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 ，老哥俱乐部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 ，已经较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 ，老哥俱乐部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为普遍的一种技术 。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 ，而得到较大的衰减 。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 。这种技术已经得到普遍地应用 ，而且非常可靠 。但是 ，这种技术不能用于维护环境中 ，因为老哥俱乐部不可能从飞机结构的两侧接触到需要检测的部位 。
不过 ，老哥俱乐部可以通过超声技术 ，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 ，要使用低频探头和底面信号的功能 ，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 。
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 、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仪器 。

图6 ：奥林巴斯的EPOCH 650

相控阵超声检测
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 ，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 PA和GLIDER
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）

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