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    對飛機的復合材料進行無損粘接檢測

    發布時間: 2021-03-26 14:26:45      作者:      來源:

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    應用

    要保證航天飛機的復合材料結構在整個在役過程中的完整性,材料的完好粘接狀態至關重要。為此,我們開發了用于在維護過程中評估材料粘接質量的無損檢測(NDT)方法。這則應用注釋回顧了近為提高檢測的可靠性而開發的多種方法。

    背景

    目前在飛機制造過程中對復合材料的使用急劇增長。各大主要機身制造商,如:波音(Boeing)和空中客車(Airbus),在他們各自的商業飛機制造中,已經較大地增加了對復合材料的使用。Boeing 787的整個機身幾乎都是由復合材料制成,而Airbus A380和A350也添加了大量的復合材料結構。支線和商用噴氣式飛機制造商在制造各自的飛機時,也增加了對復合材料的使用。在飛機的制造上,也出現了同樣的復合材料使用增長的現象,如:F22戰斗機和A400運輸機。
    由于飛機的結構很容易受到撞擊和雷擊,因此需要使用一些可靠有效的無損檢測方式(NDT),對飛機受到撞擊后可能出現的損傷進行快速評估。這些由世界各地的NDT檢測人員所使用的方法和儀器,一定要簡單好用,以確保在飛機的維護核查過程中,獲得一致性的檢測結果。
    飛機受到撞擊后,可能會使其復合材料結構出現不同類型的損傷。損傷的情況會根據復合材料部件的特性、組成材料及密度而不同。復合材料層壓結構受到撞擊后產生的缺陷,主要是機身的各種層壓材料之間以及與機翼蒙皮之間的分層缺陷。不過撞擊也會引起蒙皮與加強筋之間的脫粘。這種脫粘情況會傷害飛機結構的完整性。B787型和A350型飛機的機身主要為層壓結構。
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    圖1:層壓結構的分層缺陷
    在層壓碳皮之間的帶有蜂窩夾芯(NOMEX等)的復合材料夾層結構中,撞擊結果會表現為不同類型的損傷。在飛機遭到撞擊后,可能會出現以下缺陷:
    A型:平行于表面的外部CFRP蒙皮的多層材料之間出現分層缺陷
    B型:外側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
    C型:平行于檢測表面的蜂窩芯出現裂紋
    D型:平行區域的蜂窩芯被碾碎
    E型:內側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
    F型:蜂窩芯中有流體侵入
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    圖2:復合材料夾層結構中的損傷

    解決方案和設備

    多模式聲學粘接檢測
    奧林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一發一收模式、機械阻抗分析(MIA)和諧振檢測方式對復合材料進行檢測的多模式超聲粘接檢測儀器。很久以前這款儀器就用于對大多數現有的飛機進行檢測,只是近又開發出了借助這款儀器完成的新的檢測方式。
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    圖3:奧林巴斯的BondMaster 600
    一發一收模式用于檢測帶有蜂窩結構的復合材料。發射器將聲能傳送到工件內,然后,接收器再接收反射回來的聲能。在粘接完好的條件下,部分聲能由于蜂窩結構的吸收而產生衰減。當探頭被放置在脫粘區域上時,返回到接收器的聲能會變得很大,并會引起波幅的變化。

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    圖4:粘接檢測的一發一收模式
    這項技術近得到了優化調整,可以可靠地探測到位于40毫米厚的蜂窩結構以下遠端的(面積為25毫米× 25毫米)脫粘缺陷,如:E型缺陷。針對困難且費時的空中客車(Airbus)飛機的檢測,我們專門設計了一種新式差分高電壓探頭。在空中客車的維護公告中,現在記載著使用這種探頭檢測所獲得的非同尋常的結果。
    常規超聲檢測
    超聲技術是在檢測復合材料結構時使用的為普遍的一種技術。如今已經開發了各種各樣的用于復合材料檢測的超聲儀器。一般來說,超聲波可以在復合材料層壓結構中很好地傳播,而且可以相當容易地探測到異?,F象。不過,在檢測夾芯結構時,超聲波會因為內芯結構的不均勻性和低密度性,而得到較大的衰減。因此,利用超聲技術對夾芯結構進行的檢測,要求儀器具有更多的功能。
    在制造環境中,大型夾芯平板工件可以通過穿透方式得到檢測。在這種穿透檢測過程中,相對較高波幅的超聲波被發送到工件,并穿過工件,然后位于工件另一側的接收探頭再對信號的衰減程度進行測量。所得到的結果一般表現為C掃描圖像。這種技術已經得到普遍地應用,而且非??煽?。但是,這種技術不能用于維護環境中,因為我們不可能從飛機結構的兩側接觸到需要檢測的部位。
    不過,我們可以通過超聲技術,探測到飛機內側和外側蒙皮的脫粘缺陷,流體侵入情況,以及夾芯碾碎的情況。在這類檢測中,要使用低頻探頭和底面信號的功能,而且要以一種非常聰明的方式使用這些設備和功能。外側蒙皮的分層缺陷,以及外側蒙皮與夾芯之間脫粘的缺陷,表現為底面回波信號得到完全衰減的特性。
    近開發的一項技術可以探測出內側蒙皮和夾芯之間的脫粘缺陷。這個技術要使用一種寬帶寬的1 MHz探頭。當這個探頭被一個強大的方波脈沖激勵時,會在探頭下方的結構中產生諧振。儀器的接收器濾波器被調節到被檢結構的厚度,并在相應的半波長條件下發揮作用。脫粘情況會降低結構的硬度,會使諧振轉換到更長的波長,因此會使諧振的頻率降低。內部結構中的一個25毫米× 25毫米的脫粘缺陷會因此使底面回波信號的衰減從6 db增加到12 db。
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    圖5:超聲諧振技術原理
    具有高電壓脈沖、方波脈沖,以及可選窄帶濾波器的EPOCH 650超聲探傷儀是應用這項技術的儀器。
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    圖6:奧林巴斯的EPOCH 650

    相控陣超聲檢測
    近,諸如超聲相控陣的一些新技術也得到了發展?,F在市場上還出現了易于使用的便攜式儀器。在飛機制造商的維護手冊中已經提及了可用于各種檢測應用的OmniScan PA儀器,所提及的應用包含探測復合材料層壓結構中的撞擊損傷。
    在檢測這種結構時,需要使用儀器的線性掃查功能。儀器使用零度線性掃查功能時,通過一次掃查就可以覆蓋大面積的區域。這種儀器與便攜式掃查器一起使用時,如:Glider,可以在C掃描圖像中顯示檢測結果,從而為用戶提供了一種被檢結構的映射圖像。通過使用掃查器,并借助圖像功能,增加了檢測的可靠性,并提高了檢測速度。
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    圖7:用于復合材料檢測的奧林巴斯的OmniScan PAGLIDER
    借助活動梯使用的手持式損傷檢測儀
    在NDT技術人員投入了大量的精力,開發出超聲檢測的新式方法和新型儀器的同時,(由于飛機制造越來越多地使用復合材料結構,)也需要對降落到機場并等待起飛的飛機,快速進行檢查,以發現飛機是否有因撞擊而造成的損傷。由于不是全球每個機場都配備有無損檢測技術人員,因此這類儀器的設計目的是由非技術人員使用,探測出可能因撞擊而引起的分層缺陷。
    35RDC是一款簡單的go/no-go(快速確定產品合格/不合格)的超聲儀器,用于檢測新式波音787飛機以及其它復合材料結構。這款儀器可以由未受到NDT培訓的人員使用,以探測出堅固的層壓結構(非蜂窩結構)的近表面的撞擊損傷。這個由波音公司開發并在后來獲得了專利的概念,基于已經發展成熟的脈沖/回波技術。35RDC儀器在B787結構修復數據文件中被提及。
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    圖8:奧林巴斯的35RDC(借助活動梯對機身損傷進行檢測的儀器)

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