復(fù)合材料制件拐角部位超聲檢測技術(shù)

何方成,王 錚,史麗軍

(北京航空材料研究院,北京100095)

復(fù)合材料制件拐角部位超聲檢測技術(shù)

何方成,王 錚,史麗軍

(北京航空材料研究院,北京100095)

復(fù)合材料在航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用不斷增加,制件的結(jié)構(gòu)形式越來越復(fù)雜,在很多復(fù)雜結(jié)構(gòu)中存在拐角部位,這些拐角部位的檢測給無損檢測帶來困難。通過對資料的分析和試驗(yàn),介紹了解決復(fù)合材料制件復(fù)雜結(jié)構(gòu)拐角部位無損檢測的方案和思路,并對比分析了各種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn),認(rèn)為超聲相控陣技術(shù)在未來復(fù)合材料拐角部位無損檢測上具有比較好的應(yīng)用前景。

復(fù)合材料;拐角;超聲檢測;超聲相控陣檢測

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,新材料、新結(jié)構(gòu)在航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加,炭纖維、玻璃纖維等纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料由于其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐疲勞性能好、耐腐蝕、便于整體成型等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的制造,在新型飛機(jī)結(jié)構(gòu)中所占比重不斷增加。同時(shí),為滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和降低復(fù)合材料制造成本的需要,越來越多的帽型和整體成型結(jié)構(gòu)被使用。這些復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用在提高產(chǎn)品性能的同時(shí),也給相應(yīng)的無損檢測技術(shù)提出了更高的要求。目前對于平板件和大曲率復(fù)合材料制件的無損檢測方法相對較為成熟,而采用一次固化整體成型和RTM等技術(shù)制作的復(fù)雜形狀制件,普遍存在拐角部位,不利于缺陷的檢測、定量和定位,給檢測帶來很大的困難。同時(shí)拐角大多是應(yīng)力集中部位,對缺陷的容忍度較小,且在制造過程中容易出現(xiàn)缺陷,因此對拐角部位的質(zhì)量控制非常重要[1]。為保證復(fù)合材料制件的使用安全,提供可靠的拐角部位無損檢測方法是十分必要的。

1 復(fù)合材料拐角部位的檢測難點(diǎn)

根據(jù)復(fù)合材料的成型工藝特點(diǎn),其拐角部位缺陷類型主要有分層、孔隙和夾雜等,缺陷取向多沿層間分布,超聲檢測是最適宜的檢測方法。由于形狀和空間尺寸的影響,對于拐角部位進(jìn)行超聲檢測存在一些難題:1)拐角部位曲率小,寬度窄,不利于超聲探頭的耦合;2)不能保證拐角各部位的入射聲束都與該部位表面垂直,影響檢測靈敏度;3)不能準(zhǔn)確地對缺陷大小進(jìn)行評定;4)對位于空腔內(nèi)的拐角部位,人手無法觸及,必須借助工裝才能使探頭到達(dá)進(jìn)行檢測,常出現(xiàn)信號不穩(wěn)定或不好判斷是否是缺陷的情況。典型復(fù)合材料拐角部位缺陷分布示意圖見圖1。圖2是實(shí)際 T型結(jié)構(gòu)拐角部位的缺陷解剖圖。

2 復(fù)合材料拐角檢測方法

隨著復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方對拐角要求的不斷提高,對拐角的無損檢測的要求也越來越高,不僅需要對開放的拐角進(jìn)行檢測,還要對空腔的拐角進(jìn)行檢測,同時(shí)要求無損檢測提供拐角內(nèi)缺陷的性質(zhì)、大小和位置等信息。針對復(fù)合材料制件拐角部位的檢測難點(diǎn)和檢測要求,目前國內(nèi)外通常使用的檢測方案主要有常規(guī)超聲檢測、陣列探頭超聲檢測和超聲相控陣檢測三種方法。

2.1 常規(guī)超聲檢測

(1)接觸式脈沖反射法[2]

這種檢測方法是通過加工特定形狀的楔塊或軟膜通過液體耦合使探頭與拐角接觸[2](見圖3),保證聲束有效進(jìn)入被檢件,解決了探頭與拐角的耦合問題,從拐角一側(cè)實(shí)施反射法檢測。其優(yōu)點(diǎn)是單一探頭檢測,結(jié)構(gòu)簡單,檢測成本低,操作容易,對人員素質(zhì)要求不高,通過設(shè)計(jì)小尺寸探頭和工裝可以對開放的內(nèi)外拐角實(shí)施檢測。缺點(diǎn)是不同尺寸的拐角需設(shè)計(jì)不同規(guī)格的楔塊,存在一定的檢測盲區(qū)。

(2)噴水式脈沖反射法[3]

這種檢測方法是通過設(shè)計(jì)加工特定形狀的噴嘴楔塊使探頭與拐角接觸[3](見圖4),通過噴水保證聲束從拐角一側(cè)有效進(jìn)入被檢件實(shí)施反射法檢測。其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對開放的內(nèi)外拐角實(shí)施檢測,對不同尺寸的拐角適應(yīng)性較好,通過探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)拐角的檢測。缺點(diǎn)是噴水的楔塊設(shè)計(jì)和制作較為復(fù)雜,存在一定的檢測盲區(qū)。

圖3 直接接觸式脈沖反射法Fig.3 Ultrasonic testing contact with film

圖4 噴水式脈沖反射法Fig.4 Ultrasonic testing contact with water

(3) 噴水式穿透法[3、5]

這種檢測方法是通過設(shè)計(jì)加工兩個(gè)特定的噴水探頭[4](見圖5),調(diào)整兩個(gè)探頭的位置,確保拐角一側(cè)探頭發(fā)出的聲波通過噴出的水柱穿透被檢件后被另一側(cè)探頭接收,通過監(jiān)控接收信號的衰減程度來評價(jià)制件的好壞。其優(yōu)點(diǎn)是沒有檢測盲區(qū),可以實(shí)現(xiàn)對開放的內(nèi)外拐角實(shí)施檢測,對不同尺寸的拐角適應(yīng)性較好。缺點(diǎn)是噴水探頭設(shè)計(jì)和制作較為復(fù)雜,操作較復(fù)雜,對人員素質(zhì)要求較高。

圖5 噴水式穿透法Fig.5 Ultrasonic testing penetrated with water

綜合上述拐角的常規(guī)超聲檢測方法,主要借助簡單工裝在拐角部位實(shí)現(xiàn)超聲波反射或穿透檢測,多為手動(dòng)檢測,由于探頭聲束截面小,檢測的范圍窄,對拐角部位尤其是曲面較大的拐角進(jìn)行檢測時(shí),需要調(diào)節(jié)探頭角度,使入射聲束與拐角不同曲率部位垂直進(jìn)行多次掃查,或沿拐角圓弧面進(jìn)行掃查[2](圖6),檢測效率低;探頭與被檢件不同曲率部位的垂直度需要靠人為調(diào)節(jié),準(zhǔn)確性低;由于探頭晶片直徑小,探頭稍有晃動(dòng)聲波就不能有效的進(jìn)入被檢件中,耦合不穩(wěn)定對缺陷的定位和定量不準(zhǔn)確。

圖6 常規(guī)超聲檢測掃查方式Fig.6 Scan mode for ultrasonic contract with probe

2.2 陣列探頭超聲檢測

陣列探頭超聲檢測是采用多個(gè)探頭形成探頭陣列,通過多通道超聲儀器同時(shí)激發(fā)探頭進(jìn)行超聲檢測的方法。對于拐角檢測,可根據(jù)拐角的尺寸特點(diǎn),在拐角截面的不同部位布置多個(gè)超聲探頭,形成與拐角部位曲率相近的探頭陣列,使各探頭聲束之間存在一定相互交叉覆蓋,并保持拐角各部位的聲束垂直入射,通過水浸或噴水耦合,運(yùn)動(dòng)整個(gè)探頭陣列一次掃查即可完成整個(gè)拐角的檢測,獲得缺陷在拐角的分布信息(見圖7)。該種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化檢測并可實(shí)現(xiàn)拐角缺陷的超聲A,C成像掃描,檢測結(jié)果穩(wěn)定,效率高。但陣列探頭的布置和機(jī)械系統(tǒng)較復(fù)雜,且每種規(guī)格的探頭陣列只能適應(yīng)相應(yīng)規(guī)格的拐角檢測,對開放的拐角容易實(shí)施檢測,適用性有一定的局限,探頭的通道多,對儀器和軟件的要求較高,使得檢測成本較高。

2.3 超聲相控陣檢測

近年來發(fā)展起來的超聲相控陣檢測技術(shù)是一種新型超聲檢測技術(shù)。其核心硬件由超聲相控陣儀和相控陣探頭組成。相控陣探頭由多個(gè)晶片組成,每個(gè)晶片可以單獨(dú)發(fā)射、接收超聲波聲束。通過軟件控制超聲相控陣儀激發(fā)探頭各晶片發(fā)射、接收超聲波,實(shí)現(xiàn)聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)[5]。使原來常規(guī)超聲需要移動(dòng)探頭完成的掃查,在一定范圍內(nèi)可以通過各晶片聲束的電子掃描完成,根據(jù)被檢件的形狀和檢測要求,設(shè)計(jì)不同形狀的探頭和聲束掃描計(jì)劃,可以實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜零件部位的檢測[6-9]。對于拐角部位,同一個(gè)相控陣探頭可以通過更換楔塊實(shí)現(xiàn)對一定尺寸范圍的拐角檢測,包括內(nèi)拐角和外拐角[10]。目前已有公司可以生產(chǎn)多種拐角相控陣探頭和楔塊(見圖8)。

圖7 曲面陣列探頭超聲檢測Fig.7 Ultrasonic test with bent array probe

圖8 拐角相控陣探頭Fig.8 Phased array probe for testing corner

使用相控陣技術(shù)檢測復(fù)合材料拐角,可通過設(shè)計(jì)適合典型拐角尺寸的超聲相控陣探頭,保證聲束在拐角每個(gè)部位與平面檢測一樣直接入射,并與相控陣儀器組成檢測系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)拐角缺陷的可視化檢測(見圖9)。拐角檢測與平面檢測最大的不同是對缺陷大小的評定方法,由于拐角帶有曲率,對其中缺陷的評定需要考慮拐角曲率半徑,相控陣探頭曲率半徑,被檢件厚度,缺陷所在深度和拐角檢測方式(外拐角還是內(nèi)拐角),圖10給出了相控陣探頭檢測內(nèi)、外拐角時(shí),對內(nèi)部缺陷大小的換算方法[11]。

圖9 拐角超聲相控陣檢測系統(tǒng)Fig.9 Phased array testing system used for the corner

圖10 相控陣檢測內(nèi)、外拐角中缺陷換算示意圖Fig.10 Sketch map of computing defect size in the inner and outer corner using phased array technology

采用相控陣檢測技術(shù)對復(fù)合材料拐角部位進(jìn)行檢測的優(yōu)點(diǎn):1)針對被檢件拐角部位設(shè)計(jì)的相控陣探頭可以很好地實(shí)現(xiàn)探頭與被檢件的耦合問題;2)通過圖像計(jì)算可準(zhǔn)確測量缺陷大小;3)可以實(shí)現(xiàn)一次多角度掃查,對不同部位及取向的缺陷均有垂直入射的聲束對其進(jìn)行檢測,保證檢測的均勻性和可靠性;4)可以同時(shí)進(jìn)行A掃描波形、B掃描圖像、C掃描圖像顯示,實(shí)現(xiàn)拐角的可視化檢測[11](見圖11);5)一種探頭能夠適應(yīng)一定尺寸范圍的拐角檢測。缺點(diǎn)是相控陣儀器和探頭比較昂貴,對使用人員要求高,相控陣探頭組件尺寸大,不利于對空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)拐角實(shí)施檢測。

圖11 拐角超聲檢測A,B,C掃描圖Fig.11 Inspection results on a composite corner sample with A-scans,B-scans,C-scans

3 幾種拐角檢測方法的比較

綜合上述介紹的三種常用拐角超聲檢測方法,從適用范圍、定量、復(fù)雜程度等方面對比見表1。對于定量精度、檢測效率要求不高的開放拐角檢測,比較容易實(shí)現(xiàn)的是接觸式反射法;對于定量精度、檢測效率要求不高的開放式或空腔式拐角,推薦使用噴水式反射法,同時(shí)兼顧考慮開放式拐角的檢測;對于深度方向缺陷檢測盲區(qū)要求高,定量精度、檢測效率要求不高的開放拐角檢測,可以使用噴水式穿透法檢測;對于同規(guī)格大批量開放式拐角檢測,采用陣列探頭超聲檢測,通過高投入實(shí)現(xiàn)高效檢測;兼顧考慮開放式和空腔式拐角的檢測,同時(shí)對缺陷在拐角分布的信息要求準(zhǔn)確的情況,可以通過高投入用幾種規(guī)格相控陣探頭,實(shí)現(xiàn)覆蓋一定尺寸范圍的拐角檢測。

表1 不同拐角檢測方法的比較Table 1 Comparison with different testing technique for the corner

4 結(jié)束語

研究復(fù)合材料拐角部位的檢測技術(shù),對保障復(fù)合材料制件的質(zhì)量,保證飛機(jī)安全具有重要意義。拐角部位由于其特殊的結(jié)構(gòu)特性,采用常規(guī)手工超聲檢測方法存在靈敏度不穩(wěn)定、人為因素影響大、檢測效率低等問題,超聲探頭陣列檢測拐角部位存在探頭組件復(fù)雜、尺寸大,探頭調(diào)整困難,不適合對空腔結(jié)構(gòu)拐角的檢測等缺點(diǎn)。采用相控陣檢測技術(shù)對復(fù)合材料制件拐角結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,具有靈敏度穩(wěn)定,適用性強(qiáng),成像直觀,人為因素影響小,檢測效率高等優(yōu)點(diǎn),具有很好的應(yīng)用前景。

[1] ROACH D,WAL KINGTON P.Use of focused pulse-echo ultrasonic for nondestructive inspection of thick carbon-carbon structures[J].Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2006,48(12):743-750.

[2] GRIPP S,MARTY P,UNGERER D.Advances in industrial testing machines for the automated inspection of aerospace components[A].2ndInternational Symposium on NDT in Aerospace 2010[C/OL].[2011-1-30].http://www.ndt-aerospace.com.

[3] FORSYTH D,GEHLEN M,GUTHRIE J.The air force nondestructive inspection improvement program[A].2010 ATA NDT Forum[C/OL].[2011-1-28].http://www.airlines.org/SafetyOps/ EM/ Documents/2010%20NDT% 208%20Air%20Force%20NDT%20Inspection%20 Improvement.pdf.

[4] IGCAR E,ACOUSTORAPHY K.Acousto-Optical(AO)ultrasonics&its applications[A].International Workshop on Imaging NDE[C/OL].[2010-12-30].http://www.igcar.ernet.in/events/inde2007/INDE%20presentations/Dr.D.S.Dulay-Acoustography.pdf.

[5] 美國無損檢測學(xué)會(huì).美國無損檢測手冊超聲卷(上冊)[M].美國無損檢測手冊譯審委員會(huì)譯.上海:世界圖書出版公司,1996.

[6] RAU E,GRAUVOGL E,MANZKE H.Ultrasonic phased array testing of complex aircraft structures[A].ECNDT(2006)[C/OL].[2010-12-20].http://www.ndt.net/article/ecndt2006/doc/Tu.1.1.2.pdf.

[7] LAMARRE A,DUBE N.Feasibility study of ultrasonic inspection of turbine blade root using phased array probes[J].Non-Destructive Testing and Condition Monitoring,2000,42(9):586-589.

[8] KRAMB A.Use of phased array ultrasonics for automated aerospace testing applications[J].Materials Evaluation,2007,65(26):67-73.

[9] HUANGJ,QUE W,J IN J.A parametric study of beam steering for ultrasonic linear phased array transducer[J].Russian Journal of Nondestructive Testing,2004,40(4):254-259.

[10] ITHURRALDE G,EADS C.Advanced Functions of PAUT(Phased Arrays for Ultrasound Testing)in Aeronautics[A].ECNDT(2006)[C/OL].[2010-12-20].http://www.ndt.net/article/ecndt2006/doc/Tu.1.1.3.pdf.

[11] HABEMEHL J,LAMARRE A.Ultrasonic phased array tools for composite inspection during maintenance and manufacturing[A].17th World Conference on Nondestructive Testing[C/OL].[2010-1-30].http://www.ndt.net/article/wcndt2008/papers/116.pdf.

Ultrasonic Testing Technique for the Inspection of Defects in the Corner of Composites

HE Fang-cheng,WAN G Zheng,SHI Li-jun
(Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Composite material is using in the fields of aviation and aerospace more and more widely.The structure of the composite material is becoming more and more complexly.Corner is one of the complex structures in the composite material parts.Such structure brings new question and challenge for nondestructive testing.Some NDT methods to solve the problem of testing the corner of the composites are introduced in this article,based on the information at home and abroad.The advantage and shortcoming of all kinds of NDT methods for the corner of composites are analyzed.The ultrasonic phased array technology is recommended that can be widely used in the future for testing the corner of composites.

composite;corner;ultrasonic test;ultrasonic phased array

TB5

A

1001-4381(2011)07-0080-05

2011-01-05;

2011-05-05

何方成(1971—),男,高級工程師,從事航空材料及制件的無損檢測研究工作,聯(lián)系地址:北京81信箱6分箱(100095),E-mail:fangcheng.he@biam.ac.cn