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飛機複合材料的無損粘結測試

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發佈時間 : 2020-07-02 10:55:55

可靠的結合對於飛機複合材料結構在整個使用壽命中的完整性至關重要。因此,已經開發了無損檢測(NDT)方法來評估維護期間的粘結質量。本文將回顧最近開發的幾種提高檢查可靠性的方法。


背景


複合材料在飛機製造中的使用正在急劇增長。主要的商用機身製造商已大大增加了其商用飛機中復合材料的使用。支線和公務機製造商也增加了複合材料的使用。在軍用飛機上也觀察到了相同的增長。


由於飛機結構受到撞擊和雷擊,因此需要可靠且有效的無損檢測方法來快速評估可能的損害。世界各地的NDT檢查員必須易於使用這些方法和必要的儀器,以確保維護檢查期間測試結果的一致性。


對飛機結構的撞擊會導致複合結構的不同類型的損壞。損壞程度取決於復合零件的性質,其成分和密度。在復合疊層結構上,衝擊產生的缺陷主要是機身不同層和機翼蒙皮之間的分層。但是,撞擊也會導致蒙皮和加強筋之間的剝離。這種剝離會顯著降低這些層壓結構的完整性。

 

 

 

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圖1:分層結構中的分層


複合夾層結構由兩個層壓碳皮之間的蜂窩狀芯構成,表現出不同類型的損壞。撞擊後會發現以下缺陷:

A型 -碳纖維增強塑料(CFRP)外皮層之間的分層,平行於表面

B型 -外皮與蜂窩狀芯之間的剝離

C型 -破裂的蜂窩狀芯平行於檢查表面

D型 -平行區域內破碎的蜂窩狀芯子

E型 -內蒙皮與蜂窩狀芯子之間的剝離

F型 -蜂窩狀芯子中的流體進入

 
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圖2:夾心結構複合材料的損傷類型


解決方案和設備


多模聲學粘結測試


具有音高捕捉,機械阻抗分析(MIA)和共振測試模式的多模超聲粘結測試儀器長期以來一直用於檢查飛機的複合材料。


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圖3: 帶音高捕獲探頭的多模超聲聲波粘結測試儀示例


捕捉模式通常用於檢查包含蜂窩結構的複合材料。發射器將聲能發送到零件中,然後由接收器接收。在結合狀態下,一部分聲能會被結構的組件衰減。當探頭放置在未粘接的區域上時,返回到接收器的能量會更大,從而導致振幅發生變化。


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图4: 键合测试音高-捕捉模式 

最近开发了此技术的一种改进,可以可靠地检测位于40毫米厚蜂窝结构远端(类似于E型)的粘连(面积25 mm×25 mm [1 in。×1 in。])。图2中的缺陷。专门设计了一种新型差动高压探头,用于对飞机进行困难且耗时的检查。现在,商业航空服务公告中提到了这一非凡的结果。

常规超声波测试

超声波是检查复合结构最广泛使用的技术。有大量合适的超声仪器可用。通常,超声在复合层状结构中的传播非常好,并且可以非常轻松地检测异常。不幸的是,在夹心结构中,由于芯结构的不均匀性和低密度,超声被极大地衰减。因此,将超声波用于三明治结构需要更专门的仪器功能。

在制造环境中,采用透射法检查大型夹层板,在这种方法中,较高振幅的超声波束穿过部件,而位于另一侧的接收换能器则测量信号的衰减。结果通常显示为C扫描图像。该技术被广泛使用并且非常可靠。然而,该技术不能在维护环境中使用,因为不可能接近飞机结构的两侧。

尽管如此,超声仍可以检测皮肤的内部和外部剥离,是否存在液体以及芯是否破裂。低频传感器和跟踪后壁信号是必要的,并且必须以非常智能的方式使用。外壳的分层以及外壳与芯之间的剥离的特征在于后壁信号的总衰减。

最近开发了一种技术,用于检测内部蒙皮与核心之间的剥离。该技术使用1 MHz宽带探头。探头在强大的方波脉冲激励下会在其下方的结构中产生共振。仪器的接收器滤波器被调谐到结构的厚度,并在相应的半波长下工作。脱胶的存在将降低结构的刚度,从而导致谐振移至更长的波长,从而降低谐振频率。由于这种现象,内部结构上的25 mm×25 mm(1英寸×1英寸)剥离会导致6到12 dB的后壁信号衰减。

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圖5: 超聲共振技術原理 


相控陣超聲測試


超聲波相控陣,一種較新的技術,也經歷了最近的發展。便攜式和易於使用的裝置現已在市場上出售,並在飛機製造商的維護手冊中針對各種應用提供了參考,包括複合層壓結構中的衝擊損傷檢測。


對於這種結構,使用線性掃描能力。儀器執行一次零度線性檢查,一次檢查即可覆蓋大面積區域。結合使用便攜式掃描儀,該系統將結果顯示為C掃描圖像,從而直觀地顯示了所檢查的結構。圖像和掃描儀的組合使用可提高檢查的可靠性和速度。


手持式複合材料損傷檢查儀


儘管為NDT技術人員投入了很多精力來開發新的方法和儀器,但是越來越多地使用具有復合結構的飛機,這使得需要在飛機轉機期間快速檢查機場的撞擊損壞。由於世界各地的每個機場都沒有NDT技術人員,因此設計了儀器,供非技術人員使用,以檢測由於撞擊而可能產生的分層。


存在簡單,可以通過/不能通過的超聲儀器,可用於檢查新飛機和其他復合結構。經過精心設計,即使未經NDT技術培訓的人員也可以使用它們,這些儀器還可以檢測出對固體層壓板結構(不是蜂窩結構)的表面衝擊破壞。該概念是由一家商業航空公司開發的,然後獲得了專利,它基於完善的脈衝/回波技術。 B787結構維修數據中引用了一種這樣的儀器。


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圖6: 簡單的“通過/不通過”超聲複合材料損壞檢查器


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