分层碳纤维超声探伤

分层缺陷是碳纤维复合材料在制造和使用过程中最常见的缺陷之一，超声检测是目前应用最广泛、最有效的无损检测方法。下面我将为您系统性地阐述 “分层碳纤维超声探伤” 的原理、方法、设备和关键技术。

一、 分层缺陷概述

• 定义：分层是指碳纤维复合材料层合板中相邻铺层之间的分离或脱粘。它破坏了材料的整体性，显著降低其抗压和抗剪强度。

• 成因：

• 制造过程：预浸料铺贴不当、固化压力/温度不足、真空袋泄漏、夹杂异物等。

• 使用过程：低能量冲击（如工具掉落、石子撞击）、过载、疲劳等。

二、 超声检测原理

超声波在材料中传播时，遇到声阻抗不同的界面（如完好结合处、分层缺陷、背面）会发生反射和透射。

• 对于分层：分层内通常充满空气或真空，其声阻抗与复合材料差异巨大，因此几乎所有的入射超声波都会在分层界面被反射回来。

• 检测核心：通过分析反射回波（脉冲回波法）或穿透信号（透射法）的幅度、时间（深度）和形状变化，来判断是否存在分层及其位置和大小。

三、 主要超声检测方法

1. 接触式脉冲回波法

• 方法：将探头直接或通过耦合剂（如软膜）接触工件表面，发射脉冲波并接收从内部界面（包括分层和底面）反射回来的回波。

• 显示方式：A扫（幅度-时间曲线）和C扫（二维平面成像）。

• 判断依据：

• 底面回波衰减：分层会阻挡声波传播到底面，导致底面回波幅度显著降低甚至消失。

• 界面回波出现：在底面回波之前出现一个明显的缺陷回波，其深度位置对应分层深度。

• 优点：单面检测，可确定分层深度。

• 缺点：需要耦合，对表面粗糙度敏感。

2. 喷水耦合穿透法

• 方法：使用一对探头（一发一收），分别位于工件两侧，通过稳定的水柱耦合。发射探头发出的超声波穿透工件后被接收探头接收。

• 显示方式：主要采用C扫成像，以信号幅度或飞行时间作为成像参数。

• 判断依据：

• 信号幅度下降：分层会强烈散射或阻挡声波，导致接收到的信号幅度大幅降低。在C扫图像上，分层区域显示为深色或黑色。

• 优点：

• 非常适合检测复杂形状构件（如曲面）。

• 检测速度快，易于自动化扫描和成像。

• 对分层非常敏感，是工业生产中最主流的方法。

• 缺点：需要双面接近，无法直接给出深度信息（但通常分层很薄，深度意义不大）。

3. 空气耦合超声法

• 方法：使用特制的低频探头，无需任何液体耦合剂，通过空气进行超声波的发射和接收。

• 应用场景：适用于不能接触液体或对表面有严格保护要求的构件（如已涂漆、已胶接的结构）。

• 挑战：空气声阻抗极低，信号衰减大，信噪比低，需使用灵敏的探头和先进的信号处理技术。

四、 关键设备与技术

1. 超声探伤仪：核心设备，产生高压电脉冲激励探头，并接收、放大、处理回波信号。

2. 探头：

• 频率选择：通常使用 0.5 MHz - 10 MHz。低频穿透力强，用于厚构件；高频分辨率高，用于检测薄板或近表面缺陷。

• 聚焦探头：可以提高横向分辨率和检测小缺陷的能力。

3. 扫描系统：

• 手动扫描：灵活，用于小范围或现场检测。

• 自动化扫描架：与编码器联动，实现精确的二维/三维定位和高分辨率的C扫成像，是质量控制的关键。

4. 成像与数据处理软件：

• C扫图像：直观显示分层的位置、形状和大致尺寸。

• 3D可视化：通过多个C扫切片重建分层的三维形貌。

• 自动判读：设置阈值，软件自动识别并标注超出标准的缺陷区域。

五、 检测流程要点

1. 前期准备：

• 了解材料结构（铺层、厚度）、几何形状。

• 选择合适的方法（通常穿透法为首选）和参数（频率、增益、扫描步进）。

• 使用已知缺陷或人工缺陷（如贴薄膜模拟分层）的试块进行校准。

2. 检测实施：

• 确保探头/水柱与工件表面保持稳定、垂直。

• 设置合适的检测阈值（Gate/Threshold）：用于在C扫中区分“完好”和“缺陷”区域。

• 进行全覆盖扫描。

3. 结果分析与评定：

• 定性：根据C扫图像判断是否存在分层。

• 定量：测量分层的面积、最大尺寸和位置。

• 依据标准：按照相关行业标准（如航空航天领域的ASTM E2580， NADCAP要求，国军标、民航规章等）或客户特定验收标准（如“不允许有任何大于Φ6.35mm的分层”）进行合格与否的判定。

六、 挑战与发展趋势

• 挑战：

• 复杂结构：对于曲率大、变厚度或有加强筋的结构，声束路径复杂，易产生伪信号。

• 小尺寸与边缘分层：检测精度和边缘效应处理。

• 定量化：精确测量分层厚度（目前主要测面积）仍有难度。

• 发展趋势：

• 相控阵超声：能动态聚焦和偏转声束，一次扫描覆盖更大区域，更适合复杂构件，可生成更丰富的成像（S扫、3D视图）。

• 激光超声：非接触、远距离检测，适用于高温、高速在线检测。

• 人工智能：利用深度学习对C扫图像进行自动、快速、更准确的缺陷识别和分类。

总结

对于碳纤维复合材料的分层检测，喷水耦合超声穿透法因其高速度、高灵敏度和优异的成像能力，是工业界的主流选择。而脉冲回波法在需要确定缺陷深度或只能单面接近时非常有用。成功的检测依赖于正确的方法选择、合理的参数设置、可靠的自动化扫描系统以及严格的标准依据。随着技术进步，相控阵和人工智能正推动该领域向更智能、更高效的方向发展。