Область применения
От качества сцепления в многослойных композитных материалах зависит целостность конструкций (самолетов) на протяжении всего срока эксплуатации. Исходя из этого, были разработаны методы НК для оценки качества клеевых соединений во время технического обслуживания. В данной инструкции рассматривается несколько методов, разработанных для повышения точности контроля.
Предпосылка
Композиционные материалы получили широкое применение в самолетостроении.
Крупные самолетостроительные компании, такие как Boeing и Airbus, все чаще применяют
композиты в конструкциях гражданских коммерческих самолетов. Например, фюзеляж
самолета Boeing 787 полностью выполнен из композиционных материалов; а в самолетах Airbus A380 и A350
композиты составляют значительную часть конструкции. Производители самолетов
бизнес-класса и региональных лайнеров также расширили использование
композитных материалов. То же самое наблюдается в конструкциях военных
самолетов (например, истребители F22 и военно-транспортные самолеты A400).
Элементы конструкции самолета подвержены воздействию больших нагрузок, а также
ударам молнии, – поэтому надежные и эффективные методы неразрушающего контроля
(НК) необходимы для выявления возможных повреждений и оценки технического
состояния ЛА. Методы и приборы должны быть просты в освоении и использовании для
операторов НК по всему миру для обеспечения стабильности полученных в ходе
проверки результатов.
Ударные воздействия на элементы конструкции ЛА приводят к повреждению
компонентов, выполненных из композиционных материалов. Тип повреждения будет
зависеть от особенностей, состава и плотности структуры из КМ. В композитных
многослойных структурах, дефекты, возникающие вследствие ударного воздействия –
это, чаще всего, расслоения между разными слоями фюзеляжа и обшивкой крыла. Ударные
нагрузки могут также вызвать отслоения между обшивкой и элементом жесткости.
Дефекты клеевых соединений существенно влияют на целостность конструкции.
Фюзеляжи самолетов B787 и A350 почти полностью выполнены из многослойных композитов.
Рис. 1: Расслоение многослойной структуры
Композитные сэндвич-структуры, представляющие собой трехслойные конструкции из
двух слоев композиционного материала и заполнителя (NOMEX и т.п.) между ними, могут иметь
различные типы повреждений. Можно выявить следующие дефекты, вызываемые ударным
воздействием:
Тип A - расслоение между слоями наружной обшивки из ПАУВ (пластика, армированного
углеродным волокном), параллельно поверхности
Тип B - отслоение наружной обшивки от сотового заполнителя
Тип C - трещина в сотовом заполнителе, параллельно контролируемой поверхности
Тип D - деформация заполнителя (смятие) в параллельных зонах
Тип E - отслоение внутренней обшивки от сотового заполнителя
Тип F - проникновение жидкости в сотовый заполнитель
Рис. 2: Возможные повреждения в композитной сэндвич-структуре
Решения и оборудование
Многорежимный акустический контроль клеевых соединений
Дефектоскоп Bondmaster 600 производства Olympus представляет собой многорежимный
ультразвуковой прибор для контроля качества клеевых соединений в многослойных
конструкциях из КМ. Прибор работает в разных режимах, включая
раздельно-совмещенный (Р-С), резонансный и режим MIA (анализ механического импеданса —
АМИ). Данный дефектоскоп уже давно используется для технического осмотра
самолетов, но в последние годы были разработаны новые методы контроля.
Рис. 3:BondMaster 600 производства Olympus
Раздельно-совмещенный режим используется для контроля сотовых конструкций
композитов. Передатчик посылает акустическую энергию в объект, а приемник
принимает сигнал. В случае контроля зоны с качественным клеевым соединением,
часть акустической энергии затухается компонентами структуры. Если
преобразователь расположен на участке с нарушением клеевого соединения,
количество энергии, вернувшейся к приемнику больше, поэтому амплитуда сигнала
меняется.
Рис. 4: Контроль клеевого соединения в раздельно-совмещенном режиме
Данная методика была разработана недавно для более точного выявления отслоения
(площадью 25 x 25 мм.), расположенного на противоположной стороне, под сотовым
заполнителем (толщиной 40 мм), аналогично дефекту типа E. Новый дифференциальный
преобразователь высокого напряжения специально разработан для сложного и
трудоемкого контроля самолетов Airbus. Этот блестящий результат разработок теперь
представлен в сервисном бюллетене Airbus.
Традиционный ультразвуковой контроль
Ультразвуковая дефектоскопия является самым широко используемым методом
контроля конструкций из КМ. В настоящее время на рынке представлен широкий
ассортимент ультразвуковых приборов. Как правило, ультразвуковая волна очень
хорошо распространяется в композитных многослойных структурах, что ускоряет
выявление аномалий. К сожалению, в сэндвичевых конструкциях ультразвуковые
сигналы сильно ослабляются по причине неоднородности и малой плотности основной
структуры. Соответственно, для контроля такого рода конструкций требуются
ультразвуковые дефектоскопы со специальным функциями.
В производственных условиях, контроль больших сэндвич-панелей выполняется в
теневом режиме: ультразвуковой луч с относительно высокой амплитудой проходит
через весь объект, а приемный преобразователь, расположенный на противоположной
стороне, измеряет затухание сигнала. Результаты обычно отображаются в виде C-скан
развертки. Данный метод является надежным и широко используется в отрасли. К
сожалению, для технического обслуживания данный метод не подходит, поскольку он
эффективен только при двустороннем доступе.
Тем не менее, ультразвуковой контроль позволяет выявлять отслоения внутреннего
и наружного слоя обшивки, наличие жидкости и смятие заполнителя. Необходимые для
этого низкочастотные преобразователи и функцию трассировки донного эхо-сигнала
следует использовать обдуманно. В случае расслоения в наружной обшивке или
отслоения наружного слоя обшивки от заполнителя наблюдается полное затухание
донного эхо-сигнала.
Недавно была разработана новая методика для обнаружения отслоения внутреннего
слоя обшивки от заполнителя. Эта методика использует преимущества
широкополосного преобразователя (1 МГц), который под воздействием мощного
прямоугольного импульса создает резонанс в зоне под преобразователем. Фильтр
приемника прибора настроен на толщину объекта и для работы на соответствующей
полуволне. Наличие отслоения уменьшает жесткость структуры, что изменяет
резонанс на продолжительную длинную волну, а резонансная частота уменьшается. По
причине этого феномена, отслоение (25 x 25 мм) на внутренней структуре вызывает
затухание донного эхо-сигнала на 6-12 дБ.
Рис. 5: Ультразвуковой резонансный метод
Ультразвуковой дефектоскоп EPOCH 650, характеризующийся импульсами высокого
напряжения, качеством прямоугольных импульсов и выбираемыми узкополосными
фильтрами – идеальный инструмент для данного метода контроля.
Рис. 6: Olympus EPOCH 650
Ультразвуковой контроль с применением фазированных решеток
Сравнительно новая технология ультразвуковых фазированных решеток также
претерпела значительные изменения и совершенствования. На рынке теперь доступен
широкий ассортимент портативных и простых в использовании приборов. В
руководствах по техническому обслуживанию авиастроительных компаний уже
ссылаются на OmniScan PA, используемого в самых разных приложениях, включая выявление
ударных повреждений в композитных многослойных структурах.
Для контроля таких структур применяется линейное сканирование. Прибор выполняет
линейное сканирование под углом 0°, охватывая широкую зону за один проход. В
комбинации с портативным сканером (например Glider) система отображает
результаты в виде C-скан развертки, что дает интуитивную карту инспектированных
зон. Использование сканера и С-скана повышает надежность и скорость контроля.
Рис. 7: Использование OmniScan PA и сканера GLIDER для контроля КМ
Портативный ручной прибор для инспекторской проверки на перроне
Было вложено немало усилий в создание новых методов и оборудования для НК, но по
мере увеличения доли композитов в конструкции самолетов все большую важность
приобретает задача быстрого осмотра самолета на наличие ударных повреждений во
время промежуточной стоянки в аэропорту. Поскольку специалисты НК присутствуют
не во всех аэропортах мира, были разработаны приборы для использования
непрофессионалами.
Специально созданный для проверки нового самолета Boeing 787 и других конструкций из КМ, 35RDC – простой в использовании ультразвуковой прибор для проведения
контроля по принципу Да/Нет. Прибор предназначен для использования линейным
техперсоналом, не обладающим специальными знаниями в области НК, с целью
выявления подповерхностных повреждений, вызванных ударным воздействием на
конструкции из ламинированных композитов (не сотовые конструкции). Данное
решение разработано и запатентовано Boeing, и основывается на уже известной
технологии импульс-эхо. 35RDC теперь упоминается в руководстве по ремонту
конструкции B787.
Рис. 8: Olympus 35RDC (Ramp Damage Checker – Инструмент первичной диагностики)
