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对飞机的复合材料进行无损粘接检测


对飞机的复合材料进行无损粘接检测

应用

要保证航天飞机的复合材料结构在整个在役过程中的完整性,材料的完好粘接状态至关重要。为此,我们开发了用于在维护过程中评估材料粘接质量的无损检测(NDT)方法。这则应用注释回顾了最近为提高检测的可靠性而开发的多种方法。

背景

目前在飞机制造过程中对复合材料的使用急剧增长。各大主要机身制造商,如:波音(Boeing)和空中客车(Airbus),在他们各自的商业飞机制造中,已经极大地增加了对复合材料的使用。Boeing 787的整个机身几乎都是由复合材料制成,而Airbus A380和A350也添加了大量的复合材料结构。支线和商用喷气式飞机制造商在制造各自的飞机时,也增加了对复合材料的使用。在军用飞机的制造上,也出现了同样的复合材料使用增长的现象,如:F22战斗机和A400运输机。

由于飞机的结构很容易受到撞击和雷击,因此需要使用一些可靠有效的无损检测方式(NDT),对飞机受到撞击后可能出现的损伤进行快速评估。这些由世界各地的NDT检测人员所使用的方法和仪器,一定要简单好用,以确保在飞机的维护核查过程中,获得一致性的检测结果。

飞机受到撞击后,可能会使其复合材料结构出现不同类型的损伤。损伤的情况会根据复合材料部件的特性、组成材料及密度而不同。复合材料层压结构受到撞击后产生的缺陷,主要是机身的各种层压材料之间以及与机翼蒙皮之间的分层缺陷。不过撞击也会引起蒙皮与加强筋之间的脱粘。这种脱粘情况会极大地伤害飞机结构的完整性。B787型和A350型飞机的机身主要为层压结构。

图1:层压结构的分层缺陷
图1:层压结构的分层缺陷

在层压碳皮之间的带有蜂窝夹芯(NOMEX等)的复合材料夹层结构中,撞击结果会表现为不同类型的损伤。在飞机遭到撞击后,可能会出现以下缺陷:
A型:平行于表面的外部CFRP蒙皮的多层材料之间出现分层缺陷
B型:外侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷
C型:平行于检测表面的蜂窝芯出现裂纹
D型:平行区域的蜂窝芯被碾碎
E型:内侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷
F型:蜂窝芯中有流体侵入

图2:复合材料夹层结构中的损伤
图2:复合材料夹层结构中的损伤

解决方案和设备

多模式声学粘接检测

奥林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一发一收模式、机械阻抗分析(MIA)和谐振检测方式对复合材料进行检测的多模式超声粘接检测仪器。很久以前这款仪器就用于对大多数现有的飞机进行检测,只是最近又开发出了借助这款仪器完成的新的检测方式。

图3:奥林巴斯的BondMaster 600
图3:奥林巴斯的BondMaster 600

一发一收模式用于检测带有蜂窝结构的复合材料。发射器将声能传送到工件内,然后,接收器再接收反射回来的声能。在粘接完好的条件下,部分声能由于蜂窝结构的吸收而产生衰减。当探头被放置在脱粘区域上时,返回到接收器的声能会变得很大,并会引起波幅的变化。


图4:粘接检测的一发一收模式
图4:粘接检测的一发一收模式

这项技术最近得到了优化调整,可以可靠地探测到位于40毫米厚的蜂窝结构以下远端的(面积为25毫米 × 25毫米)脱粘缺陷,如:E型缺陷。针对困难且费时的空中客车(Airbus)飞机的检测,我们专门设计了一种新式差分高电压探头。在空中客车的维护公告中,现在记载着使用这种探头检测所获得的非同寻常的结果。

常规超声检测

超声技术是在检测复合材料结构时使用的最为广泛的一种技术。如今已经开发了各种各样的用于复合材料检测的超声仪器。一般来说,超声波可以在复合材料层压结构中很好地传播,而且可以相当容易地探测到异常现象。不过,在检测夹芯结构时,超声波会因为内芯结构的不均匀性和低密度性,而得到极大的衰减。因此,利用超声技术对夹芯结构进行的检测,要求仪器具有更多专用的功能。

在制造环境中,大型夹芯平板工件可以通过穿透方式得到检测。在这种穿透检测过程中,相对较高波幅的超声波被发送到工件,并穿过工件,然后位于工件另一侧的接收探头再对信号的衰减程度进行测量。所得到的结果一般表现为C扫描图像。这种技术已经得到广泛地应用,而且非常可靠。但是,这种技术不能用于维护环境中,因为我们不可能从飞机结构的两侧接触到需要检测的部位。

不过,我们可以通过超声技术,探测到飞机内侧和外侧蒙皮的脱粘缺陷,流体侵入情况,以及夹芯碾碎的情况。在这类检测中,必须要使用低频探头和底面信号的跟踪功能,而且要以一种非常聪明的方式使用这些设备和功能。外侧蒙皮的分层缺陷,以及外侧蒙皮与夹芯之间脱粘的缺陷,表现为底面回波信号得到完全衰减的特性。

最近开发的一项技术可以探测出内侧蒙皮和夹芯之间的脱粘缺陷。这个技术要使用一种宽带宽的1 MHz探头。当这个探头被一个强大的方波脉冲激励时,会在探头下方的结构中产生谐振。仪器的接收器滤波器被调节到被检结构的厚度,并在相应的半波长条件下发挥作用。脱粘情况会降低结构的硬度,会使谐振转换到更长的波长,因此会使谐振的频率降低。内部结构中的一个25毫米 × 25毫米的脱粘缺陷会因此使底面回波信号的衰减从6 db增加到12 db。

图5:超声谐振技术原理
图5:超声谐振技术原理

具有高电压脉冲、优质方波脉冲,以及可选窄带滤波器的EPOCH 650超声探伤仪是应用这项技术的首选仪器。
图6:奥林巴斯的EPOCH 650
图6:奥林巴斯的EPOCH 650


相控阵超声检测

最近,诸如超声相控阵的一些新技术也得到了发展。现在市场上还出现了易于使用的便携式仪器。在飞机制造商的维护手册中已经提及了可用于各种检测应用的OmniScan PA仪器,所提及的应用包含探测复合材料层压结构中的撞击损伤。

在检测这种结构时,需要使用仪器的线性扫查功能。仪器使用零度线性扫查功能时,仅通过一次扫查就可以覆盖大面积的区域。这种仪器与便携式扫查器一起使用时,如:Glider,可以在C扫描图像中显示检测结果,从而为用户提供了一种被检结构的映射图像。通过使用扫查器,并借助图像功能,增加了检测的可靠性,并提高了检测速度。
图7:用于复合材料检测的奥林巴斯的OmniScan PA和GLIDER
图7:用于复合材料检测的奥林巴斯的OmniScan PAGLIDER

借助活动梯使用的手持式损伤检测仪

在NDT技术人员投入了大量的精力,开发出超声检测的新式方法和新型仪器的同时,(由于飞机制造越来越多地使用复合材料结构,)也需要对降落到机场并等待起飞的飞机,快速进行检查,以发现飞机是否有因撞击而造成的损伤。由于不是全球每个机场都配备有无损检测技术人员,因此这类仪器的设计目的是由非技术人员使用,探测出可能因撞击而引起的分层缺陷。

35RDC是一款简单的go/no-go(快速确定产品合格/不合格)的超声仪器,用于检测新式波音787飞机以及其它复合材料结构。这款仪器可以由未受到NDT培训的人员使用,以探测出坚固的层压结构(非蜂窝结构)的近表面的撞击损伤。这个由波音公司开发,基于已经发展成熟的脉冲/回波技术。35RDC仪器在B787结构修复数据文件中被提及。
图8:奥林巴斯的35RDC(借助活动梯对机身损伤进行检测的仪器)
图8:奥林巴斯的35RDC(借助活动梯对机身损伤进行检测的仪器)

Olympus IMS

应用所使用的产品
The OmniScan PA performs manual and automated phased array inspections. It offers full-featured A-scan, B-scan, S-scan and C-scan displays, and advanced real-time data processing. Configurable in 16:128 elements, also 16:16M, 16:64M, 32:32, and 32:128
The single group, lightweight OmniScan SX features an easy-to-read 8.4 inch (21.3 cm) touch screen and provides cost-effective solutions. The OmniScan SX comes in two models: the SX PA and SX UT. The SX PA is a 16:64PR unit, which, like the UT-only SX UT, is equipped with a conventional UT channel for P/E, P-C or TOFD inspections.
The portable BondMaster 600 delivers a powerful combination of multimode bond testing software and highly advanced digital electronics for the nondestructive inspection of honeycomb and laminate composites and metal-to-metal bonds.
Grubościomierz 35RDC to grubościomierz ultradźwiękowy udostępniający prostą informację „dopuszczalny/niedopuszczalny”, zaprojektowany do wykrywania uszkodzeń uderzeniowych pod powierzchnią struktur kompozytowych samolotów.
Skaner GLIDER to dwuosiowy (X-Y) skaner kodujący przeznaczony do ręcznej inspekcji lekko zakrzywionych lub płaskich powierzchni kompozytowych. Ten podtrzymywany przez przyssawki skaner dobrze nadaje się do skanowania rastrowego. Techniki: ECA, EC, UT, PA.
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