[发明专利]碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法

说明书

本申请公开了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法，其通过对叶片表面进行网格分割形成均匀的网格单元，通过二维激光振镜对网格单元进行扫描，并在相应的网格单元对应的材料表面产生激光超声信号，而通过多自由度机械手按照预设的运动轨迹驱动脉冲激光器、二维激光振镜、场镜与阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，即可以使二维激光振镜对所有网格单元进行依次扫描，又通过阵列式空气耦合激光超声探头对应接收其扫描产生的激光超声信号，并根据激光超声信号进行成像，可以对整个叶片表面及内部缺陷的微米级高精度检测，实现了碳纤维复合材料叶片的大曲率曲面快速与原位检测且系统小型化的目的。

技术领域

本申请涉及碳纤维复合材料检测技术领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料的激光超声自动化检测系统以及相应的方法。

背景技术

目前，采用碳纤维复合材料制成的叶片与金属材料制成的叶片相比，具有很大的优势，如低密度、高比强度和比刚度，在保证叶片力学性能的情况下，可极大减轻叶片的重量，不仅能节约能耗和减少成本，又为各种技术的进步带来更多的可能，比如风扇叶片是现代商用飞机发动机最重要的部件之一，据统计，风扇段质量占发动机总质量三分之一左右，因此发展更大更轻的碳纤维复合材料叶片是一种趋势，研究更多的碳纤维复合材料叶片检测方法也很有意义。

目前，基于光学法的激光超声检测系统体积较大，无法适用于叶片数量多、相互层叠遮挡、检测空间小等场景。

中国专利公开号为CN104535648B公开了一种汽轮机叶片超声导波检测方法，其利用激励导波的超声检测仪及超声导波探头，刷涂耦合剂后将超声导波探头置于待检测汽轮机叶片上，对待检测汽轮机叶片的叶身进行全面扫查，当检测过程中出现缺陷回波时，与对比试块的人工缺陷槽反射回波幅度进行当量对比，若缺陷回波幅度大于或等于人工缺陷回波时标记为不合格。这种检测方法在当待检测叶片表面曲率较大时，其耦合剂耦合系数不够稳定，且检测效率和分辨率均较低。

中国专利公开号为CN101435784B公开了一种涡轮叶片CT检测装置及其检测方法，通过X射线照射叶片，并调整叶片的倾斜角，实现对叶片各个方向的裂纹进行检测。这种检测方法采用的射线源价格昂贵，检测装置体积大无法做原位检测，且需要调整叶片角度以防止漏检垂直于射线的裂纹，使得成像速度较慢且检测效率较低。

发明内容

本申请提供了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统及方法，用于解决现有技术中对较大曲率的碳纤维复合材料叶片检测效率低、分辨率低、成本较高且系统体积较大的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种碳纤维复合材料叶片的激光超声自动化检测系统，包括：

脉冲激光器、光纤、二维激光振镜、场镜、阵列式空气耦合激光超声探头、多自由度机械手与信号处理模块；

所述脉冲激光器用于产生激光光束后通过所述光纤向所述二维激光振镜传输；

所述二维激光振镜用于接收所述激光光束后，根据预设的扫描轨迹通过所述场镜向待测碳纤维复合材料叶片的表面上预先均匀分割的网格单元进行聚焦扫描从而在相应的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生激光超声信号；

所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头均设于所述多自由度机械手的输出端，所述多自由度机械手用于驱动所述光纤、所述二维激光振镜、所述场镜与所述阵列式空气耦合激光超声探头进行同步运动，还用于根据预设的运动轨迹控制所述二维激光振镜运动从而对所述待测碳纤维复合材料叶片的表面上所有所述预先均匀分割的网格单元进行依次扫描；

所述阵列式空气耦合激光超声探头与所述场镜对应设置，所述阵列式空气耦合激光超声探头用于以预先设定的相控聚焦的方式接收由所述激光光束在所述预先均匀分割的网格单元对应的所述待测碳纤维复合材料叶片的表面产生且穿透所述待测碳纤维复合材料叶片的内部结构的所述激光超声信号；