一种采用超声相控阵检测R角结构缺陷尺寸的方法与流程

本发明涉及一种采用超声相控阵检测R角结构缺陷尺寸的方法，属于无损检测技术领域。

背景技术：

复合材料R角结构是军用飞机结构中的一种常见结构形式，舰载机的舱门、壁板等制件中均有R角结构，其他一些复杂结构制件也可能包含有小曲率结构。该结构在固化成型过程中，较平面部位更容易因为树脂流动不均匀或固化程度不足等原因引起孔隙、分层、脱粘等缺陷，在纤维填塞区还容易因为纤维填塞不足或树脂流动不好而形成孔洞缺陷。并且，当R角结构内部及附近出现缺陷时，制件受力后，缺陷的扩展速率要大于缺陷位于层板中的扩展速率。因此，对复合材料R角结构的质量控制十分重要。美、英等航空强国，不断发展先进的无损检测技术对R角结构进行质量把关，并对其制定了严格的验收标准。我国虽然也认识到整体化接头质量检测的重要性，但重视程度和技术水平远远落后于英美国家，已不能满足我国复合材料制件快速发展的需要。尽快提升我国R角结构检测技术水平，扭转检测技术与材料发展不匹配的被动局面，迫在眉睫。

由于R角结构带有曲率，且使用曲面线阵探头对其进行检测时，声波在R角结构中的声场分布比较复杂，测量时由于R角结构的声场宽度对准确测量影响较大，因此，需要首先对R角结构的声场宽度进行测量。

技术实现要素：

本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种采用超声相控阵检测R角结构缺陷尺寸的方法，其目的是提供一种能够准确测量R角结构中缺陷尺寸的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

该种采用超声相控阵检测R角结构缺陷尺寸的方法，所述R角结构为连接两个平板平面(1)的单曲率圆弧面(2)，单曲率圆弧面(2)的圆弧曲率半径大于3mm，小于25mm，单曲率圆弧面(2)的圆弧开口角度大于30°，小于180°，所述单曲率圆弧面(2)沿圆弧方向的截面称为圆弧截面(3)，圆弧截面(3)的厚度与平板平面(1)的厚度相同，该圆弧截面(3)与上述两个平板平面(1)垂直，所述超声检测装置包括超声相控阵检测仪器(4)、曲面线阵探头(5)、编码器(6)和声场测量用对比试块(7)，超声相控阵检测仪器(4)通过电缆线(8)与编码器(6)、曲面线阵探头(5)连接，对比试块(7)的沿R角延伸方向上的长度大于200mm，该长度方向与圆弧截面(3)垂直，对比试块(7)的材料、R角结构和制备工艺与被检测的R角结构相同，其特征在于：该检测方法的步骤如下：

步骤一、利用对比试块(7)对不存在缺陷R角结构进行超声相控阵检测，得到R角结构中的声场数据，即获得R角结构中各点在圆弧截面(3)上沿圆弧的声束宽度和沿R角结构的延伸方向的声束宽度；

所述不存在缺陷R角结构与待检测的R角结构在材料、结构上相同；

步骤二、对待检测的R角结构进行超声相控阵检测，曲面线阵探头(5)通过水耦合在R角结构内部以发现其中的缺陷并确定缺陷的位置，然后沿R角结构的延伸方向对缺陷进行相控阵C扫描成像和相控阵B扫描成像，其中，在相控阵C扫描成像中用6dB法测量缺陷在R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸；

步骤三、通过相控阵B扫描成像测量缺陷的埋深，并测量出缺陷位置与该缺陷装置处R角结构圆弧截面(3)的圆心的连线(9)和该缺陷装置处R角结构的水平线(10)的夹角α；

步骤四、对缺陷在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正：

式中：x缺陷修正尺寸，r待检测的R角结构的单曲率圆弧面(2)的曲率半径，h缺陷埋深，R曲面线阵探头(5)晶片分布曲率半径，l缺陷在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸；

步骤五、根据步骤一的测量结果，查找与待检测的R角结构中缺陷的埋深和夹角α对应位置的在圆弧截面(3)上沿圆弧的声束宽度和沿R角的延伸方向的声束宽度；

步骤六、若缺陷沿圆弧的修正尺寸和沿R角的延伸方向的测量尺寸均大于步骤五中查找出来的相控阵探头声场在圆弧截面(3)上沿圆弧的声束宽度和沿R角结构的延伸方向的声束宽度，则上述沿圆弧的修正尺寸和沿R角的延伸方向的即为缺陷的真实尺寸。

步骤六中，若缺陷实际尺寸x小于步骤五中查找出来的在圆弧截面(3)上沿圆弧的的声束宽度和沿R角结构的延伸方向的声束宽度中的一个，则缺陷实际尺寸x不能代表缺陷的真实尺寸，可采用当量法或定值法来重新获得R角结构中缺陷的尺寸。

步骤一中所述的利用对比试块(7)对不存在缺陷R角结构进行超声相控阵检测，得到R角结构中的声场数据的方法是参照在先申请专利的技术方案来实现，该专利申请的名称为：R角结构超声相控阵检测用曲面线阵探头的声场测量方法，专利申请的申请号为：201610424404.2，专利申请的申请日为：2015年6月15日。该测量方法的步骤如下：

步骤一、在对比试块(7)的三个相邻的圆弧截面(3)上、由对比试块(7)的外表面向内加工直径为1mm的平底孔(8)，相邻的圆弧截面(3)之间的距离为25mm，每一个圆弧截面(3)上加工三个平底孔(8)，三个平底孔(8)的位置分别位于圆弧截面(3)上圆弧的顶端、中心、底端，三个平底孔(8)的中心线(9)均与该位置处圆弧的切线垂直，所述三个圆弧截面(3)上共加工有九个平底孔(8)，其中：

三个位于圆弧截面(3)上圆弧顶端的平底孔(8)的埋深分别为：

a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；

b、圆弧截面(3)厚度的1/2；

c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；

三个位于圆弧截面(3)上圆弧中心的平底孔(8)的埋深分别为：

a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；

b、圆弧截面(3)厚度的1/2；

c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；

三个位于圆弧截面(3)上圆弧底端的平底孔(8)的埋深分别为：

a、0.5mm或圆弧截面(3)厚度的1/3，取两者中数值小的；

b、圆弧截面(3)厚度的1/2；

c、圆弧截面(3)厚度的2/3或圆弧截面(3)厚度减0.5mm，取两者中数值大的；

步骤二、将对比试块(7)放置在水槽中，曲面线阵探头(5)通过水耦合在对比试块(7)上，设置曲面线阵探头(5)的工作方式，扫查间距为0.5mm，采样信号门的水平位置设置在平底孔(8)反射回波上，调节超声相控阵检测仪器(4)的增益，分别使各平底孔(8)的反射信号幅度达到超声相控阵检测仪器(4)的显示屏满刻度的80％，并记录各平底孔(8)的增益值，然后沿对比试块(7)R角的延伸方向分别对对比试块(7)中的各个平底孔(8)进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔(8)在对比试块(7)R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块(7)R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔(8)的埋深；

步骤三、将各平底孔(8)的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正，得到各个平底孔(8)沿对比试块(7)R角结构的圆弧截面(3)上圆弧的圆弧成像尺寸，修正公式如下：

式中：x′为圆弧成像尺寸，r′为对比试块(7)R角结构的单曲率圆弧面(2)的曲率半径，h′为平底孔(8)埋深，R′为曲面线阵探头(5)晶片分布曲率半径，l′为表征圆弧成像尺寸；

步骤四、如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔(8)真实尺寸，则圆弧成像尺寸X为曲面线阵探头(5)在对比试块(7)中相应平底孔(8)位置处在圆弧截面(3)上沿圆弧的的声束宽度，延伸成像尺寸为曲面线阵探头(5)在对比试块(7)中相应平底孔(8)位置处沿R角的延伸方向的声束宽度；

如果圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸中有一个小于或等于相应的平底孔(8)真实尺寸，则重复上述步骤一至三，其中不同之处是在该平底孔(8)的位置上，加工更小直径尺寸的平底孔(8)，直径减小值为0.2mm，直到该平底孔(8)的圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔(8)真实尺寸。

本发明技术方案的优点和有益效果是：

1、给出R角结构曲面线阵探头检测的缺陷测量步骤；

2、提高了R角结构曲面线阵探头检测缺陷测量准确性；

3、为R角结构的质量控制提供有力保障。

附图说明

图1是本发明中声场测量系统的组成

图2是实施例中对比试块7的第一种结构示意图

图3是实施例中对比试块7的第二种结构示意图

图4是实施例中对比试块7的第三种结构示意图

图5是实施例中对比试块7的第四种结构示意图

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：

参见附图1所示，本发明实施例的待检测的R角结构的圆弧截面(3)和平板平面(1)的厚度为6mm，单曲率圆弧面(2)的圆弧曲率半径为5mm，单曲率圆弧面(2)的圆弧开口角度为90°，待检测的R角结构的材料为碳纤维复合材料，所述超声检测装置包括超声相控阵检测仪器(4)、曲面线阵探头(5)、编码器(6)和声场测量用对比试块(7)，超声相控阵检测仪器(4)通过电缆线(8)与编码器(6)、曲面线阵探头(5)连接，对比试块(7)的沿R角延伸方向上的长度大于200mm，该长度方向与圆弧截面(3)垂直，对比试块(7)的材料、R角结构和制备工艺与被检测的R角结构相同，超声相控阵检测仪器(4)为M2M超声相控阵检测仪器，曲面线阵探头(5)为5MH、32晶片曲面线阵探头，该检测方法的步骤如下：

步骤一、检测前，利用对比试块(7)对不存在缺陷R角结构进行超声相控阵检测，得到R角结构中的声场数据，即获得R角结构中各点在圆弧截面(3)上沿圆弧的的声束宽度和沿R角结构的延伸方向的声束宽度；

所述不存在缺陷R角结构与待检测的R角结构在材料、结构上相同；

该检测过程如下：

对比试块7的结构形式分为以下四种：

对比试块7的第一种结构如图2所示，平底孔分布在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工三个平底孔8，孔径为1mm，三个平底孔8的位置分别位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端，三个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，所述三个圆弧截面3上共加工有九个平底孔8，三个位于圆弧截面3上圆弧顶端的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm，三个位于圆弧截面3上圆弧中心的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm，三个位于圆弧截面3上圆弧底端的平底孔8的埋深分别为：0.5mm、3mm、5.5mm；

对比试块7的第二种结构如图3所示，平底孔分布在对比试块7的三个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工五个平底孔8，五个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，五个平底孔8的中心线与通过圆弧截面3圆心的水平线的夹角分别为0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述三个圆弧截面3上共加工有十五个平底孔8，第一个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为3mm，第三个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为5.5mm；

对比试块7的第三种结构如图4所示，平底孔分布在对比试块7的五个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工3个平底孔8，三个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，三个平底孔8的位置分别位于圆弧截面3上圆弧的顶端、中心、底端，所述五个圆弧截面3上共加工有十五个平底孔8，第一个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为1.5mm，第三个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为3.0mm，第四个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为4.5mm，第五个圆弧截面上三个平底孔的埋深均为5.5mm；

对比试块7的第四种结构如图5所示，平底孔分布在对比试块7的五个相邻的圆弧截面3上，相邻的圆弧截面3之间的距离为25mm，每一个圆弧截面3上加工五个平底孔8，五个平底孔8的中心线9均与该位置处圆弧的切线垂直，五个平底孔中心线与通过圆弧截面3圆心的水平线的夹角分别为0°、22.5°、45°、67.5°和90°，所述五个圆弧截面3上共加工有二十五个平底孔8，第一个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为0.5mm，第二个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为1.5mm，第三个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为3.0mm，第四个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为4.5mm，第五个圆弧截面上五个平底孔的埋深均为5.5mm。

然后沿对比试块7R角的延伸方向分别对对比试块7中的各个平底孔8进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔8在对比试块7R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块7R角结构的圆弧截面3上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔8的埋深；

将上述每一个对比试块7放置在水槽中，曲面线阵探头5通过水耦合在对比试块7上，设置曲面线阵探头5一次激发的阵元数为7，阵元激发次序为间隔一个晶片依次激发，声束工作方式为在R角表面2mm以下聚焦。扫查间距为0.5mm，采样信号门的水平位置设置在平底孔8反射回波上，调节超声相控阵检测仪器4的增益，分别使各平底孔8的反射信号幅度达到超声相控阵检测仪器4的显示屏满刻度的80％，并记录各平底孔8的增益值，然后沿对比试块7R角的延伸方向分别对对比试块7中的各个平底孔8进行相控阵C扫描成像和B扫描成像，在相控阵C扫描成像中，以6dB法测量各个平底孔8在对比试块7R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在对比试块7R角结构的圆弧截面3上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸，在相控阵B扫描成像中，测量各个平底孔8的埋深；将各平底孔8的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正，得到各个平底孔8沿对比试块7R角结构的圆弧截面3上圆弧的圆弧成像尺寸，修正公式如下：

式中：x′为圆弧成像尺寸，r′为对比试块7R角结构的单曲率圆弧面2的曲率半径，h′为平底孔8埋深，R′为曲面线阵探头5晶片分布曲率半径，l′为表征圆弧成像尺寸；

如果测量得到的圆弧成像尺寸x′和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸，则圆弧成像尺寸x′为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处在圆弧截面3上沿圆弧的的声束宽度，延伸成像尺寸为曲面线阵探头5在对比试块7中相应平底孔8位置处沿R角的延伸方向的声束宽度；

如果圆弧成像尺寸x′和延伸成像尺寸中有一个小于或等于相应的平底孔8真实尺寸，则重新加工对比试块7和重复上述测试过程，其中不同之处是在该平底孔8的位置上，加工更小直径尺寸的平底孔8，直径减小值为0.2mm，直到该平底孔8的圆弧成像尺寸X和延伸成像尺寸均大于相应的平底孔8真实尺寸。

步骤二、对待检测的R角结构进行超声相控阵检测，曲面线阵探头(5)通过水耦合在R角结构内部以发现其中的缺陷并确定缺陷的位置，然后沿R角结构的延伸方向对缺陷进行相控阵C扫描成像和相控阵B扫描成像，其中，相控阵C扫描成像是6dB法测量缺陷在R角结构的延伸方向的延伸成像尺寸和在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸；

步骤三、通过相控阵B扫描成像测量缺陷的埋深，并测量出缺陷位置与该缺陷装置处R角结构圆弧截面(3)的圆心的连线(9)和该缺陷装置处R角结构的水平线(10)的夹角α；

步骤四、对缺陷在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸按以下公式进行修正：

式中：x缺陷修正尺寸，r待检测的R角结构的单曲率圆弧面(2)的曲率半径，h缺陷埋深，R曲面线阵探头(5)晶片分布曲率半径，l缺陷在R角结构的圆弧截面(3)上沿圆弧的表征圆弧成像尺寸；

步骤五、根据步骤一的测量结果，查找与待检测的R角结构中缺陷的埋深和夹角α对应位置的在圆弧截面(3)上沿圆弧的声束宽度和沿R角的延伸方向的声束宽度；

步骤六、若缺陷实际尺寸x均大于步骤五中查找出来的在圆弧截面(3)上沿圆弧的声束宽度和沿R角结构的延伸方向的声束宽度，则该缺陷修正尺寸x即为缺陷的真实尺寸。