使用C-掃描方法檢測(cè)GLARE層板缺陷

陳舸聶琦馬宏毅（西安飛機(jī)公司 陜西 西安，70089 ；西安飛機(jī)公司測(cè)試中心，陜西 西安 70089；北京航空材料研究所，北京 00095）

使用C-掃描方法檢測(cè)GLARE層板缺陷

陳舸1聶琦2馬宏毅3
（1西安飛機(jī)公司 陜西 西安，710089 ；2西安飛機(jī)公司測(cè)試中心，陜西 西安 710089；3北京航空材料研究所，北京 100095）

GLARE層板是由鋁合金和玻璃纖維復(fù)合材料膠接疊合而成，制造之后可能出現(xiàn)空腔、分層、氣泡等缺陷。本文通過(guò)預(yù)埋缺陷的方式建立C掃描的標(biāo)準(zhǔn)試樣，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)零件進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明C掃描可以發(fā)現(xiàn)零件中的空腔、分層、氣泡等缺陷。

GLARE層板；無(wú)損檢測(cè)；C掃描

1 概述

纖維鋁合金層板是一種高性能、低成本的航空用先進(jìn)材料，用于飛機(jī)蒙皮的制造，改善其損傷容限特性，提高抗疲勞性能，同時(shí)具有導(dǎo)電、抗雷擊的性能，能夠提升飛機(jī)的生存能力和競(jìng)爭(zhēng)力，滿足未來(lái)飛機(jī)高速、長(zhǎng)壽、安全的需求，通常用于小曲率的壁板類零件［1］。它利用膠接技術(shù)將各向同性的金屬薄板與各向異性的纖維復(fù)合材料結(jié)合起來(lái)，可以得到兼具二者優(yōu)點(diǎn)、并克服各自缺點(diǎn)的新型結(jié)構(gòu)材料——纖維鋁合金復(fù)合層板膠接結(jié)構(gòu)，基于芳綸纖維的復(fù)合層板稱為ARALL結(jié)構(gòu)，基于玻璃纖維的復(fù)合層板稱為GLARE結(jié)構(gòu)。GLARE層板通常采用3-2結(jié)構(gòu)，即采用3層鋁合金和2層復(fù)合材料疊加，這樣有效地發(fā)揮了復(fù)合材料和金屬的特性，形成新型金屬-復(fù)合材料結(jié)構(gòu)［2］ ［3］。

GLARE層板在A380上的應(yīng)用約為飛機(jī)總重量的3%［4］ ［5］，是制造機(jī)身蒙皮的主要材料，見(jiàn)圖1。

GLARE層板在生產(chǎn)制造過(guò)程中存在無(wú)損檢測(cè)的問(wèn)題［6］［7］。一方面由于沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，現(xiàn)行沒(méi)有無(wú)損檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)；另外一方面GLARE層板的缺陷檢測(cè)同其它復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別，不能套用樹(shù)脂基復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)方法。由于GLARE材料中存在金屬結(jié)構(gòu)，在無(wú)損設(shè)備上的反射、透射特征存在明顯的差異。樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于導(dǎo)電性差、熱導(dǎo)低、聲衰減高等特點(diǎn)，在力學(xué)和物理性能方面呈顯著的各向異性，這使其對(duì)作為無(wú)損檢測(cè)主要手段的波的傳播所起波的作用與金屬材料不同，檢測(cè)問(wèn)題也與金屬不同。由于GLARE層板結(jié)合了復(fù)合材料和金屬的雙重特性，使得無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果與非金屬?gòu)?fù)合材料的結(jié)果完全不一致。因此，探索一種適合GLARE層板的無(wú)損檢測(cè)方法是十分必要的。

在常用復(fù)合材料的生產(chǎn)中，通常根據(jù)缺陷的類型確定無(wú)損檢測(cè)的方法。根據(jù)缺陷狀況的不同，復(fù)合材料中采用的無(wú)損檢測(cè)方法也不同。對(duì)于氣孔、夾雜、分層、纖維斷裂或呈波浪形，纖維和樹(shù)脂的比值不正確，纖維和基體的結(jié)合狀況不佳，樹(shù)脂疏松，裂紋，固化狀態(tài)不佳等缺陷，需檢測(cè)復(fù)合材料構(gòu)件特有的缺陷，不能簡(jiǎn)單地引用金屬材料的無(wú)損檢測(cè)方法；而對(duì)于脫粘，橫向斷裂，龜裂，缺膠，膠層厚度不均勻，結(jié)構(gòu)件內(nèi)部損傷，通常表現(xiàn)為損害復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的整體完整性，可以借鑒金屬材料、尤其是金屬膠接結(jié)構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)方法。

圖1 GLARE層板在A380飛機(jī)上的應(yīng)用

圖2 GLARE試板的C掃描圖　

圖3 試樣上5MHz測(cè)厚探頭的缺陷位置波形

使用超聲檢測(cè)復(fù)合材料缺陷時(shí)，引起超聲衰減的三個(gè)來(lái)源是樹(shù)脂基體的粘彈性影響、材料的非均質(zhì)性和氣孔、分層等內(nèi)部缺陷。GLARE層板的制造工藝一旦標(biāo)準(zhǔn)化，影響衰減的主要因素只是金屬材料、纖維增強(qiáng)材料中微氣孔和分層，但因分層會(huì)產(chǎn)生幅度較高的獨(dú)立回波，故易與氣孔和金屬材料區(qū)分。同時(shí)，通過(guò)監(jiān)視熱壓罐溫度可以獲得完善的固化，以免出現(xiàn)不易與氣孔判別的衰減信號(hào)。

根據(jù)GLARE層板的制造過(guò)程、產(chǎn)品特性，可以總結(jié)出制件中通常包含的缺陷包括：脫粘、分層、夾雜、富膠、缺膠等。這些缺陷對(duì)應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)方法是超聲檢測(cè)。對(duì)于包含不均勻材料，如蜂窩芯等，使用射線的方法具有優(yōu)越性，而在GLARE層板的結(jié)構(gòu)中，并不包含夾芯材料，故在射線結(jié)果中呈現(xiàn)大致均勻的顏色。因此不能使用射線的方法檢測(cè)GLARE層板。振動(dòng)由于靈敏度的問(wèn)題，也只能作為零件制造過(guò)程中自檢的手段?；诟鞣N無(wú)損檢測(cè)方式的特點(diǎn)，檢測(cè)分層、脫粘和氣泡最好的方式是C掃描。

國(guó)外的資料表明GLARE層板大量使用了超聲的方法檢查缺陷［8］。同時(shí)，直觀的掃描結(jié)果、大量的自動(dòng)化C掃描設(shè)備使批量生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的效率提高，這也是C掃描應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

圖4 帶形狀試樣C掃描圖

圖5 對(duì)比試樣的掃描圖（同一塊試板，不同顯示比例）

圖6 帶缺陷零件掃描圖

2 試板的C-掃描試驗(yàn)

GLARE層板試板在制造過(guò)程中，使用了三層鋁合金，兩層預(yù)浸料，與零件制造一致。在單獨(dú)的鋁合金和預(yù)浸料內(nèi)部，缺陷可以在制造之前可以檢測(cè)出來(lái)，各層之間的界面才是制造過(guò)程中的主要缺陷產(chǎn)生源頭。因此，制造過(guò)程中的缺陷主要表現(xiàn)為分層、脫粘、和氣泡，區(qū)域?yàn)轭A(yù)浸料和鋁合金膠接界面上。缺陷使得膠接面積減少、預(yù)浸料和鋁合金界面形成尖角，導(dǎo)致的結(jié)果為層間強(qiáng)度降低，尖角部分應(yīng)力增大，形成疲勞破壞源［10］［11］，也是材料降解引起部件性能降低的高發(fā)區(qū)域［12］。

在試樣制造中，缺陷分別放置于第二層預(yù)浸料與金屬接觸面上、第四層預(yù)浸料中間、第四層預(yù)浸料與第五層金屬之間。缺陷尺寸為直徑3mm和5mm兩種，人工缺陷分別放置于纖維與纖維之間，纖維與鋁板之間，采用聚四氟乙烯膜0.1mm雙膜制作分層缺陷，單膜模擬脫粘缺陷。按照與零件固化同樣的工藝制造試板。

對(duì)試板進(jìn)行C掃描檢測(cè)時(shí)，使用的設(shè)備型號(hào)是SDI5420，探頭頻率5MHz。在檢測(cè)過(guò)程中，將對(duì)比試樣中完好部位穿透信號(hào)幅度調(diào)至至少達(dá)到滿屏幕刻度的80%，保證Φ3mm人工缺陷可以清晰顯示，將此時(shí)探傷儀增益作為檢測(cè)靈敏度。同時(shí)，選擇Φ6mm水套，調(diào)整水套，同時(shí)保證探頭和試樣垂直，確保穿透信號(hào)幅度最高?？梢哉{(diào)整水距及水流速度，使穿透信號(hào)穩(wěn)定。設(shè)備的掃查間距是1mm米，步進(jìn)間距為1mm，掃查速度：不大于110mm/s。試板掃查之后的圖像見(jiàn)圖2。

從GLARE試板的缺陷圖中可以看出，C掃描可以清晰顯示3mm的分層缺陷和脫粘缺陷，但不能區(qū)分兩種缺陷。并且各層之間缺陷對(duì)比不明顯，無(wú)法判定缺陷在第幾層，也不能區(qū)分缺陷在預(yù)浸料內(nèi)部，或者在預(yù)浸料和金屬界面之間。膠粘劑和纖維在反射強(qiáng)度方面略有不同，試板上顏色的深淺，反映出纖維與膠粘劑的對(duì)比，因此，通過(guò)顏色的深淺，可以看出纖維的方向。

實(shí)際上分層和脫粘的缺陷為航空零件產(chǎn)品中需要甄別的主要缺陷。最小尺寸為3mm的分層、脫粘、夾雜符合航空零件生產(chǎn)中的檢驗(yàn)要求。

為了驗(yàn)證C掃描設(shè)備掃查的缺陷，使用A掃EPOCH 1000型設(shè)備對(duì)缺陷部位進(jìn)行了驗(yàn)證。由于采用5MHz平探頭分辨力較差，由于材料衰減較大無(wú)法獲得底反射回波，因此采用常規(guī)接觸法探頭無(wú)法對(duì)制件進(jìn)行超聲波檢測(cè)。因此，考慮采用5MHz測(cè)厚用探頭，測(cè)厚探頭的表面分辨力較好，A顯示波形如下圖3所示。

在A掃設(shè)備上，若異常信號(hào)沿著纖維鋪層方向分布，成條狀分布，且穿透信號(hào)低于滿屏幕刻度55%高于20%的信號(hào)判定為密集孔隙類缺陷；若缺陷呈面積狀分布，且幅度低于滿屏幕刻度的20%，應(yīng)判定為分層和脫粘類缺陷。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用測(cè)厚探頭可以獲得清晰的底反射回波，通過(guò)監(jiān)控底反射回波可實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊形狀部位的超聲波檢測(cè)。

因此，在GLARE層板的超聲波檢測(cè)過(guò)程中，由于鋁板容易被接觸法探頭劃傷，在允許的情況下盡量采用穿透法進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于特殊形狀部位無(wú)法進(jìn)行穿透法檢測(cè)的，可采用測(cè)厚探頭實(shí)施接觸法檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)應(yīng)在探頭上粘上藍(lán)膠帶等材料，防止探頭劃傷構(gòu)件表面。

缺陷的識(shí)別是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究的關(guān)鍵，對(duì)于玻璃纖維-鋁合金層板從工藝角度分析，可能出現(xiàn)的缺陷包括：鋁板與纖維之間的脫粘、纖維之間的分層、夾雜物以及樹(shù)脂造成的彌散性缺陷等幾類。脫粘及分層從A顯示信號(hào)可以識(shí)別，可以針對(duì)夾雜物和彌散性缺陷分別制作試樣。對(duì)于夾雜類缺陷，選用了工作現(xiàn)場(chǎng)可能的外來(lái)物，特別是金屬夾雜物。下圖是應(yīng)用鋁箔和聚乙烯薄膜制造的不同形狀的缺陷，包括三角形、正方形、圓形、以及不規(guī)則形狀的金屬夾雜。其中圓形缺陷的尺寸最小，直徑只有5mm。C掃描圖像清晰，完全符合缺陷試樣的制造要求。

從C掃描圖像上可以看出，玻璃纖維-鋁合金層板中可能的外來(lái)無(wú)超聲檢測(cè)時(shí)顯示清晰的輪廓，因此可將此作為夾雜物檢測(cè)的識(shí)別依據(jù)之一，對(duì)于難于確定的顯示，可采用X射線法作為輔助檢測(cè)手段。但是X射線只能判斷夾雜物，特別是具有一定厚度的夾雜物判定手段。

3 生產(chǎn)零件的C-掃描試驗(yàn)

為了驗(yàn)證C掃描在批生產(chǎn)模式中滿足零件測(cè)試的要求，本文選用了生產(chǎn)中帶缺陷零件進(jìn)行C掃描試驗(yàn)。零件是吊掛上的蒙皮板，尺寸為2.3m×2.1m，帶有雙曲面外形。由于測(cè)試試板的試驗(yàn)設(shè)備SDI 5420尺寸較小，不能滿足零件2.3m×2.1m掃描的要求，因此換用大型C掃描設(shè)備噴水穿透C掃描設(shè)備S647進(jìn)行零件掃描。同時(shí)將對(duì)比試樣同時(shí)進(jìn)行掃描。對(duì)比掃描的結(jié)果與實(shí)際零件的差異。圖5和圖6分別是試板和零件的掃描圖。

從零件掃描圖樣上可以看出，缺陷位置位于上端中間和下端中間的位置，從圖中可以看出明顯楔形缺陷。這與零件厚度檢測(cè)中取得的數(shù)據(jù)是一致的。圖中不能分辨出預(yù)浸布的痕跡，但是可以看出單向帶的條紋。這點(diǎn)與試板檢測(cè)的結(jié)果一致，能夠相互對(duì)應(yīng)。

圖中的缺陷是由于固化過(guò)程中工裝上楔形分壓作用而產(chǎn)生的缺陷。在楔形周邊，由于受壓，產(chǎn)生了特別薄的膠層，而在在楔形內(nèi)部，由于缺少貼合壓力，產(chǎn)生了富膠，或者分層缺陷。其它的部位各層貼合良好，圖中顏色基本一致。

取得C掃描結(jié)果之后，將帶缺陷零件破壞、剝離表面金屬層，C掃描圖中與零件缺陷位置能夠完全對(duì)應(yīng)：圖中楔形缺陷淺色部分為缺膠區(qū)域，深顏色部分為富膠區(qū)域，其余部分零件厚度正常，沒(méi)有缺陷。

4 結(jié)論

1）根據(jù)GLARE層板的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)行無(wú)損檢測(cè)的狀況，可以采用C-掃描的方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。C-掃描可以檢測(cè)的缺陷包括分層、空腔、夾雜、疏

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