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80 材料T程/2Ol1年7期 复合材料制件拐角部位超声检测技术 UltrasonicTestingTechniquefortheInspectionof DefectsintheCornerofComposites 何方成,王 铮,史丽军 (北京航空材料研究院,北京100095) — HEFangcheng,WANGZheng,SHIliun (BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China) 摘要:复合材料在航空、航天等领域应用不断增加,制件的结构形式越来越复杂,在很多复杂结构中存在拐角部位,这些 拐角部位的检测给无损检测带来困难。通过对资料的分析和试验,介绍了解决复合材料制件复杂结构拐角部位无损检 测的方案和思路,并对比分析了各种检测方法的优缺点,认为超声相控阵技术在未来复合材料拐角部位无损检测上具有 比较好的应用前景。 关键词:复合材料;拐角;超声检测;超声相控阵检测 中图分类号:TB5 文献标识码:A —— 文章编号:10014381(2011)07008005 Abstract:Compositematerialisusinginthefieldsofaviationandaerospacemoreandmorewidely. Thestructureofthecompositematerialisbecomingmoreandmorecomplexly.Cornerisoneofthe complexstructuresinthecompositematerialparts.Suchstructurebringsnewquestionandchallenge — fornondestructivetesting.SomeNDTmethodstosolvetheproblemoftestingthecorneroftheconl positesareintroducedinthisarticle,basedontheinformationathomeandabroad.Theadvantageand shortcomingofallkindsofNDTmethodsforthecornerofcompositesareanalyzed.Theultrasonic phasedarraytechnologyisrecommendedthatcanbewidelyusedinthefuturefortestingthecornerof composites. Keywords:composite;corner;ultrasonictest;ultrasonicphasedarray 随着科学技术的进步,新材料、新结构在航空工 业领域的应用不断增加,炭纤维、玻璃纤维等纤维增 强树脂基复合材料由于其可设计性强、耐疲劳性能 好、耐腐蚀、便于整体成型等特点,已被广泛应用于 飞机结构的制造,在新型飞机结构中所占比重不断 增加。同时,为满足结构设计和降低复合材料制造 成本的需要,越来越多的帽型和整体成型结构被使 用。这些复杂复合材料结构的使用在提高产品性能 的同时,也给相应的无损检测技术提出了更高的要 求。目前对于平板件和大曲率复合材料制件的无损 检测方法相对较为成熟,而采用一次固化整体成型 和RTM等技术制作的复杂形状制件,普遍存在拐角 部位,不利于缺陷的检测、定量和定位,给检测带来 很大的困难。同时拐角大多是应力集中部位,对缺 陷的容忍度较小,且在制造过程中容易出现缺陷,因 此对拐角部位的质量控制非常重要l_1]。为保证复合 材料制件的使用安全,提供可靠的拐角部位无损检 测方法是十分必要的。 l复合材料拐角部位的检测难点 根据复合材料的成型工艺特点,其拐角部位缺陷 类型主要有分层、孔隙和夹杂等,缺陷取向多沿层间分 布,超声检测是最适宜的检测方法。由于形状和空l1J】 尺寸的影响,对于拐角部位进行超声检测存在一些难 题:1)拐角部位曲率小,宽度窄,不利于超声探头的耦 合;2)不能保证拐角各部位的入射声束都与该部位表 面垂直,影响检测灵敏度;3)不能准确地对缺陷大小进 行评定;4)对位于空腔内的拐角部位,人手无法触及, 必须借助工装才能使探头到达进行检测,常出现信号 不稳定或不好判断是否是缺陷的情况。典型复合材料 拐角部位缺陷分布示意图见图1。图2是实际T型结 构拐角部位的缺陷解剖图。 2复合材料拐角检测方法 随着复合材料结构设计方对拐角要求的不断提复合材料 制件拐角部 位超声检测技术8 1图1复合 材料拐角部位缺陷分布示 意图Fig.1Sketchmapofdefectdistributioninthec ornerela tnination图2复合材料T型 拐角部位缺陷解剖图Fig.2Profilem apofdefectintheTcorner高,对拐角的无损检 测的要求也越来越高,不仅需要对开 放的拐角 进行检测,还 要对空腔的拐角进行检测,同时要求无损检测提 供拐角 内缺陷 的性质、大小和位置等信息。针对复合材料制件拐角部位的检测 难点和检测要求,目前国内外通常使 用的检 测方案主 要有 常规超声检测、阵 列探头超声检测 和超 声相控阵检测三种方法。2.1常 规超声检测(1)接触式脉冲反射法一胡这种检测方法是通过加工特定 形状的楔块或软膜通过液体 耦合使探头与 拐角接触‘纠(见图3),保证声束有效进入被检件,解决了探头与 拐角的耦合问题,从拐角一 侧实施反射法检测。 其优点是单一探头检测, 结构简单,检测 成本低,操作 容易, 对人员 素质要求不高,通过设 计小尺 寸探头和工装可以对开放 的内外拐角实施检测。缺点是不同尺 寸的拐角需设计不同规格的楔块。存在一定的检测盲区。(2)喷 水式脉冲反射法∞一这种 检测方法是通过设计加T特定形状的喷嘴楔块使探头与拐角接触∞ 0(见图4)。通过 喷水保证声束从拐角--OJl 有效进入 被检件实施反射法检测。其优点是可以实现对开放的内外 拐角实施检测,对不同尺寸的拐角 适应性较好,通 过探 头结构设计可以实现空腔图3直接接触式 脉冲反射法F ig.3Ultrasonictestingco ntactwithfilm 结构内拐角的检测。缺点是喷水的楔块设计和制作较为复杂,存在一定的检测盲区。图4 喷水式脉冲反射法Fig.4U ltrasonictestingcontactwithwater(3)喷水式穿透法l_={一j这 种检测方 法是通过设计加工两个特定的喷 水探头¨](见图5), 调整两个 探头的位置,确保 拐角一 侧探头发出的声波通 过喷出的水柱穿透被检件后被另一侧 探头接收,通过监控接收信号的衰减程度来 评价制件的好坏。其优点是没有检测盲区,可以实现对开放的内 外拐角实施 检测,对不同尺寸的拐角适应 性较好。缺点是喷水 探头设计和制作 较为复杂,操作 较复杂,对人员素质要求较高。图5喷水式穿透法F ig.5Ultrasonictestingpenetratedwithwater8 2材料T程/201 1年7期综合上述拐 角的常规超声 检测方法, 主要借助简单丁装 在拐角部位实现超声波反 射或穿透检测, 多为手动 检测。由于 探头 声束截面小, 检测的 范尉窄,对拐 角部位尤其是曲面 较大的拐角进 行检测时,需 要渊节探头角度,使入射声束与拐角不同曲率部位垂直进行 多次扫查,或沿拐角网 弧面进 行扫查!。’(图6), 检测效 率低;探头与被检件不 同曲率 部位的垂 直度 需要靠人为涮节,准确性低;由于探头品片直径小,探头 稍有晃动声波就不能有效的进入被检 件中, 耦合不稳定 对缺陷的定位和定量不准确。图6常规超声检测扫查方式2.2阵列探头超声检测阵列探头超 声检 测是采用 多个探头 形成探头阵列.通过多通道超声仪器同时激 发探头进 行超声 检测 的方法。对于拐角检测,可根据 拐角的尺寸特点,在拐角截面的不同部 位布置多个 超声探头, 形成与拐角部 位曲率相近的探头阵列, 使各探 头声束之问存在一定相互交叉覆盖,并保持拐角各部位的声束垂直入射,通过水浸或喷水 耦合。运动整 个探头阵列一次扫查即可完成整个拐角的检测,获得缺陷在拐角的分布信息(见图7 )。该种方法的 优点 是能 够实现自动化检测并呵实现拐 角缺陷的超声A.C成 像扫描,检测结果 稳定,效率高。但阵列探头的布置和机械系统较复杂,且每种规格的探头阵列只能适 应相应规格的拐角检测, 对开放的拐角容易实 施检测,适用性有一定的局限,探 头的通道多,对仪器和软件的要求较高,使得检测成本较高。2.3超 声相控阵检测近年来发展起来的超声 相控阵检测 技术是一种新型超声检测技术。其核心硬件由超声相 控阵仪和相控 阵探头组成。相控阵探头由多 个品片组成,每个晶片可以单独发射、接收超声波声柬。通过软件控制超声相控阵仪激发探头各晶片发射、接收超声波,实现声束的聚焦和偏转【i。。使原来常规超声需要移动探头完成的扫查,在一 定范围内可以 通过各晶片声束的电子扫图7曲面阵列探头超声检测F ig.7Ultrasonictestwithbentarrayprobe描完成,根据被 检件的形状和检 测要求,设计不同 形状 的探头和声束扫描计划,可以实现对 复杂零件 部位的检测∽““。对于拐角部位,同一 个相控 阵探 头可以通 过更换楔块实现对一定尺寸 范围的 拐角检测,包 括内拐角和外拐角1 1。】。目前已有 公司可以生 产多 种拐角相 控阵探头和楔块(见图8)。图8拐角相 控阵探头使用相控 阵技术检测复合材 料拐角,可通过设计适合典型 拐角尺寸的超声相控阵 探头,保证声束在拐角每个部位与平面检测一样直接入射, 并与相 控阵仪器组成检测系统以实现拐角 缺陷的 可视 化检测( 见冈9)。 拐角检测与平面检测最大的不同是对缺陷 大小的同Svstomc onhoroa chl『1 eequ lpm ent图9拐角超声相控阵检测系统复合材料制件拐角部位超声检测 技术83评定方法,由于拐角带有曲率,对其中缺陷 的评定需要考虑拐 角曲率半径,相控阵探头曲率半径, 被检件厚度,缺陷所 在深度和拐角检 测方式(外 拐角还是内拐角),图10给出了相 控阵探头检测内、外拐角时,对内部缺陷大小的换算 方法‘“j。Outercor ne rtesting图lo相 控阵检测内、外拐角中缺陷换算示 意图F ig.1 0Sketchm apofcomputingdefectsizeintheinnerandoutercornerusingphasedarraytechnolog y可以很好地实现探头与 被检件的 耦合问题;2)通过图 像计算可准确测量 缺陷大小;3)可以实现一 次多角度扫查,对不同部位 及取向的缺陷均有垂直入射的声束对其进 行检测.保证 检测的均匀性 和可靠性;4)可以同时进行A扫描波形、B扫描图像、C 扫描图像显示,实现 拐角的 可视化检测‘“j(见图1 1);5)一 种探头能够适应一定尺 寸范围的拐角检测。缺点是相 控阵仪器和探头比 较昂贵,对使用人员要求高,相控阵探头组件尺寸大,不利于对空腔结构内拐角实施检测。图11 拐角超声检测A.B,C扫描图F ig.1 1Inspectionresultsonac ompositec ornersamolewithA—scans,B—sc ans,C—scans3几 种拐角检测方法的比较综合上述介 绍的三种常用 拐角 超声检测方法,从采 用相 控阵检测技术对复合材料拐角部位进行检适用范围、定量、复杂程度等方面对 比见表1。对于定测的优点:1)针 对被检件拐角部位设计的相控阵探头量精度、检测效率要求不高的开放拐角检测,比较容易表1不同 拐角检测方法的比较Table1Co mpariso nwithdif ferenttestingtechniqueforthecorn er 84 材料工程/2011年7期 实现的是接触式反射法;对于定量精度、检测效率要求 不高的开放式或空腔式拐角,推荐使用喷水式反射法, 同时兼顾考虑开放式拐角的检测;对于深度方向缺陷 检测盲区要求高,定量精度、检测效率要求不高的开放 拐角检测,可以使用喷水式穿透法检测;对于同规格大 批量开放式拐角检测,采用阵列探头超声检测,通过高 投入实现高效检测;兼顾考虑开放式和空腔式拐角的 检测,同时对缺陷在拐角分布的信息要求准确的情况, 可以通过高投入用几种规格相控阵探头,实现覆盖一 定尺寸范围的拐角检测。 4结束语 研究复合材料拐角部位的检测技术,对保障复合 材料制件的质量,保证飞机安全具有重要意义。拐角 部位由于其特殊的结构特性,采用常规手工超声检测 方法存在灵敏度不稳定、人为因素影响大、检测效率低 等问题,超声探头阵列检测拐角部位存在探头组件复 杂、尺寸大,探头调整困难,不适合对空腔结构拐角的 检测等缺点。采用相控阵检测技术对复合材料制件拐 角结构进行检测,具有灵敏度稳定,适用性强,成像直 观,人为因素影响小,检测效率高等优点,具有很好的 应用前景。 [1] [2] [3] 参考文献 — — R()ACHD,WAIKINGTONP.Useoffocusedpulseechoultra — —— sonicfornondestructiveinspectionofthickcarbon-carbonstruc— — tures[J].InsightNonDestructiveTestingandConditionMonito— ring,2006,48(12):743750. 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