变厚度复合材料结构超声反射法成像的 缺陷识别与定量表征

波成像和缺陷波成像

1.1 成像方法
由于底波以及底波与表面回波之间的波形特征
均可反映零件的内 部 信 息,故 将 有 效 分 析 区 间 定 义
为在时域上由表面回波至底波(包含底波)的半开区
间。根据变厚度复合材料结构底波和板板黏接界面
的胶膜波在时域位置上随层板厚度变化而变动的特
点,成像方法如下所述。
首先,根据变厚度零件的厚度范围确定最大有效
分析区 间,设 置 包 含 最 大 有 效 分 析 区 间 的 闸 门。其
次,在此范围内分别采集表面回波之后出现的首个反
射回波 前 沿 到 表 面 回 波 的 距 离 信 息 (简 称 “首 沿 位
置”)、最后一个反射回波的后沿到表面回波的距离信
息(简称“尾沿位置”)、所有反射回波中最高回波波峰
到表面回波的距离信息(简称“峰值位置”)和最后一
个反射回波的幅值信息(简称“尾沿波幅”)。最后,对
采集到的数 据 进 行 可 视 化 处 理,形 成 4 幅 C 扫 描 图

1.2 缺陷识别方案
复 合 材 料 中 常 见 的 缺 陷 类 型 有 分 层 、脱 黏 、夹
杂 和 孔 隙 ,下 面 结 合 这4种 缺 陷 的 检 测 原 理 和 不同 情 况 的 波 形 特 征 ,简 述 该 成 像 方 法 对 应 的 缺 陷
识 别 方 案 。
一般复合材料中的拒收缺陷尺寸均大于换能器
的有效声束范围,故 仅 讨 论 缺 陷 尺 寸 大 于 探 头 直 径
的情况。
1.2.1 分层
超声检测分层缺陷波形如图2所示,根据超声检
测原理,对于层压板结构,在表面回波与底波之间出
现分层缺陷反射回波,同时底波消失[见图2(b)],部
分情况下还 会 伴 随 出 现 缺 陷 波 的 二 次 回 波 [见 图 2
(f)]。对于板板黏 接 结 构,若 分 层 缺 陷 出 现 在 上 板,
则胶膜波和底波均消失;若分层缺陷出现在下板,则
胶膜波存在,底波消失[见图2(d)和2(e)]由图2(a)~2(e)的 波 形 可 以 看 出,对 于 层 压 板
优区、层压板分层、板 板 黏 接 结 构 优 区、板 板 黏 接 结
构上板分层和下板分 层 等 5 种 情 况 来 说,零 件 厚 度
变化时,底波或胶膜波的位置会有相应变动,而无论
零件厚度如何变化,位 于 最 末 端 的 反 射 回 波 总 是 底
波或者分层波。 因 此,在 这 些 情 况 下 可 以 使 用 “尾
沿位置”进行 C 扫 描 成 像,这 样 可 以 在 优 区 处 表 征
零件的厚度,在分层处表征缺陷的深度。
当分层缺陷的深度小于零件最大厚度的二分之
一时,其二次回波或 多 次 回 波 会 落 在 最 大 有 效 分 析
区间内。在该情况下,“尾 沿 位 置”将 无 法 准 确 反 映
分层缺陷的深度。如 图 2(f)所 示,分 层 波 的 幅 值 高
于其二次回波的,为排除分层缺陷二次回波的干扰,
可采用 “峰值位置”C 扫描图进行辅助评判。
综上所述,对于分层缺陷,可以使用“尾沿位置”
C 扫描图表征 零 件 的 整 体 厚 度,并 判 断 是 否 存 在 缺
陷。若存在缺陷,则 使 用 “峰 值 位 置”C 扫 描 图 进 行辅助判断。当两图中的深度信息不同时,取“峰值位
置”的深度作为最终缺陷深度。
1.2.2 脱黏
脱黏是指板板 黏 接 结 构 中 上 板 与 下 板 的 分 离。
当出现脱黏时,胶膜波的波幅上升变为脱黏波,同时
底波消失。若脱黏,则 上 板 的 厚 度 小 于 零 件 最 大 厚
度的二分之一,脱黏 波 的 二 次 回 波 将 落 在 最 大 有 效
分析区间内,此时脱黏具有与分层相似的波形特征,
因此同样可以使用“尾沿位置”C 扫描图对缺陷进行
识别,并通过“峰值位置”C 扫描图进行辅助判断,以
排除二次回波的干扰。
1.2.3 夹杂
由于复合材料 制 造 工 艺 的 特 殊 性,制 作 过 程 中
可能夹带的外来物种类繁多。有些夹杂物的声阻抗
与复合材料的声阻 抗 相 差 很 大,其 声 强 反 射 率 接 近
于1,使得检测声波被夹杂物阻挡而 几 乎 全 部 反 射;
有些夹杂 物 的 声 阻 抗 与 复 合 材 料 的 声 阻 抗 十 分 接近,其声强反射率接近于0,从而使得 夹 杂 缺 陷 的 反
射回波幅值很低,不易发现。
由于各种夹杂 物 的 声 学 特 性 不 尽 相 同,所 以 夹
杂缺陷是较为复杂的一种缺陷。
当换能器位于与复合材料声阻抗相差很大的夹
杂缺陷上时,表面回波与底波之间出现缺陷波,同时
底波消失;当换能器位于与复合材料声阻抗相接近的夹杂缺陷上时,缺陷波波幅 较 低(一般低于板板黏接
结构中的胶膜波波幅),且底波波幅略低于附近优区的
底波波幅,若该缺陷位于板板黏接结构中的上板,则胶
膜波幅也比附近优区的胶膜波幅略低。综上所述,按
照波形特征可将夹杂缺陷分为底波消失型和底波存在
型两类。根据两种类型夹杂中缺陷出现的深度位置进
行分类,大致分为以下6种情况,由图3(a)~3(c)可 知,底 波 消 失 型 夹 杂 缺 陷 具
有与分层 相 同 的 波 形 特 征,因 此 可 以 使 用 “尾 沿 位
置”C 扫描图表征零件整体厚度,并判断是否存在缺
陷;使用“峰值 位 置”C 扫 描 图 表 征 缺 陷 深 度。 由 图
3(d)~3(e)可知,对于底波存在型夹杂,夹杂波幅低
于底波波幅和胶膜 波 幅,且 夹 杂 波 为 表 面 回 波 之 后
的首个反 射 回 波。 在 这 种 情 况 下,可 使 用 “首 沿 位
置”进行 C 扫 成 像,这 样 可 以 在 优 区 处 表 征 层 压 板
的厚度或板板黏接 结 构 上 板 的 厚 度,在 缺 陷 处 表 征
夹杂缺陷的深度。
对位于板板黏接结构下板中的底波存在型夹杂
缺陷,如图3(f)所 示,夹 杂 波 既 不 是 有 效 分 析 区 间
内的首波,也不是 尾 波,还 不 是 最 高 波,那 么 使 用 该
成像方法则不容易采集到此类缺陷的位置信息。此
时,可将换能器放置到零件的对面一侧,那么缺陷相
对于换能 器 的 位 置 则 变 为 了 板 板 黏 接 结 构 中 的 上
板,波形 与 图 3(e)所 示 波 形 相 同,因 此 可 从 零 件 的
对面一侧入射声波,使用相同方法补充检测。
综上所述,对于 底 波 消 失 型 夹 杂,应 使 用 “尾 沿
位置”C 扫描图对缺陷进行识别,并通过“峰值位置”
C 扫描图表征 缺 陷 的 深 度。 对 于 底 波 存 在 型 夹 杂,
应使用“首沿位置”信息识别缺陷。如果是层压板结
构,仅从零件一侧入射声波即可,而对于板板黏接结徐 莹, 等:
变厚度复合材料结构超声反射法成像的缺陷识别与定量表征
2021 年 第 43 卷 第 7 期
无 损 检 测
近,其声强反射率接近于0,从而使得 夹 杂 缺 陷 的 反
射回波幅值很低,不易发现。
由于各种夹杂 物 的 声 学 特 性 不 尽 相 同,所 以 夹
杂缺陷是较为复杂的一种缺陷。
当换能器位于与复合材料声阻抗相差很大的夹
杂缺陷上时,表面回波与底波之间出现缺陷波,同时
底波消失;当换能器位于与复合材料声阻抗相接近的
夹杂缺陷上时,缺陷波波幅 较 低(一般低于板板黏接
结构中的胶膜波波幅),且底波波幅略低于附近优区的
底波波幅,若该缺陷位于板板黏接结构中的上板,则胶
膜波幅也比附近优区的胶膜波幅略低。综上所述,按
照波形特征可将夹杂缺陷分为底波消失型和底波存在
型两类。根据两种类型夹杂中缺陷出现的深度位置进
行分类,大致分为以下6种情况,如图3所示。
图3 夹杂缺陷波形
由图3(a)~3(c)可 知,底 波 消 失 型 夹 杂 缺 陷 具
有与分层 相 同 的 波 形 特 征,因 此 可 以 使 用 “尾 沿 位
置”C 扫描图表征零件整体厚度,并判断是否存在缺
陷;使用“峰值 位 置”C 扫 描 图 表 征 缺 陷 深 度。 由 图
3(d)~3(e)可知,对于底波存在型夹杂,夹杂波幅低
于底波波幅和胶膜 波 幅,且 夹 杂 波 为 表 面 回 波 之 后
的首个反 射 回 波。 在 这 种 情 况 下,可 使 用 “首 沿 位
置”进行 C 扫 成 像,这 样 可 以 在 优 区 处 表 征 层 压 板
的厚度或板板黏接 结 构 上 板 的 厚 度,在 缺 陷 处 表 征
夹杂缺陷的深度。
对位于板板黏接结构下板中的底波存在型夹杂
缺陷,如图3(f)所 示,夹 杂 波 既 不 是 有 效 分 析 区 间
内的首波,也不是 尾 波,还 不 是 最 高 波,那 么 使 用 该
成像方法则不容易采集到此类缺陷的位置信息。此
时,可将换能器放置到零件的对面一侧,那么缺陷相
对于换能 器 的 位 置 则 变 为 了 板 板 黏 接 结 构 中 的 上
板,波形 与 图 3(e)所 示 波 形 相 同,因 此 可 从 零 件 的
对面一侧入射声波,使用相同方法补充检测。
综上所述,对于 底 波 消 失 型 夹 杂,应 使 用 “尾 沿
位置”C 扫描图对缺陷进行识别,并通过“峰值位置”
C 扫描图表征 缺 陷 的 深 度。 对 于 底 波 存 在 型 夹 杂,
应使用“首沿位置”信息识别缺陷。如果是层压板结
构,仅从零件一侧入射声波即可,而对于板板黏接结
构,应将换能器分别置于零件的两侧进行扫查,以保
证其上板和下板中的缺陷均能被检出。
1.2.4 孔隙密集
复合材料中的孔隙密集缺陷是众多微小孔隙均
匀地分布于树脂或树脂和纤维界面之间的一种体积
型缺陷。这些微小孔隙构成了多个细微的声波反射
体,使得表面回波与底波之间出现微小丛状杂波,同
时底波在一定程 度 上 有 所 降 低,如 图 4 所 示。 孔 隙
密集缺陷的评判依 据 一 般 是 底 波 幅 值 降 低 的 程 度,
而底波是最大有效 分 析 区 间 内 最 末 端 的 反 射 回 波,
因此可使用 “尾 沿 波 幅”所 形 成 的 C 扫 描 图 像 识 别
孔隙密集缺陷值得注意的是,当 使 用 脉 冲 反 射 法 检 测 变 厚 度
层压板零件时,由于复合材料各向异性的特点,底波
波幅会随着零件厚度的增加而降低。这是影响孔隙
密集缺陷评判的一个重要因素。

结语
(1)在透照焦距相近的前提下,数字射线成像管电压和透照时间 明 显 低 于 胶 片 照 相 的,因 此 数 字
射线成像与胶片照 相 相 比 具 有 检 测 所 需 剂 量 低、检
测效率高的特点。
(2)数字射线成像的图像灵敏度略高于胶片照
相的,数字射线成 像 的 信 噪 比 高 于 胶 片 照 相 的。 数
字射线成像与胶片照相的成像质量相当。
(3)除裂纹的检出存在偏差外,其他缺陷均检出。
由于特殊方向细小裂纹的检出对透照角度有很高的要
求,射线透照角度稍有偏差检测结果就会不同。因此,
透照角度是小径管缺陷检出的关键影响因素,对于数
字射线成像技术,可以利用探测器具有高采集帧频的
特点,实现短时间内连续、多角度成像