碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法，該裝置包括超聲相控陣檢測儀、控制計算機、超聲相控陣探頭、耦合楔塊、位移編碼器、耦合劑和對比試塊；超聲相控陣檢測儀與控制計算機相連；超聲相控陣探頭與超聲相控陣檢測儀相連接；超聲相控陣探頭的探頭端固定在耦合楔塊上；位移編碼器與所述超聲相控陣檢測儀相連接；位移編碼器與耦合楔塊固連。該檢測方法包括：檢測裝置的連接；檢測參數(shù)的設置；超聲相控陣檢測儀的校準；掃查靈敏度的調(diào)節(jié)；檢測實施；檢測數(shù)據(jù)的獲取和記錄。本發(fā)明應用于復雜空間結構的碳纖維復合材料桁架膠接部位的檢測，有較好的使用靈活性，并提高了檢測效率及檢測結果的直觀程度。
【專利說明】碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法
[0001] _
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及無損檢測領域，具體涉及一種碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法。
[0003]_
【背景技術】
[0004]碳纖維復合材料由于具有優(yōu)良結構性能和使用性能，在航空航天領域被廣泛應用。新型號衛(wèi)星的有效載荷艙桁架結構的制造，是由不同規(guī)格的碳纖維復合材料制造的桿件和接頭通過膠接而成。膠接質(zhì)量的好壞程度影響整個桁架結構的穩(wěn)定程度和使用精度。因此，需要通過無損檢測方法確定膠接質(zhì)量是否滿足技術要求。圖1所示為衛(wèi)星有效載荷艙桁架結構的示意圖，圖2所示為桿件與接頭膠接部位結構示意圖。如圖1和圖2所示，碳纖維復合材料接頭8.2表面涂膠后旋入碳纖維復合材料桿件8.1內(nèi)，待膠固化后在碳纖維復合材料桿件8.1與碳纖維復合材料接頭8.2之間形成膠接層8.3。膠接層8.3的質(zhì)量影響整個桁架結構的穩(wěn)定程度和使用精度。
[0005]目前，國內(nèi)外對碳纖維復合材料的膠接通常采用超聲C掃描檢測方法檢測和常規(guī)超聲方法進行檢測，根據(jù)被檢件的形狀和規(guī)格，選擇相應的檢測工裝和檢測工藝。但是，衛(wèi)星的有效載荷艙通常由數(shù)十根不同規(guī)格和形狀的桿件及接頭組裝而成，單個接頭連接著3?10根的碳纖維復合材料桿件，構成復雜的空間結構，而被檢測位置通常位于桿件與接頭相連接的位置，檢測機構不可到達，因此超聲C掃描檢測方法在該被檢測對象上難以實現(xiàn)。隨著衛(wèi)星平臺的增大，有效載荷艙的體積也越來龐大，常規(guī)超聲檢測方法的效率也不能滿足衛(wèi)星驗證進度的需求。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及檢測方法，檢測效率高，檢測結果直觀可靠。
[0008]為了達到上述的目的，本發(fā)明提供一種碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，包括超聲相控陣檢測儀、控制計算機、超聲相控陣探頭、耦合楔塊、位移編碼器、耦合劑和對比試塊;所述超聲相控陣檢測儀的超聲回波信號輸出端與所述控制計算機的信號輸入端相連;所述超聲相控陣探頭的探頭激勵信號輸入端與所述超聲相控陣檢測儀的探頭激勵信號輸出端相連接;所述超聲相控陣探頭的探頭端固定在所述耦合楔塊上;所述位移編碼器的位移信號輸出端與所述超聲相控陣檢測儀的位移信號輸入端相連接;所述位移編碼器與所述耦合楔塊固連;所述對比試塊用于調(diào)節(jié)校準所述超聲相控陣檢測儀;檢測過程中，所述耦合劑涂于所述對比試塊或被檢工件上。
[0009]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其中，所述對比試塊采用碳纖維復合材料制作，其一表面為臺階面，與該臺階面相對的另一表面為平面，所述對比試塊設有用作人工缺陷的平底孔，該平底孔的埋深與被檢工件的膠接層到被檢工件接觸耦合楔塊的接觸面的距離相等。
[0010]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其中，所述對比試塊上平底孔的直徑為8_。
[0011]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其中，所述耦合劑為純凈水和98%濃度酒精的混合物，純凈水和98%濃度酒精質(zhì)量比為1:1。
[0012]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其中，所述超聲相控陣檢測儀選用M2M公司的MULTI X++超聲相控陣檢測儀，所述超聲相控陣探頭采用超聲相控陣一維線陣探頭。
[0013]本發(fā)明提供的另一技術方案是，一種碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，采用上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，包括如下步驟:
1)連接碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置；
2)檢測參數(shù)的設置
設置超聲相控陣檢測儀的參數(shù)，包括超聲相控陣探頭的頻率、時基范圍、焦距、超聲波聲速、偏轉(zhuǎn)角度、聲波類型、單次計發(fā)晶片數(shù)和單次激發(fā)步進數(shù)；
3)超聲相控陣檢測儀的校準
在對比試塊的平面表面上刷涂適量耦合劑，利用對比試塊的最厚臺階位置，調(diào)整超聲相控陣檢測儀的零點;并調(diào)整使超聲相控陣檢測儀的垂直線性厚度偏差在±3%內(nèi)；
4)掃查靈敏度的調(diào)節(jié)
在對比試塊的表面上刷涂適量耦合劑，調(diào)整超聲相控陣檢測儀的增益，并移動超聲相控陣探頭，在對比試塊上進行掃查，使對比試塊上的平底孔的最高反射回波占據(jù)滿屏刻度的80%以上，并在C掃圖上測量平底孔的成像尺寸，當測量尺寸與實際尺寸誤差小于±0.5mm時，此時的增益再增加3dB作為掃查靈敏度；
5)檢測實施
在被檢工件上、膠接層對應區(qū)域刷涂適量耦合劑，按照步驟4)確定的掃查靈敏度，在膠接層對應區(qū)域內(nèi)進行掃查；
6)檢測數(shù)據(jù)的獲取和記錄:
從被檢工件的起始位置開始掃查，至終點位置，并使用控制計算機中的檢測軟件中的測量線測量掃查過程C掃描圖像中出現(xiàn)的缺陷尺寸大小，當被檢出的缺陷尺寸大于08_時，予以記錄。
[0014]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其中，所述步驟2)中，超聲相控陣探頭的頻率設置為探頭的標稱頻率，時基線范圍設置為2倍的被檢工件厚度，焦距設置為膠層至被檢工件與耦合楔塊接觸面的距離，偏轉(zhuǎn)角度設置為0°，聲波類型設置為縱波，單次激發(fā)晶片設置為16個，單次激發(fā)步進為I個。
[0015]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其中，掃查過程中，使用的掃查方式為超聲相控陣檢測縱波線掃方式，每次有效掃查寬度為超聲相控陣探頭的晶片總數(shù)目乘以單個晶片寬度。
[0016]上述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其中，掃查過程中，超聲相控陣探頭的移動距離通過位移編碼器實現(xiàn)記錄。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(I)采用超聲相控陣檢測技術，單次掃查面積增大，提高檢測檢測效率；(2)通過C掃描圖像表示檢測結果，缺陷顯示直觀，易判讀；(3)在C掃描圖像上直接測量缺陷的尺寸，操作方便，測量結果更準確;(4)采用位移編碼器記錄探頭的位移，缺陷定位更加準確。
[0018]
【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法由以下的實施例及附圖給出。
[0020]圖1是衛(wèi)星有效載荷艙桁架結構的示意圖。
[0021 ]圖2是桿件與接頭膠接部位結構示意圖。
[0022]圖3是本發(fā)明較佳實施例的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置的示意圖。
[0023]圖4是本發(fā)明較佳實施例中耦合楔塊的俯視圖。
[0024]圖5是本發(fā)明較佳實施例中對比試塊的示意圖。
[0025]
【具體實施方式】
[0026]以下將結合圖1?圖5對本發(fā)明的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置及方法作進一步的詳細描述。
[0027]圖3所示為本發(fā)明較佳實施例的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置的示意圖。如圖3所示，所述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置包括超聲相控陣檢測儀1、控制計算機2、超聲相控陣探頭3、耦合楔塊4、位移編碼器5、耦合劑和對比試塊；
所述超聲相控陣檢測儀I的超聲回波信號輸出端與所述控制計算機2的信號輸入端通過USB接口相連，所述控制計算機2內(nèi)裝載有檢測軟件，用于采集、處理和顯示數(shù)據(jù)；
所述超聲相控陣探頭3的探頭激勵信號輸入端通過電纜與所述超聲相控陣檢測儀I的探頭激勵信號輸出端相連接;所述超聲相控陣探頭3的探頭端固定在所述耦合楔塊4上；
所述位移編碼器5的位移信號輸出端通過電纜與所述超聲相控陣檢測儀I的位移信號輸入端相連接;所述位移編碼器5與所述耦合楔塊4固連；
所述對比試塊用于調(diào)節(jié)校準所述超聲相控陣檢測儀I;
檢測過程中，所述耦合劑涂于所述對比試塊或被檢工件上。
[0028]本實施例中，所述超聲相控陣檢測儀I選用M2M公司的MULTIX++超聲相控陣檢測儀，所述超聲相控陣探頭3采用超聲相控陣一維線陣探頭。
[0029]圖4所示為本實施例中耦合楔塊的俯視圖。本實施例中，超聲相控陣一維線陣探頭的探頭端通過四個03mmX 1mm的單頭螺絲固定在所述親合楔塊4的上表面;所述親合楔塊4設有插孔4.1，所述位移編碼器5的插頭插入該插孔4.1中，并使用03mmX 1mm的單頭螺絲固定通過銷孔4.2固定。
[0030]圖5所示為本實施例中對比試塊的示意圖。如圖5所示，所述對比試塊7—表面為臺階面，與該臺階面相對的另一表面為平面，所述對比試塊7設有用作人工缺陷的平底孔，該平底孔的埋深與膠接層到被檢工件接觸耦合楔塊的接觸面的距離相等。本實施例中，所述平底孔的直徑為8mm，孔直徑誤差小于0.3mm。所述對比試塊7采用碳纖維復合材料制作。[0031 ]本實施例中，所述耦合劑為純凈水和98%濃度酒精的混合物，純凈水和98%濃度酒精質(zhì)量比為1:1。
[0032]本發(fā)明較佳實施例的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法使用所述碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，包括如下步驟:
I)碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置的連接:
連接好超聲相控陣檢測儀1、控制計算機2、超聲相控陣探頭3、位移編碼器5之間的電纜;將超聲相控陣探頭3固定在耦合楔塊4的上表面上，位移編碼器5固定連接到耦合楔塊4上，如圖3所示。
[0033]如圖2所示，本實施例的被檢工件8包括碳纖維復合材料接頭8.2、碳纖維復合材料桿件8.1以及碳纖維復合材料桿件8.1與碳纖維復合材料接頭8.2之間的膠接層8.3。
[0034I 2)檢測參數(shù)的設置
在控制計算機的檢測軟件內(nèi)，設置超聲相控陣檢測儀I的參數(shù)，包括超聲相控陣探頭的頻率、時機范圍、焦距、超聲波聲速、偏轉(zhuǎn)角度、聲波類型、單次計發(fā)晶片數(shù)和單次激發(fā)步進數(shù)。
[0035]超聲相控陣探頭的頻率設置為探頭的標稱頻率，時基線范圍設置為2倍的被檢工件厚度，焦距設置為膠層至被檢工件與耦合楔塊接觸面的距離，例如，本實施例中，超聲相控陣探頭的頻率設置為5MHz?1MHz，時機范圍設置為10mm，焦距設置為3mm，超聲波聲速設置為2900m/s，偏轉(zhuǎn)角度設置為0°，聲波類型設置為縱波，單次激發(fā)晶片設置為16個，單次激發(fā)步進為I個。
[0036]3)超聲相控陣檢測儀的校準
在對比試塊的平面表面上刷涂適量耦合劑，利用對比試塊的最厚臺階位置，調(diào)整檢測軟件內(nèi)的水平延遲時間，使耦合楔塊的地面反射回波位于超聲相控陣檢測儀的零點；并調(diào)整聲速值使超聲相控陣檢測儀的垂直線性厚度偏差在± 3%內(nèi)。
[0037]超聲相控陣檢測儀校準時，探頭的放置位置應避免正對對比試塊7的平底孔，如圖4所示，該平面表面到平底孔平底的距離h(即平底孔的埋深)等于耦合楔塊下表面(接觸碳纖維復合材料桿件8.1的表面)到膠接層8.3的距離。
[0038]4)掃查靈敏度的調(diào)節(jié)
在對比試塊7上刷涂適量耦合劑，將耦合楔塊4和位移編碼器5置于刷涂有耦合劑的臺階面上，通過檢測軟件調(diào)整超聲相控陣檢測儀I的增益，并移動超聲相控陣探頭3，在對比試塊7上進行掃查，使對比試塊7上的08mm平底孔的最高反射回波占據(jù)滿屏刻度的80%以上，并在C掃圖上測量該缺陷(即該08mm平底孔)的的成像尺寸，當測量尺寸與實際尺寸誤差小于±0.5mm時，此時的增益再增加3dB作為掃查靈敏度。
[0039]在確定的掃查靈敏度下，掃查對比試塊7上08mm平底孔形成的C掃描圖像將保存，用于后續(xù)被檢工件8膠接缺陷檢測。
[0040]5)檢測實施
在被檢工件8上、膠接層8.3對應區(qū)域刷涂適量耦合劑，將耦合楔塊4和位移編碼器5置于刷涂有耦合劑的碳纖維復合材料桿件8.1上，按照步驟4)確定的掃查靈敏度，在膠接層8.3對應區(qū)域內(nèi)進行掃查。
[0041]掃查過程中，使用的掃查方式為超聲相控陣檢測縱波線掃方式，每次掃查寬度為超聲相控陣探頭的晶片總數(shù)目乘以單個晶片寬度。
[0042]6)檢測數(shù)據(jù)的獲取和記錄:
從被檢工件8的起始位置開始掃查，至終點位置，并使用檢測軟件中的測量線測量掃查過程C掃描圖像中出現(xiàn)的缺陷尺寸大小，當被檢出的缺陷尺寸大于08_時，予以記錄。
[0043]本實施例中，超聲相控陣探頭的移動距離通過位移編碼器5實現(xiàn)記錄。
[0044]本發(fā)明應用于復雜空間結構的碳纖維復合材料桁架膠接部位的檢測，有較好的使用靈活性，并提高了檢測效率及檢測結果的直觀程度。
【主權項】
1.碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其特征在于，包括超聲相控陣檢測儀、控制計算機、超聲相控陣探頭、耦合楔塊、位移編碼器、耦合劑和對比試塊； 所述超聲相控陣檢測儀的超聲回波信號輸出端與所述控制計算機的信號輸入端相連； 所述超聲相控陣探頭的探頭激勵信號輸入端與所述超聲相控陣檢測儀的探頭激勵信號輸出端相連接;所述超聲相控陣探頭的探頭端固定在所述耦合楔塊上； 所述位移編碼器的位移信號輸出端與所述超聲相控陣檢測儀的位移信號輸入端相連接;所述位移編碼器與所述耦合楔塊固連； 所述對比試塊用于調(diào)節(jié)校準所述超聲相控陣檢測儀； 檢測過程中，所述耦合劑涂于所述對比試塊或被檢工件上。2.如權利要求1所述的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其特征在于，所述對比試塊采用碳纖維復合材料制作，其一表面為臺階面，與該臺階面相對的另一表面為平面，所述對比試塊設有用作人工缺陷的平底孔，該平底孔的埋深與被檢工件的膠接層到被檢工件接觸耦合楔塊的接觸面的距離相等。3.如權利要求2所述的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其特征在于，所述對比試塊上平底孔的直徑為8_。4.如權利要求1所述的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其特征在于，所述耦合劑為純凈水和98%濃度酒精的混合物，純凈水和98%濃度酒精質(zhì)量比為I: I。5.如權利要求1所述的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，其特征在于，所述超聲相控陣檢測儀選用M2M公司的MULTI X++超聲相控陣檢測儀，所述超聲相控陣探頭采用超聲相控陣一維線陣探頭。6.碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其特征在于，采用如權利要求1至5中任一權利要求所述的碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置，包括如下步驟: 1)連接碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測裝置； 2)檢測參數(shù)的設置 設置超聲相控陣檢測儀的參數(shù)，包括超聲相控陣探頭的頻率、時基范圍、焦距、超聲波聲速、偏轉(zhuǎn)角度、聲波類型、單次計發(fā)晶片數(shù)和單次激發(fā)步進數(shù)； 3)超聲相控陣檢測儀的校準 在對比試塊的平面表面上刷涂適量耦合劑，利用對比試塊，調(diào)整超聲相控陣檢測儀的零點;并調(diào)整使超聲相控陣檢測儀的垂直線性厚度偏差在±3%內(nèi)； 4)掃查靈敏度的調(diào)節(jié) 在對比試塊的表面上刷涂適量耦合劑，調(diào)整超聲相控陣檢測儀的增益，并移動超聲相控陣探頭，在對比試塊上進行掃查，使對比試塊上的平底孔的最高反射回波占據(jù)滿屏刻度的80%以上，并在C掃圖上測量平底孔的成像尺寸，當測量尺寸與實際尺寸誤差小于±0.5mm時，此時的增益再增加3dB作為掃查靈敏度； 5)檢測實施 在被檢工件上、膠接層對應區(qū)域刷涂適量耦合劑，按照步驟4)確定的掃查靈敏度，在膠接層對應區(qū)域內(nèi)進行掃查； 6)檢測數(shù)據(jù)的獲取和記錄: 從被檢工件的起始位置開始掃查，至終點位置，并使用控制計算機中的檢測軟件中的測量線測量掃查過程C掃描圖像中出現(xiàn)的缺陷尺寸大小，當被檢出的缺陷尺寸大于08_時，予以記錄。7.如權利要求6碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其特征在于，所述步驟2)中，超聲相控陣探頭的頻率設置為探頭的標稱頻率，時基線范圍設置為2倍的被檢工件厚度，焦距設置為膠層至被檢工件與耦合楔塊接觸面的距離，偏轉(zhuǎn)角度設置為0°，聲波類型設置為縱波，單次激發(fā)晶片設置為16個，單次激發(fā)步進為I個。8.如權利要求6碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其特征在于，掃查過程中，使用的掃查方式為超聲相控陣檢測縱波線掃方式，每次掃查有效寬度為超聲相控陣探頭的晶片總數(shù)目乘以單個晶片寬度。9.如權利要求6碳纖維復合材料桁架膠接缺陷超聲相控陣檢測方法，其特征在于，掃查過程中，超聲相控陣探頭的移動距離通過位移編碼器實現(xiàn)記錄。
【文檔編號】G01N29/06GK105911144SQ201610324639
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】邵紅亮, 曹勇, 孫建罡
【申請人】上海衛(wèi)星裝備研究所