一种薄壁CFRP管件内部质量超声相控阵在线测试方法与流程

本发明涉及一种薄壁纤维增强树脂基复合材料(CFRP)管件内部质量超声相控阵在线测试方法，属于纤维增强树脂基复合材料内部质量超声相控阵在线测试技术领域，适用于测定管壁直径范围在20～30mm，壁厚范围在0.6～1.5mm的CFRP管件内部质量无损测试试验，即所述的薄壁CFRP管件的外径为20～30mm，壁厚为0.6～1.5mm，该测试方法主要用来测试薄壁CFRP管件内部分层、空洞、疏松等缺陷类型。

背景技术：

CFRP薄壁管件结构是组成复合材料构件的一种典型单元，是航空、航天器结构中常用的结构组件，多个型号大型卫星天线支架等大多采用CFRP薄壁管件。

卫星天线装配后的管件一般需要进行展开、收拢试验以及噪声试验和振动试验，试验过程中管件将承受复杂的载荷条件，可能对薄壁CFRP管件造成损伤。无法及时、有效识别出环形天线CFRP管件的内部损伤，将会造成使用过程中的安全隐患。薄壁CFRP管件由于壁厚较小，曲率较大，装配后整体结构尺寸大，常规的超声波测试方法具有始波和底波难以分离，超声波能量损失大，检测灵敏度低等特点。目前常用的复合材料内部质量无损测试方法为GJB1038.1A-2004《纤维增强复合材料无损检验方法》，该方法超声波检测部分规定的纤维增强复合材料接触式脉冲反射法、喷水式脉冲穿透发和水浸式脉冲反射法不适用于装配状态下的薄壁CFRP的内部质量测试，无法真实反映薄壁CFRP管件的内部质量状态。当前工业无损检测技术无法满足一种碳纤维增强树脂基薄壁CFRP管件的内部质量的在线无损测试要求。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种薄壁CFRP管件内部质量超声相控阵在线测试方法，该方法解决了现有碳纤维增强树脂基复合材料内部质量性能测试方法不适用于薄壁CFRP管件在线无损测试的问题，为碳纤维薄壁CFRP管件的在线测试提供了一种新的试验方法，使用该方法能够可靠的反映碳纤维增强树脂基复合材料管材实际的内部质量性能。

本发明的技术解决方案是：

一种薄壁CFRP管件内部质量超声相控阵在线测试方法，该方法的步骤包括：

(1)制备带有缺陷的CFRP管件标准对比试件；

(2)选用具有成像功能的超声相控阵检测仪和超声相控阵换能器连接，所述的超声相控阵检测仪的工作频率范围为1MHz-30MHz，水平线性误差不大于2％，垂直线性误差不大于8％；所述的超声相控阵换能器的中心频率为15MHz-20MHz，阵元间隙为0.1mm-0.2mm，阵元数为32个，由矩形压电陶瓷晶片构成的阵元以半圆形式布局，嵌于超声相控阵换能器基体内，偏转角范围为0°-150°；

(3)对步骤(1)制备的标准对比试件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试，使凹阵探头发射超声波，超声波到达标准对比试件管壁方法为：首先将相控阵探头固定在标准对比试件上；然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使超声相控阵探头平行于CFRP管件标准对比试件长度方向匀速移动，移动过程中使用超声主机发射电脉冲激发底部并返回到晶片阵列上，晶片阵列通过压电效应将电信号传输到超声主机上，在移动探头的同时观察相控阵超声仪显示器中显示出CFRP管件标准对比试件中的回波信号形成的图像和波形信号A；

将得到的超声波波形信号A上的人工标准缺陷的回波反射信号调节到荧光屏满幅度的50％～80％之间的某一幅度作为标准灵敏度；

(4)将相控阵探头从标准对比试件上拆下，然后采用步骤(2)中得到的标准灵敏度加6dB对待测试的薄壁CFRP管件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试方法为：首先使用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定，然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使用超声主机发射电脉冲激发凹阵探头，使凹阵探头发射超声波，超声波到达待测试的薄壁CFRP管壁底部并返回到晶片阵列上，利用超声相控阵换能器将采集到的回波反射声波信号转换成电信号，通过数据传输电缆送入超声相控阵检测仪保存得到超声波信号曲线B和C型扫描图；

(5)根据步骤(4)得到的超声波信号曲线和C型扫描图判读缺陷信息。

所述的步骤(1)中制备带有缺陷的CFRP管件标准对比试件的方法为：挑选与薄壁CFRP管件的原材料、铺层、固化工艺、厚度和表面状态相同的材料，用单层或双层厚度为0.02mm～0.05mm的聚四氟乙烯薄膜模拟缺陷，缺陷分布应合理，相互之间的反射声波不能产生干扰。

所述的相控阵探头包括两个凹阵探头、水泵和编码器，凹阵探头为一半圆结构，半圆结构的两端分别固定安装有抱紧轮，半圆结构的内部中心有周向凹槽，周向凹槽内固定安装有晶片阵列，周向凹槽的两侧均布有小孔，水泵的管路位于凹阵探头的外侧且通过凹阵探头上的小孔向晶片与对待测试的薄壁CFRP管件之间的间隙内充水；所述的编码器固定安装在凹阵探头的外侧，编码器用于对待测试的薄壁CFRP管件的缺陷位置进行轴向定位。

所述的凹阵探头的基体材料为聚四氟乙烯、硬质塑料或金属材料。

在采用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定时使用两个凹阵探头上的抱紧轮对待测试的薄壁CFRP管件进行抱紧，两个凹阵探头装配到一起形成一个整圆即圆形探头，两个凹阵探头上的晶片阵列与待测试的薄壁CFRP管件的外表面之间的配合间隙均为1.5～2.5mm。

单个凹阵探头有效检测角度α＝150°，两个凹阵探头装配起来覆盖角度为300°。

所述的单个凹阵探头上的晶片阵列数为32阵元。

所述的凹阵探头的频率的选择与待测试的薄壁CFRP管件的壁厚有关，当壁厚为0.6-0.8mm时，凹阵探头的频率为20MHz。

所述的凹阵探头的频率的选择与待测试的薄壁CFRP管件的壁厚有关，当壁厚为0.8-1.5mm时，凹阵探头的频率为15MHz。

所述的超声主机激发凹阵探头时，采用的聚焦法则为无延迟同时激发原则，超声主机上的两个闸门分别套住缺陷反射回波和底波。

有益效果

(1)本发明测试方法中所用凹阵探头结构简单，体积小，拆装方便，便于检测人员携带，能够实现环形天线复合材薄壁管件在线装配状态下的无损检测，有效提高检测效率；

(2)本发明采用同时追踪缺陷反射波和底波回波损失的超声相控阵检测方法，有效识别内部质量性能，提高检测精度；

(3)本发明采用的凹阵探头附带编码器能够实现缺陷定位；

(4)本发明所采用的薄壁管件在线测试方法能够有效解决在线作业实时耦合问题，探头周围设计多点真空吸收回水实现水循环，避免水沿管件流下对被检管件造成不良影响。采用超声相控阵的无损测试方法可实现碳纤维增强树脂基薄壁CFRP管件在线检测工作的开展。

附图说明

图1为标准对比试件的结构示意图，图中，D为试样外径，d为试样内径；

图2为超声相控阵探头结构示意图；

图3为超声波信号曲线A的示意图；

图4为晶片阵列结构示意图；

图5为超声波信号曲线B示意图；

图6为C型扫描图A示意图；

图7为超声波信号曲线B’示意图；

图8为C型扫描图B示意图。

具体实施方式

本发明采用超声相控阵测试方法进行CFRP薄壁管件内部质量在线无损测试。本发明的核心技术为：(1)超声相控阵探头的设计(2)超声相控阵在线测试方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：(1)采用两层聚四氟乙烯薄膜进行隔离作为人工缺陷，制作一种碳纤维增强树脂基薄壁CFRP管件试样。(2)设计一种高频复合超声波相控阵探头(3)采用追踪超声波缺陷波和底波损失形成C型扫描图形的检测方法。所述相控阵探头由凹阵探头、水泵和编码器组成。该探头由2个凹阵探头装配而成，单个探头有效检测角度α＝150°，2个探头装配起来覆盖角度为300°，探头前端水膜厚度2.5mm，总共64阵元，通过两次试验能够全面覆盖管件内部质量，不存在检测盲区。

步骤1：采用两层聚四氟乙烯薄膜进行隔离作为人工缺陷制作碳纤维增强树脂基薄壁CFRP管件试验测试载体。

步骤2：根据CFRP试样的内外径尺寸确定探头频率、曲率和尺寸。

步骤3：将曲率凹阵探头八个抱紧轮抱紧碳纤维增强树脂基薄壁CFRP管件产品，配合间隙为2.5mm，保证探头扫查的同轴性。

步骤4：在超声波检测模块设置超声波检测参数，包括聚焦法则，增益，频率和重复频率，两个闸门分别套住缺陷反射回波和底波。

步骤5：开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合。

步骤6：实施测试工作，超声波检测模块记录缺陷反射回波和底波高度形成两幅C型扫描图。

一种薄壁CFRP管件内部质量超声相控阵在线测试方法，该方法的步骤包括：

(1)制备带有缺陷的CFRP管件标准对比试件；

制备的方法为：挑选与待测试的薄壁CFRP管件的原材料相同且铺层相同、固化工艺相同、厚度相同和表面状态相同，用单层或双层厚度为0.02mm～0.05mm的聚四氟乙烯薄膜模拟缺陷(人工缺陷)，缺陷分布应合理，相互之间的反射声波不能产生干扰；

(2)对步骤(1)制备的标准对比试件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试方法为：首先使用相控阵探头对标准对比试件进行固定；然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使用超声主机发射电脉冲激发凹阵探头，使凹阵探头发射超声波，超声波到达标准对比试件的内部并返回到晶片阵列上，晶片阵列通过压电效应将电信号传输到超声主机上，得到超声波信号曲线A；

将得到的超声波信号曲线A上的人工标准缺陷的回波反射信号调节到荧光屏满幅度的50％～80％之间的某一幅度作为标准灵敏度；

(3)将相控阵探头从标准对比试件上拆下，然后采用步骤(2)中得到的标准灵敏度对待测试的薄壁CFRP管件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试方法为：首先使用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定，然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使用超声主机发射电脉冲激发凹阵探头，使凹阵探头发射超声波，超声波到达待测试的薄壁CFRP管件的内部并返回到晶片阵列上，晶片阵列通过压电效应将电信号传输到超声主机上，得到超声波信号曲线B和C型扫描图；

(4)根据步骤(3)得到的超声波信号曲线和C型扫描图可以确定缺陷的具体尺寸、位置及深度。

所述的步骤(2)中，相控阵探头包括两个凹阵探头、水泵、编码器和抱紧胶轮，水泵带有进水水咀和出水水咀，凹阵探头为半圆结构，半圆结构的两端分别固定安装有抱紧胶轮，半圆结构的内部中心有周向凹槽，周向凹槽内固定安装有晶片阵列，周向凹槽的两侧均布有小孔，水泵的管路位于凹阵探头的外侧且通过凹阵探头上的小孔向晶片与对待测试的薄壁CFRP管件之间的间隙内充水；所述的编码器固定安装在凹阵探头的外侧，编码器用于对待测试的薄壁CFRP管件的缺陷位置进行轴向定位；两个凹阵探头之间是通过锁紧装置进行固定，所述的锁紧装置可以为固定销；

所述的凹阵探头的材料为聚四氟乙烯、硬质塑料或金属材料；

在采用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定时使用两个凹阵探头上的抱紧轮对待测试的薄壁CFRP管件进行抱紧，两个凹阵探头装配到一起形成一个整圆即圆形探头，两个凹阵探头上的晶片阵列与待测试的薄壁CFRP管件的外表面之间的配合间隙均为1.5-2.5mm；

单个凹阵探头有效检测角度α＝150°，两个凹阵探头装配起来覆盖角度为300°；

所述的单个凹阵探头上的晶片阵列数为32阵元；

所述的凹阵探头的频率的选择与待测试的薄壁CFRP管件的壁厚有关，比如当壁厚为0.6-0.8mm时，凹阵探头的频率为20MHz，当壁厚为0.8-1.5mm时，凹阵探头的频率为15MHz；

所述的超声主机激发凹阵探头时，采用的聚焦法则为无延迟同时激发原则，超声主机上的两个闸门分别套住缺陷反射回波和底波。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

对外壁直径为26mm，壁厚为0.6mm的七层缠绕环形天线结构用薄壁CFRP管件进行超声相控阵测试。要求CFRP管件内部不存在大于0.5mm当量大小的缺陷存在。该方法的步骤包括：

(1)制备带有缺陷的CFRP管件标准对比试件；

制备的方法为：在采用缠绕的方法制备CFRP薄壁管件的过程中，在CFRP第六层与第七层之间放置两层尺寸分别为Φ3mm、Φ5mm、Φ7mm，厚度均为0.02mm的单层聚四氟乙烯薄膜，放置聚四氟乙烯薄膜的作用是对CFRP进行隔离，放置聚四氟乙烯薄膜的位置即为缺陷位置，如图1所示；

(2)对步骤(1)制备的标准对比试件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试方法为：首先使用相控阵探头对标准对比试件进行固定；然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使用超声主机发射电脉冲激发凹阵探头，使凹阵探头发射超声波，超声波到达标准对比试件的内部并返回到晶片阵列上，晶片阵列通过压电效应将电信号传输到超声主机上，得到超声波信号曲线A，如图3所示；

所述的超声相控阵在线测试所用探头结构如图2所示。相控阵探头包括两个凹阵探头、水泵、编码器和抱紧胶轮，水泵带有进水水咀和出水水咀，凹阵探头为半圆结构，半圆结构的两端分别固定安装有抱紧胶轮，半圆结构的内部中心有周向凹槽，周向凹槽内固定安装有晶片阵列，周向凹槽的两侧均布有小孔，水泵的管路位于凹阵探头的外侧且通过凹阵探头上的小孔向晶片与对待测试的薄壁CFRP管件之间的间隙内充水；所述的编码器固定安装在凹阵探头的外侧，编码器用于对待测试的薄壁CFRP管件的缺陷位置进行轴向定位；两个凹阵探头之间是通过锁紧装置进行固定，所述的锁紧装置可以为固定销；

高频超声相控阵在线检测用探头，包括：两个高频超声相控阵凹阵探头，管抱紧扫查装置，轮式编码器，水循环耦合装置一套。两个高频的32阵元的凹阵相控阵超声探头，曲率半径根据管壁直径确定(水层2.5mm)，两个探头有效检测范围为300度，两次管轴向扫查可以实现全覆盖，提升检测效率；通过两边共八个抱紧轮抱紧航天碳纤维CFRP薄壁管，保证探头扫查的同轴性；轮式编码器安装在管抱紧扫查装置上，用于记录扫查运动轨迹；同时利用水循环耦合装置对探头检测提供耦合，水套渗漏的水通过真空吸收吸回水循环系统中，实现水的循环利用。

晶片阵列结构如图4所示，为线性阵列，阵元宽度为7mm，阵元宽度不宜过大以避免转向角增大时产生栅瓣；

晶片阵列结构的参数如表1所示：

表1 晶片阵列结构参数

将得到的超声波信号曲线A上的人工标准缺陷的回波反射信号调节到荧光屏满幅度的60％时的增益作为标准灵敏度；

(3)将相控阵探头从标准对比试件上拆下，然后采用步骤(2)中得到的标准灵敏度再加上6dB作为扫查灵敏度，对待测试的薄壁CFRP管件进行超声相控阵测试；

所述的超声相控阵测试方法为：首先使用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定，然后开启水泵，利用真空泵实时吸收进行水循环耦合；最后使用超声主机发射电脉冲激发凹阵探头，使凹阵探头发射超声波，超声波到达待测试的薄壁CFRP管件的内部并返回到晶片阵列上，晶片阵列通过压电效应将电信号传输到超声主机上，得到超声波信号曲线B和C型扫描图A，超声波信号曲线B如图5所示，C型扫描图A如图6所示；

(4)将待测试的薄壁CFRP管件进行旋转180度，采用步骤(3)的方法对待测试的薄壁CFRP管件进行第二次超声相控阵测试，得到超声波信号曲线B’和C型扫描图B，超声波信号曲线B’如图7所示，C型扫描图B如图8所示；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)得到的超声波信号曲线和C型扫描图可以确定缺陷的具体尺寸、位置及深度，从图5-图8可以看出所测薄壁CFRP管件内部存在两个缺陷，缺陷的尺寸和深度分布见表2。

表2

凹阵探头为一半圆结构，半圆结构的两端分别固定安装有抱紧轮，半圆结构的内部中心有周向凹槽，周向凹槽内固定安装有晶片阵列，周向凹槽的两侧均布有小孔，水泵的管路位于凹阵探头的外侧且通过凹阵探头上的小孔向晶片与对待测试的薄壁CFRP管件之间的间隙内充水；所述的编码器固定安装在凹阵探头的外侧，编码器用于对待测试的薄壁CFRP管件的缺陷位置进行轴向定位；

所述的凹阵探头的材料为聚四氟乙烯、硬质塑料或防锈金属材料；

在采用相控阵探头对待测试的薄壁CFRP管件进行固定时使用两个凹阵探头上的抱紧轮对待测试的薄壁CFRP管件进行抱紧，两个凹阵探头装配到一起形成一个整圆即圆形探头，两个凹阵探头上的晶片阵列与待测试的薄壁CFRP管件的外表面之间的配合间隙均为2.5mm；

单个凹阵探头有效检测角度α＝150°，两个凹阵探头装配起来覆盖角度为300°，对测试的CFRP薄壁管件进行两次试验即可实现100％无盲区覆盖性检测，两次试验的角度相距180度。

如图4所示，所述的单个凹阵探头上的晶片阵列数为32阵元；

所述的凹阵探头的频率为15～20MHz；

所述的超声主机激发凹阵探头时，采用的聚焦法则为无延迟同时激发原则，超声主机上的两个闸门分别套住缺陷反射回波和底波。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。