本發(fā)明涉及一種薄壁纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)管件內(nèi)部質(zhì)量超聲相控陣在線測試方法，屬于纖維增強樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量超聲相控陣在線測試技術(shù)領(lǐng)域，適用于測定管壁直徑范圍在20～30mm，壁厚范圍在0.6～1.5mm的CFRP管件內(nèi)部質(zhì)量無損測試試驗，即所述的薄壁CFRP管件的外徑為20～30mm，壁厚為0.6～1.5mm，該測試方法主要用來測試薄壁CFRP管件內(nèi)部分層、空洞、疏松等缺陷類型。

背景技術(shù)：

CFRP薄壁管件結(jié)構(gòu)是組成復(fù)合材料構(gòu)件的一種典型單元，是航空、航天器結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)組件，多個型號大型衛(wèi)星天線支架等大多采用CFRP薄壁管件。

衛(wèi)星天線裝配后的管件一般需要進行展開、收攏試驗以及噪聲試驗和振動試驗，試驗過程中管件將承受復(fù)雜的載荷條件，可能對薄壁CFRP管件造成損傷。無法及時、有效識別出環(huán)形天線CFRP管件的內(nèi)部損傷，將會造成使用過程中的安全隱患。薄壁CFRP管件由于壁厚較小，曲率較大，裝配后整體結(jié)構(gòu)尺寸大，常規(guī)的超聲波測試方法具有始波和底波難以分離，超聲波能量損失大，檢測靈敏度低等特點。目前常用的復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量無損測試方法為GJB1038.1A-2004《纖維增強復(fù)合材料無損檢驗方法》，該方法超聲波檢測部分規(guī)定的纖維增強復(fù)合材料接觸式脈沖反射法、噴水式脈沖穿透發(fā)和水浸式脈沖反射法不適用于裝配狀態(tài)下的薄壁CFRP的內(nèi)部質(zhì)量測試，無法真實反映薄壁CFRP管件的內(nèi)部質(zhì)量狀態(tài)。當(dāng)前工業(yè)無損檢測技術(shù)無法滿足一種碳纖維增強樹脂基薄壁CFRP管件的內(nèi)部質(zhì)量的在線無損測試要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種薄壁CFRP管件內(nèi)部質(zhì)量超聲相控陣在線測試方法，該方法解決了現(xiàn)有碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部質(zhì)量性能測試方法不適用于薄壁CFRP管件在線無損測試的問題，為碳纖維薄壁CFRP管件的在線測試提供了一種新的試驗方法，使用該方法能夠可靠的反映碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料管材實際的內(nèi)部質(zhì)量性能。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種薄壁CFRP管件內(nèi)部質(zhì)量超聲相控陣在線測試方法，該方法的步驟包括：

(1)制備帶有缺陷的CFRP管件標(biāo)準對比試件；

(2)選用具有成像功能的超聲相控陣檢測儀和超聲相控陣換能器連接，所述的超聲相控陣檢測儀的工作頻率范圍為1MHz-30MHz，水平線性誤差不大于2％，垂直線性誤差不大于8％；所述的超聲相控陣換能器的中心頻率為15MHz-20MHz，陣元間隙為0.1mm-0.2mm，陣元數(shù)為32個，由矩形壓電陶瓷晶片構(gòu)成的陣元以半圓形式布局，嵌于超聲相控陣換能器基體內(nèi)，偏轉(zhuǎn)角范圍為0°-150°；

(3)對步驟(1)制備的標(biāo)準對比試件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達標(biāo)準對比試件管壁方法為：首先將相控陣探頭固定在標(biāo)準對比試件上；然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使超聲相控陣探頭平行于CFRP管件標(biāo)準對比試件長度方向勻速移動，移動過程中使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)底部并返回到晶片陣列上，晶片陣列通過壓電效應(yīng)將電信號傳輸?shù)匠曋鳈C上，在移動探頭的同時觀察相控陣超聲儀顯示器中顯示出CFRP管件標(biāo)準對比試件中的回波信號形成的圖像和波形信號A；

將得到的超聲波波形信號A上的人工標(biāo)準缺陷的回波反射信號調(diào)節(jié)到熒光屏滿幅度的50％～80％之間的某一幅度作為標(biāo)準靈敏度；

(4)將相控陣探頭從標(biāo)準對比試件上拆下，然后采用步驟(2)中得到的標(biāo)準靈敏度加6dB對待測試的薄壁CFRP管件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試方法為：首先使用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定，然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)凹陣探頭，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達待測試的薄壁CFRP管壁底部并返回到晶片陣列上，利用超聲相控陣換能器將采集到的回波反射聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過數(shù)據(jù)傳輸電纜送入超聲相控陣檢測儀保存得到超聲波信號曲線B和C型掃描圖；

(5)根據(jù)步驟(4)得到的超聲波信號曲線和C型掃描圖判讀缺陷信息。

所述的步驟(1)中制備帶有缺陷的CFRP管件標(biāo)準對比試件的方法為：挑選與薄壁CFRP管件的原材料、鋪層、固化工藝、厚度和表面狀態(tài)相同的材料，用單層或雙層厚度為0.02mm～0.05mm的聚四氟乙烯薄膜模擬缺陷，缺陷分布應(yīng)合理，相互之間的反射聲波不能產(chǎn)生干擾。

所述的相控陣探頭包括兩個凹陣探頭、水泵和編碼器，凹陣探頭為一半圓結(jié)構(gòu)，半圓結(jié)構(gòu)的兩端分別固定安裝有抱緊輪，半圓結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中心有周向凹槽，周向凹槽內(nèi)固定安裝有晶片陣列，周向凹槽的兩側(cè)均布有小孔，水泵的管路位于凹陣探頭的外側(cè)且通過凹陣探頭上的小孔向晶片與對待測試的薄壁CFRP管件之間的間隙內(nèi)充水；所述的編碼器固定安裝在凹陣探頭的外側(cè)，編碼器用于對待測試的薄壁CFRP管件的缺陷位置進行軸向定位。

所述的凹陣探頭的基體材料為聚四氟乙烯、硬質(zhì)塑料或金屬材料。

在采用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定時使用兩個凹陣探頭上的抱緊輪對待測試的薄壁CFRP管件進行抱緊，兩個凹陣探頭裝配到一起形成一個整圓即圓形探頭，兩個凹陣探頭上的晶片陣列與待測試的薄壁CFRP管件的外表面之間的配合間隙均為1.5～2.5mm。

單個凹陣探頭有效檢測角度α＝150°，兩個凹陣探頭裝配起來覆蓋角度為300°。

所述的單個凹陣探頭上的晶片陣列數(shù)為32陣元。

所述的凹陣探頭的頻率的選擇與待測試的薄壁CFRP管件的壁厚有關(guān)，當(dāng)壁厚為0.6-0.8mm時，凹陣探頭的頻率為20MHz。

所述的凹陣探頭的頻率的選擇與待測試的薄壁CFRP管件的壁厚有關(guān)，當(dāng)壁厚為0.8-1.5mm時，凹陣探頭的頻率為15MHz。

所述的超聲主機激發(fā)凹陣探頭時，采用的聚焦法則為無延遲同時激發(fā)原則，超聲主機上的兩個閘門分別套住缺陷反射回波和底波。

有益效果

(1)本發(fā)明測試方法中所用凹陣探頭結(jié)構(gòu)簡單，體積小，拆裝方便，便于檢測人員攜帶，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)形天線復(fù)合材薄壁管件在線裝配狀態(tài)下的無損檢測，有效提高檢測效率；

(2)本發(fā)明采用同時追蹤缺陷反射波和底波回波損失的超聲相控陣檢測方法，有效識別內(nèi)部質(zhì)量性能，提高檢測精度；

(3)本發(fā)明采用的凹陣探頭附帶編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷定位；

(4)本發(fā)明所采用的薄壁管件在線測試方法能夠有效解決在線作業(yè)實時耦合問題，探頭周圍設(shè)計多點真空吸收回水實現(xiàn)水循環(huán)，避免水沿管件流下對被檢管件造成不良影響。采用超聲相控陣的無損測試方法可實現(xiàn)碳纖維增強樹脂基薄壁CFRP管件在線檢測工作的開展。

附圖說明

圖1為標(biāo)準對比試件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，D為試樣外徑，d為試樣內(nèi)徑；

圖2為超聲相控陣探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為超聲波信號曲線A的示意圖；

圖4為晶片陣列結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為超聲波信號曲線B示意圖；

圖6為C型掃描圖A示意圖；

圖7為超聲波信號曲線B’示意圖；

圖8為C型掃描圖B示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明采用超聲相控陣測試方法進行CFRP薄壁管件內(nèi)部質(zhì)量在線無損測試。本發(fā)明的核心技術(shù)為：(1)超聲相控陣探頭的設(shè)計(2)超聲相控陣在線測試方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：(1)采用兩層聚四氟乙烯薄膜進行隔離作為人工缺陷，制作一種碳纖維增強樹脂基薄壁CFRP管件試樣。(2)設(shè)計一種高頻復(fù)合超聲波相控陣探頭(3)采用追蹤超聲波缺陷波和底波損失形成C型掃描圖形的檢測方法。所述相控陣探頭由凹陣探頭、水泵和編碼器組成。該探頭由2個凹陣探頭裝配而成，單個探頭有效檢測角度α＝150°，2個探頭裝配起來覆蓋角度為300°，探頭前端水膜厚度2.5mm，總共64陣元，通過兩次試驗?zāi)軌蛉娓采w管件內(nèi)部質(zhì)量，不存在檢測盲區(qū)。

步驟1：采用兩層聚四氟乙烯薄膜進行隔離作為人工缺陷制作碳纖維增強樹脂基薄壁CFRP管件試驗測試載體。

步驟2：根據(jù)CFRP試樣的內(nèi)外徑尺寸確定探頭頻率、曲率和尺寸。

步驟3：將曲率凹陣探頭八個抱緊輪抱緊碳纖維增強樹脂基薄壁CFRP管件產(chǎn)品，配合間隙為2.5mm，保證探頭掃查的同軸性。

步驟4：在超聲波檢測模塊設(shè)置超聲波檢測參數(shù)，包括聚焦法則，增益，頻率和重復(fù)頻率，兩個閘門分別套住缺陷反射回波和底波。

步驟5：開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合。

步驟6：實施測試工作，超聲波檢測模塊記錄缺陷反射回波和底波高度形成兩幅C型掃描圖。

一種薄壁CFRP管件內(nèi)部質(zhì)量超聲相控陣在線測試方法，該方法的步驟包括：

(1)制備帶有缺陷的CFRP管件標(biāo)準對比試件；

制備的方法為：挑選與待測試的薄壁CFRP管件的原材料相同且鋪層相同、固化工藝相同、厚度相同和表面狀態(tài)相同，用單層或雙層厚度為0.02mm～0.05mm的聚四氟乙烯薄膜模擬缺陷(人工缺陷)，缺陷分布應(yīng)合理，相互之間的反射聲波不能產(chǎn)生干擾；

(2)對步驟(1)制備的標(biāo)準對比試件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試方法為：首先使用相控陣探頭對標(biāo)準對比試件進行固定；然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)凹陣探頭，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達標(biāo)準對比試件的內(nèi)部并返回到晶片陣列上，晶片陣列通過壓電效應(yīng)將電信號傳輸?shù)匠曋鳈C上，得到超聲波信號曲線A；

將得到的超聲波信號曲線A上的人工標(biāo)準缺陷的回波反射信號調(diào)節(jié)到熒光屏滿幅度的50％～80％之間的某一幅度作為標(biāo)準靈敏度；

(3)將相控陣探頭從標(biāo)準對比試件上拆下，然后采用步驟(2)中得到的標(biāo)準靈敏度對待測試的薄壁CFRP管件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試方法為：首先使用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定，然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)凹陣探頭，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達待測試的薄壁CFRP管件的內(nèi)部并返回到晶片陣列上，晶片陣列通過壓電效應(yīng)將電信號傳輸?shù)匠曋鳈C上，得到超聲波信號曲線B和C型掃描圖；

(4)根據(jù)步驟(3)得到的超聲波信號曲線和C型掃描圖可以確定缺陷的具體尺寸、位置及深度。

所述的步驟(2)中，相控陣探頭包括兩個凹陣探頭、水泵、編碼器和抱緊膠輪，水泵帶有進水水咀和出水水咀，凹陣探頭為半圓結(jié)構(gòu)，半圓結(jié)構(gòu)的兩端分別固定安裝有抱緊膠輪，半圓結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中心有周向凹槽，周向凹槽內(nèi)固定安裝有晶片陣列，周向凹槽的兩側(cè)均布有小孔，水泵的管路位于凹陣探頭的外側(cè)且通過凹陣探頭上的小孔向晶片與對待測試的薄壁CFRP管件之間的間隙內(nèi)充水；所述的編碼器固定安裝在凹陣探頭的外側(cè)，編碼器用于對待測試的薄壁CFRP管件的缺陷位置進行軸向定位；兩個凹陣探頭之間是通過鎖緊裝置進行固定，所述的鎖緊裝置可以為固定銷；

所述的凹陣探頭的材料為聚四氟乙烯、硬質(zhì)塑料或金屬材料；

在采用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定時使用兩個凹陣探頭上的抱緊輪對待測試的薄壁CFRP管件進行抱緊，兩個凹陣探頭裝配到一起形成一個整圓即圓形探頭，兩個凹陣探頭上的晶片陣列與待測試的薄壁CFRP管件的外表面之間的配合間隙均為1.5-2.5mm；

單個凹陣探頭有效檢測角度α＝150°，兩個凹陣探頭裝配起來覆蓋角度為300°；

所述的單個凹陣探頭上的晶片陣列數(shù)為32陣元；

所述的凹陣探頭的頻率的選擇與待測試的薄壁CFRP管件的壁厚有關(guān)，比如當(dāng)壁厚為0.6-0.8mm時，凹陣探頭的頻率為20MHz，當(dāng)壁厚為0.8-1.5mm時，凹陣探頭的頻率為15MHz；

所述的超聲主機激發(fā)凹陣探頭時，采用的聚焦法則為無延遲同時激發(fā)原則，超聲主機上的兩個閘門分別套住缺陷反射回波和底波。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。

實施例

對外壁直徑為26mm，壁厚為0.6mm的七層纏繞環(huán)形天線結(jié)構(gòu)用薄壁CFRP管件進行超聲相控陣測試。要求CFRP管件內(nèi)部不存在大于0.5mm當(dāng)量大小的缺陷存在。該方法的步驟包括：

(1)制備帶有缺陷的CFRP管件標(biāo)準對比試件；

制備的方法為：在采用纏繞的方法制備CFRP薄壁管件的過程中，在CFRP第六層與第七層之間放置兩層尺寸分別為Φ3mm、Φ5mm、Φ7mm，厚度均為0.02mm的單層聚四氟乙烯薄膜，放置聚四氟乙烯薄膜的作用是對CFRP進行隔離，放置聚四氟乙烯薄膜的位置即為缺陷位置，如圖1所示；

(2)對步驟(1)制備的標(biāo)準對比試件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試方法為：首先使用相控陣探頭對標(biāo)準對比試件進行固定；然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)凹陣探頭，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達標(biāo)準對比試件的內(nèi)部并返回到晶片陣列上，晶片陣列通過壓電效應(yīng)將電信號傳輸?shù)匠曋鳈C上，得到超聲波信號曲線A，如圖3所示；

所述的超聲相控陣在線測試所用探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。相控陣探頭包括兩個凹陣探頭、水泵、編碼器和抱緊膠輪，水泵帶有進水水咀和出水水咀，凹陣探頭為半圓結(jié)構(gòu)，半圓結(jié)構(gòu)的兩端分別固定安裝有抱緊膠輪，半圓結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中心有周向凹槽，周向凹槽內(nèi)固定安裝有晶片陣列，周向凹槽的兩側(cè)均布有小孔，水泵的管路位于凹陣探頭的外側(cè)且通過凹陣探頭上的小孔向晶片與對待測試的薄壁CFRP管件之間的間隙內(nèi)充水；所述的編碼器固定安裝在凹陣探頭的外側(cè)，編碼器用于對待測試的薄壁CFRP管件的缺陷位置進行軸向定位；兩個凹陣探頭之間是通過鎖緊裝置進行固定，所述的鎖緊裝置可以為固定銷；

高頻超聲相控陣在線檢測用探頭，包括：兩個高頻超聲相控陣凹陣探頭，管抱緊掃查裝置，輪式編碼器，水循環(huán)耦合裝置一套。兩個高頻的32陣元的凹陣相控陣超聲探頭，曲率半徑根據(jù)管壁直徑確定(水層2.5mm)，兩個探頭有效檢測范圍為300度，兩次管軸向掃查可以實現(xiàn)全覆蓋，提升檢測效率；通過兩邊共八個抱緊輪抱緊航天碳纖維CFRP薄壁管，保證探頭掃查的同軸性；輪式編碼器安裝在管抱緊掃查裝置上，用于記錄掃查運動軌跡；同時利用水循環(huán)耦合裝置對探頭檢測提供耦合，水套滲漏的水通過真空吸收吸回水循環(huán)系統(tǒng)中，實現(xiàn)水的循環(huán)利用。

晶片陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，為線性陣列，陣元寬度為7mm，陣元寬度不宜過大以避免轉(zhuǎn)向角增大時產(chǎn)生柵瓣；

晶片陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示：

表1 晶片陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)

將得到的超聲波信號曲線A上的人工標(biāo)準缺陷的回波反射信號調(diào)節(jié)到熒光屏滿幅度的60％時的增益作為標(biāo)準靈敏度；

(3)將相控陣探頭從標(biāo)準對比試件上拆下，然后采用步驟(2)中得到的標(biāo)準靈敏度再加上6dB作為掃查靈敏度，對待測試的薄壁CFRP管件進行超聲相控陣測試；

所述的超聲相控陣測試方法為：首先使用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定，然后開啟水泵，利用真空泵實時吸收進行水循環(huán)耦合；最后使用超聲主機發(fā)射電脈沖激發(fā)凹陣探頭，使凹陣探頭發(fā)射超聲波，超聲波到達待測試的薄壁CFRP管件的內(nèi)部并返回到晶片陣列上，晶片陣列通過壓電效應(yīng)將電信號傳輸?shù)匠曋鳈C上，得到超聲波信號曲線B和C型掃描圖A，超聲波信號曲線B如圖5所示，C型掃描圖A如圖6所示；

(4)將待測試的薄壁CFRP管件進行旋轉(zhuǎn)180度，采用步驟(3)的方法對待測試的薄壁CFRP管件進行第二次超聲相控陣測試，得到超聲波信號曲線B’和C型掃描圖B，超聲波信號曲線B’如圖7所示，C型掃描圖B如圖8所示；

(5)根據(jù)步驟(3)和步驟(4)得到的超聲波信號曲線和C型掃描圖可以確定缺陷的具體尺寸、位置及深度，從圖5-圖8可以看出所測薄壁CFRP管件內(nèi)部存在兩個缺陷，缺陷的尺寸和深度分布見表2。

表2

凹陣探頭為一半圓結(jié)構(gòu)，半圓結(jié)構(gòu)的兩端分別固定安裝有抱緊輪，半圓結(jié)構(gòu)的內(nèi)部中心有周向凹槽，周向凹槽內(nèi)固定安裝有晶片陣列，周向凹槽的兩側(cè)均布有小孔，水泵的管路位于凹陣探頭的外側(cè)且通過凹陣探頭上的小孔向晶片與對待測試的薄壁CFRP管件之間的間隙內(nèi)充水；所述的編碼器固定安裝在凹陣探頭的外側(cè)，編碼器用于對待測試的薄壁CFRP管件的缺陷位置進行軸向定位；

所述的凹陣探頭的材料為聚四氟乙烯、硬質(zhì)塑料或防銹金屬材料；

在采用相控陣探頭對待測試的薄壁CFRP管件進行固定時使用兩個凹陣探頭上的抱緊輪對待測試的薄壁CFRP管件進行抱緊，兩個凹陣探頭裝配到一起形成一個整圓即圓形探頭，兩個凹陣探頭上的晶片陣列與待測試的薄壁CFRP管件的外表面之間的配合間隙均為2.5mm；

單個凹陣探頭有效檢測角度α＝150°，兩個凹陣探頭裝配起來覆蓋角度為300°，對測試的CFRP薄壁管件進行兩次試驗即可實現(xiàn)100％無盲區(qū)覆蓋性檢測，兩次試驗的角度相距180度。

如圖4所示，所述的單個凹陣探頭上的晶片陣列數(shù)為32陣元；

所述的凹陣探頭的頻率為15～20MHz；

所述的超聲主機激發(fā)凹陣探頭時，采用的聚焦法則為無延遲同時激發(fā)原則，超聲主機上的兩個閘門分別套住缺陷反射回波和底波。

本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知技術(shù)。