先进复合材料中的主要缺陷与无损检测技术评价.pdf

第 3 0卷 第 4期 2 0 0 6年 8月 无 损 探 伤 N D T Vo 1 3 0 NO 4 A u gu s t 2 00 6 王小 永钱华(兰 州 空间技 术物 理研 究所，甘 肃 兰州 7 3 0 0 0 0)摘 要：简要介 绍了先进 复合材料 中的缺陷类型，分析 了缺陷产生的原 N以及对复合材料性能的影响，对 目前国内外用于先进复合材料结构的各种 无损检 测技术进行 了比较与评价，认为超 声 C扫描、有源红外 热波成像以及射线 实时成像检测是有效检测先进复合材料 中常见缺陷的技 术手段。关键词：先进复合材料；缺陷；性能；无损检 测 中图分类号：TG1 1 5 2 8 文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 4 4 2 3(2 0 0 6)0 4 0 1 0 7 1 引言 技术的前提和基础。先 进 复合材 料(AC M)具有 比强度 高、比模 量 大、抗疲劳性能好、膨胀系数低 以及破损安全性好等 一系列优点，能够满足航天技术轻量化、长寿命和高 可靠 的特殊要求，已经成为航天技：术领域不可缺少 的重要结构材料。在航天系统 中使用先进复合材料，可以使结构重量减轻 3 O 4 O ，并能有效提高航 天器发射与运行的可靠性与安全性。许 多航天结构，如大型运载火箭的发动机壳体、压力容器、天线及其 支撑、太 阳能电池翼、舱 门等都使用 了先进 复合材 料 。在先进复合材料制造过程 中，由于难 以对各种 工艺参数进行精确控制，导致复合材料结构质量不 稳定，具有一定的随机性，缺陷的存在不可避免；另 外，使用过程 中的静载荷、机械损伤、疲劳、蠕变、过 热等原 因也会引起复合材料 中损伤 的产生 2 ，而损 伤的产生、扩展与积累将会加剧材料 的环境与应力 腐蚀，加速材料 的老化，造 成材料湿热性 能严 重下 降，强度 与刚度急剧损失，大大降 低结构 的使用 寿 命，有时还可能会造成灾难性的后果口 。因此，在复 合材料结构使用前以及使用过程 中，对其进行无损 检测(ND T)就显得极为重要。其次，航天器发射与 运行的高昂成本，要求航天器结构的重量尽可能轻，要减轻航天复合材料结构的重量，降低制造成本，就 必须采用损伤容 限设计技术|，而对材料 中各种缺 陷与损伤进行准确的无损检测是实现损伤容限设计 2 先进复合材 料 中的主要缺 陷 2 1 缺 陷类 型 与产 生原 因 先进复合材料中的缺陷类型一般包括：孔隙、夹 杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界面开 裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分 比超差、纤 维 基体界面结合不好、铺层或纤维方向误差、缺层、铺 层搭接过 多、厚度偏 离、磨 损、划伤 等 5 ，其 中孔 隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。材料中的缺陷可能 只是一种类型，电可能是 好几种类 型的缺陷同时存 在。缺陷产生 的原因是 多种 多样 的，有环境控制方 面的原 因，有制造工艺方面 的原 因，也有运输、操作 以及使用不当的原 因，如外力冲击、与其它物体碰撞 和刮擦等。对缺陷产生原因进行准确分析，可以有针 对性地采取预防与控制措施，减少 缺陷形成的概率，保证结构质量和性能满足要求。孔 隙是复合材料成型过程 中形成的空洞，是复 合材料 的主要缺陷之一。一般分为：延单纤孔隙(包 括纤维束 内孔隙)和层板间孔隙。孔隙率小于 1 5 时，孔隙为球形：孑 L 隙率大于 1 5 时，一般为柱形，孔隙与纤维轴 向平行。产生孔隙的原因有：树脂与 纤维浸润性差，空气难以挤压出去；树脂 中的低分 子组分在加工过程 中的挥发，此外，复合材料固化过 程中树脂的化学反应中也存在挥发物；成型工艺 不合理。孔隙含量和分布与树脂 的类型、沾度、组分、维普资讯 http:/ 2 无损探伤 固化温度、压力及时间有关 引。夹杂产生的原因主要包括：树脂 中存在 小凝 块；预浸料本身存在夹杂；成型车间环境洁净度 不满足要求，环境 中的夹杂混入铺层中。分层是指层 间的脱粘或开裂，也是复合材料结 构中的典型缺陷。分层形成的原因有如下几个方面：基体与纤维 问热膨胀 系数不匹配或储存 时间过 长；增强材料未经处理；含胶量过低；粘接剂 选择不 当或 固化工艺不合理，加压点控制不准确；相邻铺层间铺设间隔时间过长；树脂提前固化；外界冲击；二次成型界面粘接强度偏低。裂纹也是 复合 材料 中最为常 见的一种 缺陷形 式。产生的原因大致包括：树脂与纤维间的线胀系 数相差较大；固化工艺不 当；外界冲击；疲劳 损伤；基体环境老化；试验温度过高等。另外，使用过程 中的过载或疲 劳会引起 纤维断 裂与屈曲；吸湿、热疲劳、应力疲劳与基体老化 可能 将导致纤维与基体界面开裂；基体粘度不稳定会 形 成富胶或贫胶 区。2 2 缺陷对材料性能的影响 2 2 1 孔隙对性能 的影响 孔隙问题是先进复合材料成型工艺 中普遍存在 的问题，即使孔隙含量很小，对材料的许多性能都会 产生有害的影响。复合材料中的孑 L 隙主要影响材料 的层间剪切强度、纵向和横向弯曲强度与模量、纵 向 和横向拉伸强度与模量、压缩强度 i 模量等性能 。Al me i d a等人通过试验证 明，孔隙 的存在对材料 的 静态强度 只有中等程度的影响，但却可 以使疲劳寿 命显著下降 8 。其它研究结果表明，孔隙率在 0 9，6 5 之间，每增加 1 ，层间剪切强度平均下降 7 ，弯 曲模 量 以 5 左 右 的 比例 下 降，其它 性能 则 以 1 0 左右的比例下降。人们通常认为，孔隙率大于零 以后，复合材料的性能就开始退化；但也有人认为，引起材料性能下降的临界孔隙率是 3 4 g 。2 2 2 夹杂对性能的影响 M Z h a n g和 S E Ma s o n曾经用蒸馏水和海水 作为夹杂进行过试验研究，铺层时在每层间刷涂上 述夹杂，然后对含有夹杂 的复合材料进行力学性能 测试，并将测试结果 与不含夹杂的同种材料进行 比 较，结果发现，蒸馏水和海水导致材料断裂韧性分别 下 降 4 0 和 5 0 9，5，层 间 剪 切 强 度下 降 6 5 3 和 7 1 4 ，弹性模量下降 2 2 8 和 2 屯7 ，最终拉伸 第 3 0卷 强度 的下降量分别为 3 0 9 和 3 1 2 5 。由此结果 可以看出，复合材料中的夹杂对其性能影响较大，在 材料加工过程 中，应严格对生产环境进行有效控制。2 2 3 分层对性能的影响 尚未见文献报道过分层对先进复合材料性能的 定量影响，但纤维铺层 间的分层是 先进复合材料 中 最为严重的缺陷类型，它通过降低材料 的压缩强度 和刚度影响结构的完整性。在承受机械或热载荷的 条件下，结构 中的分层会发生传播，情况严重时将可 能导致材料发生断裂。2 2 4 其它缺陷对性能的影 响 复合材料中富脂 区或贫脂区的存在影响材料 的 疲劳特性，而且是复合材料疲劳裂纹的萌生源。据有 关文献报道【。1，碳纤维复合材料 中的纤维断裂可 以 使材料的拉伸强度下降约 2 5 ，压缩强度下降 l 1 9，5 左右；热塑性复合材料 中的纤维弯曲将导致其强度 降低约 2 0 。3 缺 陷的无损检 测技术 先进复合材料中的微观破坏和内部缺陷，用常 规 的机械 与物理方法一般不能满足检验精度要求，也不能采用破坏性实验方法进行检测，必须对 其进 行无损探伤检测，即在不 损坏结构使用性能的前提 下，采取一定的手段，检测其特征质量，确定其是否 达到需要的工程使用要求。无损检测是检验产品质 量、保证产品使用安全、延长产品寿命必要 的有效技 术手段。可应用于先进复合材料结构 中缺陷无损检 测的技术很多，包括射线检测技术、超声检测技术、红外热波成像技术、声 一超声技术、涡流检测技术、微波检测技术、光全息照相技术等。3 1射线 检 测技术 对 于先进复合材料而言，射线检测仍然是最直 接、最有效的无损检测技术之一，特别适合于检测先 进复合材料中的孔隙和夹杂等体积型缺陷，对垂直 于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠 性，对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能力，也 可测量小厚度复合材料铺层 中的纤维弯曲等缺陷，但对复合材料 中最为常见 的分层 缺陷检测 比较 困 难，对平行于材料表面 的裂纹射线检测技术也不敏 感。在所有 的射线检测技术 中，胶片射线照相技术 应用最为广泛，经过多年的发展，该技术已经 比较成 维普资讯 http:/ 第 4期 王小永等：先进复合材料 中的主要缺陷与无损检测技术评价 3 熟，许多国家都建立了针对复合材料的胶片射线照 相技术规范或标准。近几年来，随着计算机技术的迅 速发展，射线实时成像检测技术(R TR技术)日趋完 善，并开始应用 于结构的无损检测。RT R技术利用 图像增强器将穿透材料后的射线信息转换为可视图 像(即光电转换)。然后输入计算机经过计算机处理 将可视图像转换为数字图像(即模 数转换)，在显示 器屏幕上显示出材料 内部缺陷 的性质、大小和位置 等信息r 1。与胶片照相技术相 比，R T R技术不需要 胶片的暗室处理，缩短了曝光时间，成像质量与胶 片 照相技术相当，但在检测过程的实 时性、检测效率、经济性 以及远程传送和方便实用等方面具有无 比的 优越性。实时成像技术可应用于先进复合材料产品 的在线检测，可以对装配线上的工件进行实 时快速 检测。计算机断层扫描成像(C T)技术应用于复合材 料研究 已有十几年历史。C T检测能够给出被扫描 物体断层 面内材料密度 的二维空问分布，通过分析 断层面内密度分布，就可以获得复合材料 内部密度 均匀性、微孔隙体积含量与分布等 面的信息 该技 术的特点是：(1)高空间分辨率和密度分辨率(通常 0 5 )；(2)高动态 检测范围(从空气到复合材料 再 到金属材料)；(3)成像 尺寸精度 高；(4)在穿透能 量足够的情况下，不受试件几何结构限制。局限性表 现为：检测效率低、检测成本高、双侧透射成像、不适 合于平 面薄板 构件的检测以及大型构件 的现场检 测n 。利用 C T成像技术可 以有效检测先进复合材 料中的孔隙、夹杂、裂纹 等缺陷，也可以测量材料 内 部的密度分布情况，如材料均匀性、微孔隙含量 等。早在上个世纪 8 O年代初期，美 国就率先研制出了用 于检测大型 固体火箭发动机复合材料壳 体的工业 C T设 备，并逐渐将该技术应用于 其它先进复合材 料结构的无损检测中；我 国也于 9 O年代后期成功地 将工业 C T 技术应用 于 C C复合材料、碳 酚醛复 合材料等的检测，解决了一些关键性的无损检测 技 术难题，取得了较好的经济效益与社会效益。康普顿 背散射成像(C S T)技：术r l I 是一种新 的 射线检测技术，它具有单侧非接触 检测灵敏度高、快速三维成像 的特点，非常适合于复合材料等原子 序数较低材料的物体，对低密度材料的检测可获得 比透射成像更 高的图像对 比度，特别是当被检物体 结构限制无法进行双侧成像检测时，C S T技术就显 示出明显的优势 C S T技术在国外航空航天领域 已 经得到了广泛的应用，在国内，由于缺少相关 的技术 设备，此项技术还尚处于探索性的研究阶段，但鉴于 该技术的独特性能，可 以预见 它必将成为航空航天 无损检测领域一个极具开发与应用潜 力 的检测手 段。3 2 超声检 测 技术 超声检测方法主要包括有脉冲反射法、穿透法、反射板 法、共振法、阻抗法等，它们各有特点，可根据 材料结构的不同选用合适的检测方法。对于一般小 而薄、结构简单的平面层压板及 曲率不大的复合材 料构件，宜采用水浸式反射板法；对于小而稍厚的复 杂结构件，无法采用水浸式反射板法时，可采用喷水 脉冲反射法或接触带延迟块脉 冲发射法；对于大型 复合材料结构宜采用水喷穿透法 或水喷脉 冲反射 法。复合材料的多层结构使得声波在材料中的衰减 较大，而且航空航天领域 的先进复合材料构件多为 薄形结构，所引起的噪声 和缺陷反射信号的信噪 比 低，不易分辨，在选择合适 的检测方法 时应进行全 面、细致的考虑。超声检测技术，特别是超 声 C扫 描，由于显示 直观、检测速度快，已经成为大型先进复合材料构件 普遍采用的检测技术。I C I F i b e r i t e公司采用 9轴式 C扫描，对蜂窝泡洙夹芯等复杂结构的复合材料构 件进行了无损检测；麦道公司专 门为复合材料曲面 构件设计 了第五代 自动超声扫描系统，利用该系统 可确定大型复合材料构 件内的缺陷 尺寸；D wo s公 司的先进复合材料研究室，还用超声波确定了各种 损伤参数(深度、形状、面积、直径以及分层频率等)与有机纤维复合材料压 缩强度 的关系；波音公司研 究小组的研究结果表明，超声检测技术不仅可以检 测损伤，而且还可 以确定损伤对复合材料构件承载 能力 的影响n 。图 1是美国 S a n d i a国家实验 室的 J o h n HGi e s k e等人采用超声 C扫描方法对一个 边长 3 0 5 mm 的正方形复合材料一金属粘接结构试 样进行检测所得到的结果，从 图中可以清晰看到试 样 中存在两个大 面积的脱粘缺陷(图中的高亮显示 区域)及其它一些零星的脱粘不 良缺陷。超声检测技术不仅能有效检测 出先进复合材料 中的分层、脱粘、孔隙、裂纹和夹杂等缺陷，而且在判 断材料的疏密、密度、纤维取向、屈曲、弹性模量、厚 度等特性和几何形状等方法也有一定的作用n ，超 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/ 第 4期 王 小永 等，先进 复合 材 料 中的主要 缺 陷与 无损检 测技 术评 价 5 圈 4 复合材料涡轮叶片 的外形 圈 圈 5复 台 材 料 j 呙轮 叶 片 AU 检 舅 圈像 3 5 声发射检测技术 复合材料的声发射技术研究上世纪 7 0年代始 于美国，8 0年代在法、日、英等国得到发展和广泛应 用。先进复合材料中的声发射源主要有纤维断裂、基 体微裂纹、基体宏观裂纹、纤维 一基体界面脱开、纤 维摩擦基体、纤维断裂松驰等。复合材料的损伤包括 多种机制，相关研究结果表 明，对：f 典型的碳 环 氧 复合材料，有两个普遍可以接受的原则，即低幅值事 件与基体失效相对应，而高幅值发射与纤维断裂相 对应。通过对材料或结构在加载过程中产生的声发 射信号进行检测和分析，可 以对复合材料构件的整 体质量水平进行评价，反 映复合材料中损伤 的发展 与破坏模式，预测构件的最终承载强度，并能够确定 出构件质量的薄弱区域。声发射检测技术仅可用于 复合材料承力结构件 的整体无损检测，对单个缺 陷 的检测准确性较低。声发射技术是检测复合材料结构整体质量水平 的非常实用的技术手段，使用简单方便，可以在测试 材料力学性能的同时获取材料动态变形损伤过程中 的宝贵信息。它包括参数分析法与波形分析法两种 方法。参数分析 法是通过记录和分析声发射信号的 特征参数，如 幅度、能量、持续时间，振铃计数和事件 数等，来分析材料的损伤破坏特征，如损伤程度和部 位、破坏机制等；波形分析法是指对声发射信号 的波 形进行记录与分析，得到信号的频谱及相关函数等，通过分析材料不同阶段和不同机制引起损伤的频谱 特征，可 以获取材料的损伤特征。3 6涡流 检测 技术 涡流检测技术的基本原理是利用涡流探头中线 圈通 以交变 电流后，能够在线 圈附近的检测试样 中 产生涡流，该涡流又能产生一个交变反磁场，交变反 磁场会改变线圈磁场，从 而使 流经线圈 中的电流也 随之改变。当线 圈上 的电压恒定，线圈中电流变化引 起线圈阻抗变化，通过测量线圈阻抗的变化，就可以 得到试样 内部的缺陷信息。但这种技术只适用于导 电 复 合 材 料，对 GF RP 和 KF RP 不 适 用，而 对 C F R P是 适 用 的。利 用 涡 流 检 测 技 术 可 检 测 出 C F RP中的纤维含量与缺陷，对 复合材 料与金属粘 接结构 中金属材料的翘曲变形也具有较高的检测灵 敏度。但 由于该技术需要用标准试样进行对 比，其应 用受到限制 。3 7 微 波检 测技 术 微波在复合材料中穿透能力强、衰减小，适合于 复合材料的无损检测。它可以克服常规检测方法的 不足(如超声波在复合材料中衰减 大、难以检测内部 较深 部位缺 陷，射线 检测 对平 面 型缺 陷灵敏度 低 等)，对复合材料结构中的孔隙、疏松、基体开裂、分 层和脱粘等缺陷具有较高的灵敏性。据报道，美国在 2 0世纪 6 0年代就采用微波技术对大型导弹 固体发 动机玻璃钢壳体中的缺陷和 内部质量进行 检测；我 国的陆荣林等人也采用微波反射技术对不 同复合材 料中的空洞型缺陷进行了检测。结果证明了微波检 测技术对复合材料中缺陷检测的有效性。除上述检测技术外，还有 目视法、流体渗透法、激光全息法等其它技术也可用于先进复合材料的无 损检测。4 无损检 测技术 的选择 适用 于先进复合材 料结构 的无损 检测技术很 多，不 同的检测技术对不同类型缺 陷的敏感性差别 很大，同时还与结构 的材料类型、制造工艺、材料结 合方式、壁厚等 因素密切相关。一般情况下，只采用 单一技术无法检测出复合材料 中的所有缺陷，应根 据材料中可能存在的缺陷类型 以及缺陷所处的大概 深度、取 向等因素选择多种适当的方法进行综合检 测，如对于孔隙、疏松、夹杂等体积缺陷，采用射线检 测或微波检测 技术 比较有效；对于分层、裂纹、脱粘 维普资讯 http:/ 6 无损探伤 第 3 O卷 等缺 陷，超声 C扫描技术、红外热波成像技术 是首 先 应该考虑的检测手段，但 当结构 厚度较厚(大于 5 0 ram)时，检 测灵敏度会大幅降低；声 一超声检测 技术、涡流检测技术 比较适合于复合材料 金属粘接 界面状态的检测；对复合材 料的整体质量水平进行 检测时可使用声发射技术，该技术也是进行复合材 料纤维断裂或纤维 基体分离机理研究的一种非常 有效的工具。另外，在选择适合的无损检测技术时还 应该考虑检测仪器的可达(及)性、要求的灵敏度 以 及检测效率、检测成本等各方面的因素。各种检测技 术之间的比较如表 1 所示。表 1 先进复合材料 无损检瓠 l 技术 比较 检测技术 适用范副 优 点 缺 点 目视法 表面裂纹与损伤 快速、简便、成本低。人为因素影响大。检 测前 应 清 洁工 件，渗 透 液污 染 液 体渗透法 表 面开 口裂纹 与分层 简单、可靠、迅速。工件。内部缺 陷(疏松、分 层、夹 杂、空隙、操作 简单、检测 灵敏度高、可 精确 检 测效 率低、对 检 测人 员 专业 知 超声检 测法 裂纹)检 测，厚度测 量。确定缺 陷位置 与分布。识要求高、检测时需 使用耦合剂。孔 隙、疏 松、夹 杂、贫 胶、纤 维 断 裂 灵 敏度高、检测 结果直 观、可进行 检 测设 备 复 杂 庞大、射 线对 人 体 射线检测法 等。实时检测。有害、需安全防护。设备 简单、操作 方便、检测 灵敏度 要 求 工件 传 热 性能 好、表面 发 射 热波成像法 脱粘、分层、裂纹、夹杂等。高、效率高。率高。细 微 缺陷 群、界 面脱 粘 检 测，结 构 声一超声法 操作 简单、显示直 观。对单个、分散缺 陷不敏感。整体性评估。较 大 缺 陷 检 测，如 脱 粘、分 层、裂 操作 简单、直观，检 测结果 可 自动 微波检测法 对较 小缺陷检测灵 敏度低。纹、孔隙等。显示。涡流法 脱 粘、分层等 快速、简 单 只适 用于导 电材 料 检 测缺 陷 的动 态 状态，可预 测 材 声发射法 加 载过 程 中缺陷的萌生 与扩展 检 测过程需要 对材料进行加载。料的最大承载能力 5 结束语 参考文献：先进复合材料是一种复杂的多相体系，而且是 材料与结构 同时成形。在 复合材料结构的成型工程 中，许多不确定的影响因素的，使得复合材料结 构中的缺陷不可避免，其次，复合材料结构在使用过 程 中也可能会发生各种损伤，缺 陷与损伤 的存在对 复合材料结构的使用安全构成极大威胁。先进复合 材料结构大多应用于航空航天领域，结构的可靠性 与安全性尤为关键，对先进复合材料结构内部的缺 陷和损伤进行无损检测，是检验产品质量、保证产品 使用安全的极为重要的技术手段。可应用于先进复 合材料结构的无损检测技术很 多，超声 C扫描、有 源红外热波成像、射 线实 时成像检测是检测先进复 合材料中常见缺陷的非常有效技术手段，不 同的检 测技术都具有各 自不 同的优点和他用局 限性，在检 测方法选择时，应综合考虑结构材料、尺寸、形状、制 造工艺、结合方式，以及缺陷的类型、位置、取向和检 测方法的有效性、检测仪器的可达(及)性、要求的灵 敏度、检测效率、检测成本等各方面的因素。1 王耀先 复合材料结构设计 北京：化学工业出版社，2 0 01：8 2 黄松林 复合材料胶结缺陷的红外热成像检测 宇航材 料与工艺，2 0 0 2，6：4 3 3 陈积懋，张颖 复合材料无损检测的新进展 航空工业 技 术，1 9 9 8，5：3 3 4 刘松平，郭恩明，张谦琳，等 复合材料深度方向超声C 扫描检测技术 无 损检测，2 0 0 1，2 3(1)：1 3 5 吴明复 纤维增强复合材料的应用及其缺陷检测 航天 工艺 1 9 8 8，1：4 1 6 张立功，张佐光 先进复合材料中的主要缺陷分析 玻 璃 钢 复合材料 2 0 0 1，3：4 2 4 3 7 刘玲，张博 明，王殿富，等 碳 环氧复合材料孔隙问题 研究进展 宇航 材料工艺，3 4(6)：6 8 Gh i o r s e S R E f f e c t o f Vo i d c o n t e n t o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n e p o x y l a mi n a t e sS AMP E Q，1 9 9 3，(1)：5 4 9 Al me i d a S I M，N e t o Z S N E f c t o f V o i d c o n t e n t o n t he s t r ai g ht of c o mpo s i t e s l a m i n at e s Compo s i t e St r uc t ur e 199 4，2 8：13 8 14 8 1 0 刘怀喜，张恒，马润香 复合材料无损检测方法 无损 检测，2 0 0 3，2 5(1 2)：6 3 2 1 1 吴东流 复合材料 C T检测的原理和应用 宇航材料 维普资讯 http:/ 第 3 0 卷 第 4期 2 0 0 6年 8月 无 损 探 伤 N D T Vo L 3 0 No 4 Aug us t 2 0 06 郑 中兴(北京交通大学理学院，北京1 0 0 0 4 4)摘要：介 绍了一种新的 S H 波(水平偏振横 波)斜探头探伤法和与其相关的探头，指 出它在十字型焊缝 根部未焊透问隙的测量、带垫板的钢粱对接焊缝根部未焊透、端部翼粱焊缝、焊接裂纹的远距离探测、薄板对 接焊缝的检测等的应用例，并指出S H 波探测声束的方向是垂直指 向缺陷的。关键词：表面 S H 波探伤法；S H波探头；S H 波专用耦合剂；十字型焊缝；根部未焊透 间隙 中图分类号：TG1 1 5 2 8 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 4 4 2 3(2 0 0 6)0 4-0 7-0 5 1前 言 焊缝 的超声波探伤一般都是采用横波斜探头，这种横波 多数是用 P Z T系列压电陶瓷经过有机玻 璃楔块将纵波在探测面上转换成垂直振动 的横波(S V 波)，因为纵波能够在液体 中传播，所 以界面上 的耦合介质可以选用各种液体。但是，在现代钢结构 建筑中多采用 L型坡 口带垫板 的 T型接头，船闸、水库中使用 的弧形闸 门和启闭门也多是 由 T型焊 缝和十字接头角焊缝焊接而成，薄板对接焊缝根部 的 I型未焊透用一般斜探头不易检查，形状 回波和 缺陷回波难以区别。如果在腹梁上还有铆接之类的 障碍物存在，更是妨碍斜探头的探伤，我国水电部门 对 T型焊缝根部未焊透间隙还有特殊要求。为解决 此类问题本文介绍声波仅在近表层一定深度与表面 平行传播 的表面 S H 波探伤法，该方法与折射横波 在第 二介质产 生大于 或等 于 9 0。折射 的表 面波不 同，表面 波仅在 近表层 和表面上传播，传播厚度 在 1 4以下波长 已经很 弱。它与折射纵波在第二介质 产生大于或等于 9 0。折射 的爬 波也 不 同，爬波不适 合于远距离探测。2 S H 波的产 生和界面耦合 S H 波是 由晶片横波入射又经楔块和界面横波 折射而成，它不同于一般 的斜探头纵波入射及横波 折射，而在界面上作为耦合介质 的液体又不能传播 横波，所以耦合剂的选择是一大难题。另一个问题 是：为使用方便，要求像一般斜探头那样在被检工件 接触面倾斜声波射入，这个 问题用一定声速和衰减 小的材料做楔块即可解决。第三个问题是如何选用 切变模式振动的晶片，在压 电材料中选择合适的极 化方 向，极化后 的晶片产生切变模式的振动，构成切 变模式的换能器件。这方面 的材料在单晶材料 中有 铌 酸锂(L i Nb 0 3)，它具有很高 的居 里点(1 2 1 0)，能在高温下工作，具有 良好的机械性能，机械品质因 工艺，2 0 0 1(1)l 4 2 1 2 3 杨宝刚，金虎，任华友，等 复合材料的射线检测技术 宇航材料工艺，3 4(2)z 2 6 2 8 1 3 3 李志君 先进复合材料的无损检测 宇航材料工艺，2 0 0 5(5)：3 0 1 4 3 陈桂才 复合材料缺陷的红外热波无损检测技术，宇航 材料 工艺，3 4(1)z 5 6 1 5 3 D Ha g e ma i e r，H J Mc f a u l，D Mo o n No n d e s t r u c t i v e Te s t i n g o f Gr a p h i t e F i b e r Co mp o s i t e s S t r u c t u r e S o c i e t y o f Au t o mo t i v e En g i n e e r s Na t i o n a l Ae r o n a u t i c a n d S p a c e En g i n e e r i n g a n d M a n u f a c t u r ing M e e t i n g，Lo s An g e l e s，Ca l i f Oc t o b e r 5 9，1 9 7 0：1 0 E 1 6 3 wi l 1 i a m P Wi n f r e e o s p h N Z a l a m e d a T h e r mo g r a p h i c De t e r mi n a t i o n o f De l a mi n a t i o n De p t h i n Co mp o s i t e s Pr o c o f S Pl E，5 07 3：2 6 3 E 1 7 3 杨盛良 复合材料损伤过程的声发射研究方法 无损检 测，2 0 0 0，2 2(7)l 3 0 3 维普资讯 http:/