复合材料构件R区的超声相控阵检测实验

　　随着航空制造技术的不断发展，碳纤维、玻璃纤维等纤维增强树脂基复合材料以其高的比强度、比模量及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性获得广泛应用，并已在某些关键部位代替金属[1]. 然而，复合材料在生产和使用过程中，不可避免地会产生分层、脱粘、夹杂等缺陷，这些缺陷将严重影响复合材料构件的力学性能和整体完整性[2]，各种无损检测方法是保证复合材料可靠使用的重要手段[3-4].为了满足结构设计的要求和降低制造成本，越来越多整体成型的复合材料构件被广泛使用，而这些复杂结构中普遍存在R过渡区[5]. R过渡区为曲面且空间尺寸狭小，十分不利于缺陷的检测. 同时，R区多为应力集中区域，对缺陷的容忍度较小，且在制造过程中极易出现缺陷. 因此，对R区的质量控制就显得非常重要.

　　近年来，超声检测方法作为一种方便、有效的检测手段，被广泛应用于复合材料构件的无损检测[6]. 其中，超声相控阵检测技术是一种新兴的超声检测方法，采用由多个相互独立的阵元晶片组成的阵列换能器，通过电子系统按照一定的规则和时序控制激励各个阵元晶片，从而可以灵活、便捷、有效地控制声束角度、焦距位置和尺寸[7-9]. 因此，常规超声需要移动探头完成的扫查，采用相控阵检测技术可以在一定范围内通过各阵元晶片的电子扫描完成. 目前Olympus公司的J. Habermehl等人设计了专门的弧形阵列换能器[10-11]，为R区的检测提供了可行的检测工具，但尚无采用线阵换能器检测R区的相关报道.

　　本文在分析R区超声检测技术难点的基础上，提出采用弧形和线形阵列换能器的两种R区检测方法; 以碳纤维增强复合材料(CFRP，Car-bon Fiber Reinforced Polymer)L型构件的R区为检测对象，分别采用所提出的两种检测方法进行检测实验; 并与常规超声检测方法进行对比，总结归纳了超声相控阵检测R区的技术优势.

　　1 R区超声检测难点分析

　　典型的复合材料T型加筋壁板如图1所示.根据复合材料的成型工艺特点，其R过渡区的缺陷类型主要有分层、气孔和夹杂等，缺陷取向多沿层间分布[12]，其缺陷分布情况如图2所示.

　　由于R区受形状和空间尺寸的限制，存在圆弧区域曲率半径小，不利于超声探头耦合，不能保证入射声束与圆弧区域的检测表面垂直，声束不能覆盖整个圆弧区域等问题，从而会影响检测的灵敏度、缺陷检出率等.

　　超声相控阵检测技术采用阵列换能器，通过控制各阵元发射激励脉冲的延迟时间，达到合成波束聚焦、偏转等多种相控效果. 根据波束合成的情况，相控阵检测可以进行线形扫描、扇形扫描、动态深度聚焦扫描[13]. 并且可以根据被检试样的形状和检测要求，设计不同形状的相控阵探头和声束扫描方案，从而实现对复杂构件的检测.