Olympus Logo
Olympus LogoOlympus Logo
多媒体
应用注释
返回到资源库

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

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

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

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

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

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


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 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并在后来获得了专利的概念,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)

Olympus IMS

Products used for this application


35RDC

35RDC是一款简单的Go/No-Go(通过/未通过)超声检测仪,用于探测航天器材复合结构因受到撞击而在近表面处形成的缺陷。带有背光液晶显示屏,在近表面处未发现损伤时会显示GOOD字样,在探测到近表面处的缺陷时会显示BAD字样。

BondMaster 600NEW

便携式BondMaster 600将多模式粘接检测软件与高级数字式电子设备一起使用,可以对蜂窝结构和分层结构的复合材料以及金属分层粘接的材料进行高性能无损检测。

GLIDER(滑动)扫查器

GLIDER(滑动)扫查器是一款用于对平面或稍微弯曲的复合材料表面进行手动检测的双轴编码扫查器。这款由吸盘支撑的扫查器非常适合于光栅扫查。这款扫查器使用涡流阵列、涡流、超声、相控阵技术。

OmniScan MX PA

OmniScan PA可进行手动和自动相控阵检测。这款仪器具有以下功能:全功能A扫描、B扫描、S扫描和C扫描显示,以及高级实时数据处理。可配置为16:128晶片、16:16M、16:64M、32:32和32:128。

OmniScan MX2

OmniScan MX2现在不仅可以与带有一个UT通道的新型相控阵模块(PA2)及一个用于TOFD(衍射时差)检测的新型双通道常规超声模块(UT2)配套使用,还可以使用新的软件程序。这些软件程序更进一步提高了业已极为成功的OmniScan MX2平台的性能。

OmniScan SX

轻便的单组Omniscan SX仪器装有一个方便用户阅读的8.4英寸(21.3厘米)触摸屏,可提供性价比极高的检测解决方案。Omniscan SX仪器有两个型号:SX PA和SX UT。SX PA是一款16:64PR 仪器,与仅利用UT技术的SX UT一样,也配备了一个常规UT通道,用于脉冲回波(P/E)、一发一收(P-C)或衍射时差(TOFD)检测。
Sorry, this page is not available in your country