整體復(fù)合材料油箱壁板原位無損檢測(cè)技術(shù)

, ,,,

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 西安 710065)

以碳纖維為主要增強(qiáng)材料的先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比剛度、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、疲勞性能好、耐腐蝕、多功能兼容性、材料與構(gòu)件制造的同步性和便于大面積整體成形等特點(diǎn)[1]，在航空領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，如我國現(xiàn)役的某系列飛機(jī)普遍采用了先進(jìn)的復(fù)合材料整體化機(jī)翼油箱。但復(fù)合材料存在層間強(qiáng)度低、抗壓能力弱等缺點(diǎn)，尤其是機(jī)翼油箱整體壁板更易受冰雹和跑道碎石撞擊而產(chǎn)生目視不可見的損傷，嚴(yán)重影響了油箱的力學(xué)性能和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性。因此，對(duì)飛機(jī)機(jī)翼油箱壁板進(jìn)行定期的全面無損檢測(cè)尤為重要[2]。

根據(jù)油箱壁板復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、損傷特征、檢測(cè)要求和檢測(cè)環(huán)境等可知，超聲是目前應(yīng)用最有效的一種無損檢測(cè)方法[3-5]。由于機(jī)翼油箱壁板尺寸較大，傳統(tǒng)的單晶超聲波技術(shù)檢測(cè)效率非常低；油箱中殘存的油液不僅會(huì)使壁板底面超聲回波信號(hào)衰減，還會(huì)浸入復(fù)材膠接結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的脫黏損傷中，從而給檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判帶來影響。因此，為了解決復(fù)合材料機(jī)翼油箱壁板檢測(cè)效率低的問題和降低油箱中殘存油液對(duì)檢測(cè)結(jié)果的評(píng)判所帶來的影響，迫切需要開展飛機(jī)復(fù)合材料油箱壁板的無損檢測(cè)技術(shù)研究，以建立相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)方案和評(píng)定判據(jù)，為飛機(jī)服役中的檢測(cè)維護(hù)提供技術(shù)支持。

從超聲檢測(cè)原理出發(fā)，驗(yàn)證了用超聲相控陣檢測(cè)取代傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)可大幅提高檢測(cè)效率，并根據(jù)油箱壁板在役檢測(cè)的特點(diǎn)，編制了相應(yīng)的在役快速化檢測(cè)方案。從油液高度對(duì)超聲信號(hào)的影響和油液對(duì)缺陷判定的影響兩方面，展開了油箱壁板在役檢測(cè)技術(shù)研究，建立了飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)翼油箱含油液條件下超聲信號(hào)特征圖譜和油液耦合條件下脫黏缺陷的超聲評(píng)定方法。

1 超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)技術(shù)聲束單一，其僅依靠移動(dòng)探頭實(shí)現(xiàn)全覆蓋掃查。超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)是在傳統(tǒng)超聲技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多聲束掃描成像技術(shù)，采用的超聲檢測(cè)探頭通常是由幾十到上百個(gè)晶片組成的換能器陣列，聲束覆蓋范圍很大，所以相較傳統(tǒng)探頭，相控陣探頭在不移動(dòng)或盡量少移動(dòng)的情況下就能全覆蓋單晶片探頭掃查區(qū)域，因此其檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的單通道超聲檢測(cè)設(shè)備[6-7]。

根據(jù)油箱壁板上下表面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原位檢測(cè)環(huán)境，制定了手動(dòng)超聲相控陣粗掃描和常規(guī)超聲精確掃描方案，利用超聲相控陣快速檢測(cè)的特點(diǎn)提高檢測(cè)效率，并在發(fā)現(xiàn)問題后，采用常規(guī)超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)損傷進(jìn)行定位、定量和定性描述。

油箱壁板表面曲率不大，主要是復(fù)合材料層板和加筋結(jié)構(gòu)，所以壁板上表面采用英國SONATEST集團(tuán)開發(fā)的 RapidScan2型快速超聲C掃描系統(tǒng)，配用5 MHz、128晶片的輪式相控陣探頭，軟件界面可同時(shí)輸出A，B，C顯示。

該檢測(cè)系統(tǒng)采用輪式相控陣探頭，該探頭線性陣元一次掃查范圍大，適合大面積航空復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的原位快速檢測(cè)，并且具有高精度、高清晰圖像分辨率及大頻寬等特性，能有效檢出航空復(fù)合材料構(gòu)件中的分層、脫黏及沖擊損傷等(見圖1)。

圖1 航空常用復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)RapidScan2型超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果

油箱壁板下表面受原位檢測(cè)環(huán)境影響，實(shí)施過程中滾輪探頭與下表面耦合接觸不佳，所以采用帶延遲塊32晶片的線陣探頭進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，比傳統(tǒng)超聲檢測(cè)速度快且檢測(cè)結(jié)果可實(shí)時(shí)成像。

2 油箱壁板在役檢測(cè)技術(shù)

2.1 油液高度對(duì)超聲信號(hào)的影響

在對(duì)飛機(jī)油箱下壁板進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，油箱中殘存的油液使超聲波的傳播路徑發(fā)生改變(見圖2)。

圖2 無油液與有油液時(shí)的超聲傳播途徑

以單晶片探頭為例，超聲波在壁板界面上的聲強(qiáng)反射率R[8]為

(1)

式是：Z1為壁板底面另一側(cè)介質(zhì)的聲阻抗；ZCFRP為碳纖維層板介質(zhì)的聲阻抗。

壁板界面上聲強(qiáng)透射率T為

(2)

當(dāng)超聲波從油箱壁板傳播到空氣中時(shí)，由于Z1≈0，所以在壁板界面上幾乎發(fā)生全反射R≈1，而無透射T≈0。當(dāng)超聲波從油箱壁板傳播到油液時(shí)，Z1≠0，即超聲波在壁板界面發(fā)生反射和透射，所以界面回波幅度大幅降低。以上公式也說明反射波聲強(qiáng)與入射波聲強(qiáng)在油箱壁板界面上聲能的分配比例僅與界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)，與油液層的高度無關(guān)。

在規(guī)格(長×寬×高)為280 mm×380 mm×140 mm的塑料槽中注入不同厚度的油液，監(jiān)測(cè)板厚為2 mm的碳纖維層壓板底面回波波高變化情況，并繪制變化曲線(見圖3)，試驗(yàn)結(jié)果同樣驗(yàn)證了油液的存在使底面回波幅度降低，但隨著油液高度的增加，底面回波幅度保持不變。

圖3 油液高度對(duì)碳纖維層壓板底面回波幅度影響變化曲線

因此，在實(shí)際檢測(cè)中，利用對(duì)比試塊調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度后，在壁板面掃查時(shí)，油液會(huì)使壁板底面回波幅度降低，可以在便于識(shí)別底面回波信號(hào)的前提下，適當(dāng)提高油液區(qū)的掃查靈敏度。

2.2 油液對(duì)缺陷判定的影響

復(fù)合材料油箱壁板一般由復(fù)合材料蒙皮和復(fù)合材料長桁膠接而成，超聲波在這種多層界面結(jié)構(gòu)中的傳播路徑示意如圖4所示。當(dāng)入射信號(hào)P0入射到界面1時(shí)，同時(shí)發(fā)生反射和透射，一部分聲能反射回碳纖維板1形成Pr,一部分聲能透射到膠膜中形成Pt,Pt到達(dá)界面2也發(fā)生反射和透射，反射聲能Ptr再經(jīng)界面1透射回碳纖維板1形成Ptrt，透射聲能形成Ptt進(jìn)入碳纖維板2；當(dāng)界面3的一側(cè)為空氣時(shí)，Ptt到達(dá)界面3幾乎全反射；當(dāng)界面3的一側(cè)為油時(shí)，Ptt到達(dá)界面3繼續(xù)發(fā)生透射形成Pttt進(jìn)入油液和反射形成Pttr進(jìn)入碳纖維板2，這樣的過程不斷重復(fù)。

圖4 復(fù)材油箱壁板加筋結(jié)構(gòu)中的超聲波傳播路徑示意

壁板加筋結(jié)構(gòu)中的膠膜厚度較小，即聲波在膠膜中往返一次的時(shí)間小于常用超聲探頭的脈沖持續(xù)時(shí)間，因此檢測(cè)信號(hào)中膠膜上下界面的反射信號(hào)在時(shí)域上相互疊加，不易區(qū)分(圖5紅色方框所示)。從圖5也可以看出,油液使碳纖維板2的底面反射波波幅降低，膠膜界面的回波幅度未受影響。

當(dāng)位置A處界面1脫黏時(shí)(其超聲傳播路徑見圖6)，碳纖維板1與膠膜之間為空氣，此時(shí)在界面1發(fā)生全反射，P0=-Pr，相位與入射信號(hào)相反，超聲信號(hào)不進(jìn)入膠膜層；當(dāng)界面1黏接良好而界面2脫黏時(shí)，膠膜與碳纖維板2之間為空氣，Pt=-Ptr,界面1的反射聲壓和界面2的反射聲壓相位相同，都與入射聲壓相反。

圖5 復(fù)材油箱壁板加筋結(jié)構(gòu)黏接良好區(qū)的超聲信號(hào)特征圖

圖6 位置A處脫黏損傷的超聲波傳播路徑

由于膠膜厚度較小，界面1和界面2的脫黏信號(hào)特征在時(shí)域上一致(圖7紅色方框所示)。超聲波在膠接界面發(fā)生全發(fā)射，所以有油液與無油液的脫黏信號(hào)特征圖譜是相同的(見圖7)。

當(dāng)位置B處存在脫黏缺陷時(shí)，油液會(huì)浸入脫黏界面形成耦合效應(yīng)，部分超聲波通過油液進(jìn)入碳纖維板2，因?yàn)橛鸵汉湍z層同時(shí)存在，所以位置B處聲波的傳播路徑比位置A處的復(fù)雜(見圖8)。

圖7 位置A處脫黏損的超聲信號(hào)特征圖

圖8 位置B處脫黏損傷的超聲波傳播路徑示意

位置B在服役過程中形成的脫黏缺陷(空氣隙)的厚度多大于0.2 mm，即檢測(cè)系統(tǒng)脈沖持續(xù)時(shí)間小于聲波在B處的油液中往返一次的時(shí)間，通過油液和膠膜形成的界面1和界面2反射回探頭的信號(hào)相互獨(dú)立，相位相反(見圖9)，且空氣隙(油液)厚度越大，在時(shí)域軸上界面1和界面2的反射波越容易分開，兩者都可以作為脫黏缺陷的反射波。

圖9 位置B處脫黏損傷的超聲信號(hào)特征圖

當(dāng)位置B處界面3一側(cè)是油液時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)增益與圖9保持統(tǒng)一，除了碳纖維板2的底面反射波波幅消失，其他回波信號(hào)一致。

根據(jù)以上超聲特征圖譜，就可以判斷油液存在時(shí)，缺陷是否存在。對(duì)缺陷進(jìn)行定量檢測(cè)時(shí)，以缺陷的最大反射回波作為基準(zhǔn)波，調(diào)節(jié)增益將波高達(dá)到80%，沿缺陷方向移動(dòng)探頭，當(dāng)缺陷波高降至40%時(shí)，探頭中心位置即為缺陷的邊界點(diǎn)，把所有邊界點(diǎn)描繪起來就是缺陷的形狀輪廓，最后再對(duì)缺陷的尺寸進(jìn)行測(cè)量和記錄。

3 結(jié)論

超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)因聲束覆蓋范圍大，檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的單通道超聲檢測(cè)方法，滿足復(fù)合材料油箱整體壁板原位快速化檢測(cè)需求。殘留油液不僅會(huì)影響壁板底面回波幅度的降低，且在油液浸入損傷區(qū)后還會(huì)影響缺陷回波信號(hào)，因此在實(shí)際檢測(cè)中可以適當(dāng)提高油液區(qū)的掃查靈敏度，并利用超聲信號(hào)特征圖譜判斷是否存在損傷，最終發(fā)現(xiàn)損傷后以檢測(cè)靈敏度下的缺陷回波為基準(zhǔn)波對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)定。