(píng)價(jià)因子及分層寬度誤差如表1所示。

(a)完好孔 (b)存在上層缺陷孔

(c)存在中層缺陷孔 (d)存在下層缺陷孔圖10 人工試塊中制孔結(jié)構(gòu)C掃描成像Fig.10 C-scan imaging of the hole making structure in the artificial test block

(a)完好孔 (b)存在上層缺陷孔

(c)存在中層缺陷孔 (d)存在下層缺陷孔圖11 人工試塊中制孔結(jié)構(gòu)檢測(cè)D掃描成像Fig.11 Dscan imaging of the hole making structure in the artificial test block

由表1可以看出,與分層缺陷尺寸相比,所檢出分層寬度誤差最大為0.13 mm,分層長(zhǎng)度誤差最大為0.19 mm,RLN值相近。當(dāng)前掃查范圍下,當(dāng)孔位于掃查中心時(shí),可測(cè)量的最大分層長(zhǎng)度為6.4 mm,能夠覆蓋分層缺陷長(zhǎng)度。為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法,對(duì)與人工試塊制造工藝相同的CFRP構(gòu)件中兩個(gè)在役孔(1號(hào)和2號(hào))進(jìn)行了檢測(cè),公稱(chēng)孔徑同為5.2 mm,檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。

(a)1號(hào)孔 (b)2號(hào)孔圖12 在役構(gòu)件中制孔結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果Fig.12 Testing results of drilling structure in in-service components

針對(duì)1號(hào)和2號(hào)在役制孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行C掃描成像分析,可看出1號(hào)制孔明顯出現(xiàn)大面積分層缺陷,其長(zhǎng)軸為11.90 mm,RLN值為2.29;2號(hào)制孔出現(xiàn)單方向分層剝離缺陷,其長(zhǎng)軸為6.05 mm,RLN值為1.16。1號(hào)和2號(hào)在役制孔結(jié)構(gòu)Fd、Fa和RLN評(píng)價(jià)因子計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 上中下分層缺陷檢測(cè)結(jié)果

表2 三種評(píng)價(jià)因子計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出,當(dāng)1號(hào)在役孔周?chē)黠@出現(xiàn)大面積分層、缺陷較嚴(yán)重時(shí),Fd值偏小;當(dāng)2號(hào)在役孔周?chē)鷨畏较蚍謱觿冸x缺陷較嚴(yán)重時(shí),Fa值偏小,不符合實(shí)際嚴(yán)重程度。而RLN因子評(píng)價(jià)分層程度時(shí),能夠涵蓋單方向分層損傷和多方向均勻損傷時(shí)的極限情況。

1號(hào)孔和2號(hào)孔服役中的實(shí)際形貌如圖13所示,可看出1號(hào)孔作為結(jié)構(gòu)件的連接孔,其表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的大面積分層;2號(hào)孔近表面也出現(xiàn)了單方向微弱劈裂分層,兩孔實(shí)際形貌與檢測(cè)結(jié)果有較好的一致性,更進(jìn)一步說(shuō)明該檢測(cè)儀器與評(píng)價(jià)方法對(duì)CFRP制孔結(jié)構(gòu)的良好適用性,故可以通過(guò)比較RLN值的大小評(píng)價(jià)分層缺陷的嚴(yán)重程度,該方法適用性強(qiáng),可靠性高。若在評(píng)價(jià)因子值與孔性能之間建立評(píng)價(jià)關(guān)系,需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30968.3—2014《聚合物基復(fù)合材料層合板開(kāi)孔/受載孔性能試驗(yàn)方法第3部分:開(kāi)孔拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)方法》做大量的有損試驗(yàn),將獲取的有損試驗(yàn)數(shù)據(jù)(不同分層缺陷大小對(duì)孔性能的影響)與無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)(如RLN值)進(jìn)行相關(guān)性研究和分析,這也是下一步的研究方向。

(a)1號(hào)孔 (b)2號(hào)孔圖13 在役構(gòu)件中制孔結(jié)構(gòu)實(shí)際形貌Fig.13 Actual morphology of hole making structure in active components

4 結(jié)論

(1)本文提出了超聲螺旋C掃描檢測(cè)方法,與折返式掃查相比,本文方法在相同掃查分辨力的前提下,既可以避免由于頻繁電機(jī)啟停帶來(lái)機(jī)械沖擊,又可以大幅提高檢測(cè)速度。

(2)研制的便攜式超聲波檢測(cè)儀器能更加直觀(guān)和準(zhǔn)確地反映分層缺陷的大小、位置以及分布狀況,以進(jìn)行缺陷的定量和定位,可滿(mǎn)足在役檢測(cè)需求。

(3)基于靜矩原理,通過(guò)二重積分算法提取不規(guī)則缺陷形心,建立了不規(guī)則缺陷最長(zhǎng)軸線(xiàn)與孔的公稱(chēng)孔徑比值(RLN)評(píng)價(jià)孔質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型,可對(duì)多種類(lèi)型分層缺陷進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。