風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機組的核心部件之一，一般由碳纖維或玻璃纖維增強復(fù)合材料制備而成。在生產(chǎn)過程中，由于工裝模具變形、部件變形、制造工藝的隨機因素和人為因素的影響，葉片難免出現(xiàn)孔隙、裂紋、分層、缺膠等缺陷。另外，在葉片的運輸、吊裝、運行過程中，也會由于遭到意外撞擊、防護層脫落等原因，造成葉片結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生、擴展與積累，最終導(dǎo)致風(fēng)電葉片的破壞。因此無論是生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測，還是使用過程中的跟蹤檢測都顯得十分重要。

葉片無損檢測技術(shù)是指在不損害或不影響被檢測葉片使用性能的前提下，采用射線、超聲、紅外、電磁等原理技術(shù)，并結(jié)合儀器，對葉片材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常或缺陷存進(jìn)行檢測的技術(shù)，該技術(shù)是除了采用嚴(yán)格的工藝要求盡量避免出現(xiàn)缺陷外，保證葉片材料可靠應(yīng)用，及時發(fā)現(xiàn)葉片缺陷的重要手段。

圖1 主梁區(qū)域的常見缺陷

從以往接觸式無損檢測研究來看，聲波對材料中的缺陷非常敏感。超聲無損檢測一直是使用頻率較高的檢測手段，所以超聲回波檢測、相控陣檢測、空氣耦合超聲檢測、電磁超聲檢測以及激光超聲檢測等為代表的非接觸式超聲無損檢測技術(shù)則是研究的熱點。

超聲回波技術(shù)是一種常用的無損檢測技術(shù)，檢測的原理也十分簡單，短脈沖的超聲信號施加到目標(biāo)區(qū)域，然后信號經(jīng)過散射和反射之后被檢測到，通過信號處理獲取圖像數(shù)據(jù)。而檢測區(qū)域的深度則由信號結(jié)構(gòu)的時間來確定，因此該技術(shù)可以有效地檢測碳纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料的厚度。相比傳統(tǒng)的超聲轉(zhuǎn)換裝置，相陣列超聲檢測裝置由16～256個小的脈沖發(fā)生裝置組成。一個相控陣超聲檢測系統(tǒng)通過高端的計算機設(shè)備來控制和運行不同的元件，然后進(jìn)行檢測和收集回波信號。相比傳統(tǒng)的缺陷檢測，相控陣檢測系統(tǒng)可以通過不同的路徑來完成信號收集，因此增加了檢測的靈活性和有效性?？諝怦詈铣暀z測和普通超聲波的傳遞過程一樣，唯一的區(qū)別在于耦合介質(zhì)的不同，空氣耦合超聲檢測過程中，空氣取代了水和凝膠介質(zhì)。該檢測技術(shù)是一種無接觸的測試技術(shù)，可以有效地消除水和凝膠在測試過程中帶來的微小變動，因此該技術(shù)的測試校準(zhǔn)和檢測過程都較快。電磁超聲檢測技術(shù)是利用電磁耦合方法激勵和接收超聲波，與傳統(tǒng)的超聲檢測技術(shù)相比，它具有精度高、不需要耦合劑、非接觸、適于高溫檢測以及容易激發(fā)各種超聲波形等優(yōu)點。

激光超聲無損檢測技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究的重要方向。這是一種利用激光來產(chǎn)生和探測超聲波進(jìn)而檢測材料和結(jié)構(gòu)中缺陷的非接觸無損檢測方法，與常規(guī)壓電超聲檢測技術(shù)相比，激光超聲檢測技術(shù)具有非接觸和高分辨力的特點，并可與光學(xué)掃描技術(shù)結(jié)合起來實現(xiàn)高效率的檢測；另外，激光超聲可以高精度定位，定量表征材料缺陷及損傷，檢測結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，更易于實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)與大壁厚構(gòu)件的跟蹤掃查，以及檢測封閉區(qū)域，在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速檢測中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。激光超聲檢測技術(shù)對檢測風(fēng)電葉片內(nèi)部缺陷是一種綜合性能更佳方法，因此國內(nèi)風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠和檢測機構(gòu)也多選用此種方法。

圖2 復(fù)雜型面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的激光超聲檢測

圖3 窩結(jié)構(gòu)的激光超聲C掃描檢測結(jié)果

圖4 碳纖維樹脂復(fù)合材料分層的激光超聲C掃描檢測結(jié)果

如圖2所示，激光超聲檢測技術(shù)與機器人相結(jié)合，應(yīng)用于大曲率復(fù)雜型面復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的缺陷／損傷檢測。如圖3所示，蜂窩結(jié)構(gòu)為14mm厚，缺陷的尺寸為25mm和50mm，測結(jié)果看出，位于上中下3層的缺陷均可檢測出來，檢出了位于蜂窩結(jié)構(gòu)不同深度的脫黏損傷，這顯示出激光超聲技術(shù)的優(yōu)越檢測能。如圖4所示，掃描試樣得到的C型圖，是碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，試樣中有無分層缺陷位置的激光超聲信號，其中分層型缺陷的形狀、尺寸和分布與試樣中預(yù)置聚四氟乙烯薄片的特征相符，采用激光超聲無損檢測方法可以有效檢出碳纖維樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部直徑2mm以上的分層型缺陷。

對于激光超聲無損檢測技術(shù)，目前取得的成果已經(jīng)很可觀，并有諸多應(yīng)用于復(fù)合材料無損檢測的案例?，F(xiàn)階段，可以看出激光超聲無損檢測方法擁有非接觸測量，時間空間分辨率高，靈敏度高，高效準(zhǔn)確，能在線實時檢測，適用葉片復(fù)合材料各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和各種惡劣環(huán)境，相對于其他無損檢測方式有大量獨特的優(yōu)勢。雖然目前還存在這一些技術(shù)難題，包括成本、激光器改進(jìn)、光聲轉(zhuǎn)換效率、以及智能化等問題，但技術(shù)人員對激光超聲技術(shù)的探索從未停止，相信經(jīng)過努力，這些難題終究會得到解決。