碳／環氧復合材料管形件超聲底板反射檢測法 zund G3 3XL-2500-木質材料台中切割加工－劉婷婷焦點新聞熱搜

文　摘:新型運載火箭的推力支架使用石炭／環氧復合材料管形件組裝而成。針對該類管形件的成型工藝及特征，文章在對比了多種常用的超聲檢測方法的基礎上，提出了復合材料管形件內部質量的底板反射檢測方法。文中運用了超聲C掃描系統，采用底板反射法對設計的人工缺陷及實際產品進行檢測。結果表明，所采用的檢測方法能夠準確地檢測出人工缺陷，并且可以有效地實現產品內部缺陷的檢測。
關鍵詞復合材料，管形件，底板反射法，超聲檢測

0　引　言

　　新型運載火箭上的箱問段、級問段以及發動機與飛行器燃料儲箱之間的推力支架，均使用碳／環氧復合材料管形件組裝制造而成，在使用過程中承受大載荷的壓縮、拉伸力作用，是運載火箭上的關健部件。碳／環氧復合材料管形件的長度長、管徑小(外徑40 mm，壁厚6 mm，長度5 m)，其制備方法是濕法纏繞，通過在金屬芯模上纏繞浸過樹脂的高強碳纖維制造而成。為保證樹脂含量的均勻穩定，在固化時采用低速旋轉固化，氣泡只能自己緩慢排出。這種成型工藝決定了復合材料管形件具有孔隙率高、聲衰減大的特點，產品內部易存在影響其使用性能的分層、疏松和夾雜等缺陷。
　　由于復合材料的生產工藝過程復雜、工藝技術狀太難以準確控制，避免使用帶有危險缺陷的復合材料管形件是保證運載火箭技術穩定性的先決條件。復合材料管形件為單件生產方式，生產后直接成型，后加工量少，生產工藝控制、破壞性抽檢等常用的產品質量方法無法應用，建立碳／環氧復合材料管形件無損檢測方法，對于保證運載火箭箱間段、級問段和推力支架的質量可靠性具有十分重要的作用。

1　檢測方法研究

　　復合材料常用的超聲檢測方法有：脈沖反射法和穿透法。由于復合材料管形件的孔隙率高，超聲波傳播衰減大；表面曲率半徑小，超聲波入射到制品后的聲束擴散嚴重；制品表面不平整，材料表面反射波列較寬等因素影響了超聲脈沖反射法的使用。使用不同頻率、不同晶片直徑、不同焦距長度的探頭對復合材料管形件進行適用性研究，圖1為使用1 MHz平探頭對復合材料管形件進行接觸反射法檢測的波形圖。

　　實驗研究表明，無論是使用接觸式超聲脈沖反射法還是水浸式超聲脈沖反射法，由于材料對聲波的衰減嚴重，始波(或界面波)波列較寬，影響內壁底波的識別。因而，超聲脈沖反射法不適用于該類復合材料管形件內部缺陷的檢測。
　　超聲穿透法雖然對復合材料管形件材料具有很好的檢測效果，但由于復合材料管形件的長度尺寸大、管徑小，在實際檢測時，如采用管形件立式狀態檢測方案，檢測系統的研制難度大、檢測操作困難，如采用臥式狀態檢測方案，細長的探頭機械臂受撓度因素的影響，在檢測時內部探頭磕碰內壁，使位于復合材料管形件外部超聲探頭與內部超聲探頭的對準狀態不穩定。因此，超聲穿透法也不適用于復合材料管形件內部缺陷的檢測。
　　綜上所述，常用的超聲脈沖反射法和穿透法，都不是復合材料管形件佳的超聲檢測方法。根據管形件自身形狀尺寸，擬采用兩種檢測方法：整體穿透法、底板反射法。
　　整體穿透法檢測是指在液浸的條件下將探頭放在管形件外壁兩側，探頭實行一發一收模式。當管形件內部存在分層、疏松或夾雜等缺陷時，穿透波的幅度均有不同程度的降低，可據此判定缺陷的有無(圖2)。整體穿透法的優點是：工程上容易實現，檢測效率高，穿透波變化直觀。其不足是：當缺陷出現時，無法判定缺陷所在位置，對缺陷的定量、定性不準確，會造成缺陷漏檢和誤判。

　　依據復合材料管形件的制造工藝，復合材料管形件脫模后內壁光滑，為底板反射法檢測提供了有利條件。底板反射法對復合材管形件檢測，是在液浸的條件下使超聲束沿管形件中心垂直穿透管形件上部并從光滑平整的內表面反射，測量反射波穿透管形件上部時為探頭接收的回波高度，以判斷有無缺陷。可根據回波幅度的高低判定缺陷的類型，如圖3所示為底板反射法示意圖。

　　使用底板反射法檢測彌補了整體穿透法檢測時缺陷難以定位定量的不足，而且超聲波在待檢部位進行二次穿透，缺陷處回波變化非常明顯，具有較高的靈敏度，是針對該類工件佳的檢測手段。

2　檢測實驗及結果

2.1　試樣設計
　　按照超聲波傳播過程中遇到空氣介質時會產生衰減，也可以達到模擬缺陷的目的。實驗采用在制品樣件表面粘貼紙片模擬人工分層缺陷，以及在實際產品成型過程中預埋聚四氟乙烯薄片兩種模擬方法。其中，黏貼紙片缺陷尺寸有10 mm×10 mm、10 mm×20 mm、20 mm ×20 mm 、10 mm×30 mm、10 mm ×40mm，如圖4所示。預埋聚四氟乙烯薄片尺寸為45mm×45 mm，40 mm×40 mm(2塊)，35 mm×35 mm，30mm×30 mm，25 mm×25 mm(3塊)，20 min×20 mm，15mm×15 mm(2塊)，10 mm×10 mm(3塊)，7 mm×7 mm (2塊)；預埋數字分層的寬度在10 mm左右，數字分層與方形分層缺陷預埋的深度不同，其示意圖如圖5所示。

2.2　檢測結果
　　使用1 MHz平探頭檢測模擬缺陷試樣，檢測結果如圖6所示。圖6中所有粘貼的模擬缺陷均清晰可見。從圖7可以看出由于纏繞過程中的某些因素導致模擬分層之間產生了缺陷，所有模擬分層爭部連在一起難以分辨，但是預埋的數字分層非常清楚。不僅如此．預埋件纏繞方向上的氣孔含較高，某些部位存在異常。

　　對實際產品的檢測結果如圖8所示。

　　對所發現的分層性缺陷部位解剖后進行了金相檢驗，金相照片如圖9所示。從金相照片可以看出該系統能有效檢測出分層性缺陷。

3　結論

　　針對纏繞成型復合材料管形件進行了超聲檢測實驗研究，在現有的檢測條件下提出了復合材料管形件內部質量檢測的超聲底板反射法。對于孔隙率高、管徑小且長度尺寸大的管形件．底板反射法是一種可靠性高的超聲檢測方法。但由于探頭與管形件中心之間的偏心距對底板回波聲壓有較大影響，檢測時必須使用自動掃查系統控制探頭的偏心距，以避免缺陷的誤檢。實驗結果表明，所設計的人工缺陷能夠全部檢出，對實際產品內部缺陷的檢測效果較好。

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