直升机复合材料构件声与超声检测技术的应用

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1、86航空制造技术2011 年第 15 期 复材检测COMPOSITES TESTING直升机复合材料构件声与超声检测 技术的应用中航工业昌河飞机工业 （集团） 有限责任公司 贺小玉 李 萌直升机复合材料无损检测标准体系的建立是非常 有必要的， 统一检测标准、 统一检测技术、 统一检测方 法， 只有形成行业标准， 才会加速推动复合材料的发展。由于复合材料在直升机上的大 量应用， 为满足设计质量上的要求， 必须有相应的超声检测技术和超声 评估方法， 本文主要介绍了直升机复 合材料构件类型、 检测方法、 常见缺 陷类型及检测要求， 目前开展了直升 机复合材料构件声与超声检测技术 方法及应用的研究，

2、展望了直升机复 合材料构件检测技术的发展。等。 超声波检测的一般验收要求是 夹层结构为13mm、 层压结构为 6mm、 轴向罩区域为3mm。 但由于复合材料无损检测标 准体系在国内非常不完善， 仅有 GJB1038.1纤维增强塑料超声波检 验方法 、 HB 5460蜂窝构件超声波 穿透 C 扫描检测方法 、 HB7224复 合材料构件通用技术条件等少数 几份参考规范， 所以不同复合材料构 件需要根据设计制定验收标准制定 可行的检测工艺规范。目前开展的技术方法及应用1 敲击法 敲击法 （也称为听音法） ， 用硬币 （或特制小锤） 敲击听音是一种检测 分层、 空隙的常用技术。当敲击时声 音清脆、

3、尖锐表明该部位结构密实、 胶接良好；声音沉闷则表明该处有 分层 （或疏松） 、 空腔。贺小玉 毕业于南昌航空工业学院无损检测专业， 现任中航工业昌河飞机工业 （集团）有限责任公司质量保证部无损 检测室副主任， 主要从事直升机复合 材料结构件无损检测技术研究， 参加 过国家多个重点型号复合材料无损检 测研究和行业标准的制定。Application of Acoustic and Ultrasonic Detection Technology for Composite Component of Helicopter直升机复合材料构件检测直升机复合材料主要结构类型 有层压板结构、 蜂窝或泡沫芯夹层

4、结 构、 胶接连接结构等， 材料主要有碳 纤维、 玻璃纤维、 芳纶纤维、 Nomex 蜂 窝、 铝蜂窝、 泡沫芯等。 层压板结构采用超声脉冲回波 A- 扫描和超声穿透 C- 扫描方法检 测； 用脉冲回波数字法测厚； 蜂窝组 件采用穿透 C- 扫描方法检测； 胶接 连接采用回波 A- 扫描或声振检测； 泡沫芯结构采用射线照相法检测。 复合材料构件的成型过程极其 复杂， 其间既有化学反应， 又有物理 变化， 影响性能的因素甚多， 许多工 艺参数的微小差异就会导致其产生 诸多缺陷， 使产品质量呈现明显的离 散性， 这些缺陷严重影响构件的机械 性能1。超声检测直升机复合材料构件常见缺陷类型主要有： 密

5、集气孔、 分层、 外来物夹杂、 贫胶、 富胶、 脱粘2011 年第 15 期航空制造技术87复材检测COMPOSITES TESTING目前， 所有的复合材料构件首先 进行无损检测的首要方法就是目视 法和敲击检测法， 其优点是快速方 便、 简单实用。为了减少了人为因素 的影响， 现已研制出敲击速率和敲击 力均一定的自动测量装置啄木 鸟敲击检测仪， 现已成功应用在某型 机胶接地板的检测， 因地板面积范围 大， 此种检测技术的应用大大节省了 检测时间， 提高了工作效率。 2 声阻法 声阻法又称为机械阻抗分析法， 它是通过测量结构件被测点振动力 阻抗的变化来确定是否有异常的结 构存在2。声阻仪是专为

6、复合材料与蜂窝 结构件的整体性检测发展起来的便 携式检测仪器， 可检测出板板胶接 结构 （或复合材料） 件或蜂窝结构的 单层、 多层板分离区域。此方法操作 简单， 效果很好， 能满足设计和使用 的要求。 多功能胶接检测仪如 DAMI- CZ2000 以及 Bondmaster 具有机械阻 抗分析、 谐振以及扫频连续波和选频 脉冲波定距发送与接受的两种声波传 输、 4 种测量工作模态。该仪器操作简 便， 可根据所检制件的结构特征， 优选 检测模式主要应用于夹层结构。 3 超声检测 超声检测是复合材料无损检测 中应用最广泛的方法， 它是将高频超 声波传入被检构件， 接收返回或穿过 零部件的信号，

7、以确定内部的缺陷， 能检测分层、 气孔、 裂纹、 夹杂， 还可 判别疏松、 密度差别、 厚度等材料特 性和几何形状的变化。 （1） 超声脉冲反射法厚度测量。 超声测厚原理：脉冲反射法测 厚是通过测量由探头产生的超声短 脉冲， 经过材料厚度从背面反射， 再 回到探头所需的时间来进行的。试 件的厚度可用如下关系式表示：T =1 2v t， （1）式中：T为厚度；v为声速；t为材料 中超声传播往返时间。 复合材料属于非均质材料， 其 声速并非为常数， 它与铺层方向、 含胶量、 固化参数、 是否有孔隙等 因素均有关， 材料的状态可使声束 区内出现多种声程。一般选择直径 6.35mm、 频率 5MHz

8、或 10MHz 的探 头， 仪器与探头组合进行复合材料 层压件的厚度测量， 其显示精度要 求至少达到 0.01 。厚度校准试片 采用与被检件材料、 固化参数、 铺层 相同或相近并且接近设计理论厚度 的试片。校准试片的厚度应涵盖被 检件的厚度最小值、 最大值及典型 中间值。用直接接触型探头测量激 励脉冲和来自被检件的第一次背面 回波间的时间。也可用带延迟块探 头测量一次界面回波和一次背面回 波间的时间。 （2） 接触式脉冲反射法。 检测时， 在探头与延迟块之间放 上甘油等耦合剂， 使探头发出的超声 波通过延迟块进入检测工件。这时 超声波探伤仪上的缺陷和工件底面 回波如图 1 所示。从实际检测经验

9、 看， 对 1mm 以上厚度的层压板缺陷 可采用该检测技术。从图 1 看出， 缺 陷回波和底面回波都保证在始波外， 避免了缺陷波或底面回波落在始波 内造成对缺陷的漏检。但对大面积 复合材料构件检测， 目前国内也有采 用水膜耦合的高分辨率超声检测方法， 像 FCC 系列检测仪器和 FJ 系列 超声换能器， 检测表面盲区和纵向分 辨率可以达到单个复合材料铺层厚 度 （约 0.125mm）并且已得到工程应 用。 （3） 超声喷水穿透法。 穿透法的原理是依据超声波穿 透工件后的穿透波幅度变化来判断 工件内部缺陷的情况， 如图 2 所示。 穿透法常采用 2 个探头， 1 个发射超 声波、 1 个接受穿透

10、后的超声波， 分别 放置在工件检测部位的两侧。二个探 头的中心轴线应对正重合在一条直 线上。喷出的水柱应垂直被检测部 位的表面。在一定的检测灵敏度下， 即入射声波的能量一定的情况下， 当 被检工件的材质和厚度不变时， 穿透 波的幅度值不变； 如果检测点的工件 内部存有缺陷， 即材质和厚度发生了 变化， 由于缺陷界面对入射波的反射 作用， 使得穿透波的能量减少， 穿透 波的幅度就会下降。缺陷的面积越 大， 缺陷界面的反射作用也越大， 穿 透波的幅度下降也越大， 甚至消失。 当被检测零件不允许从两侧接近时， 也可以采用超声喷水反射法， 实现复 合材料零件的超声 C 扫描。 采用超声 C 扫描检测，

11、 首先必 须通过客户特种工艺评审， 其要求相 当严格， 也有专门的审核手册， 从人 员资质、 设备鉴定、 用户规范、 检测零 件的工艺图表批准、 检测试块的制作 （特别是模似缺陷类型、 大小、 预制位图1 带延迟块超声波检测缺陷示意图工件底波位置工件底部回波显示屏探头延迟块工件延迟块厚度始波延迟块回波 缺陷回波88航空制造技术2011 年第 15 期 复材检测COMPOSITES TESTING置） 、 零件的表面准备 （如水膜实验） ， 设备校准、 探头选取、 检测过程控制、 检测标识、 检测记录、 检测结果的处 理都有专门的程序规定。 以某型直升机上一零件的试块 做超声 C 扫描检测为例，

12、 设置与控制 的检测参数见表 1。 图 3 是 对 一 试 块 的 超 声 C 扫 描 检 测 结 果。 试 块 长 500mm， 宽 575mm， 蜂窝厚度为 10mm ， 材料为 碳纤维层压板与纸质蜂窝材料的粘 接材料。缺陷面积 （-6dB 分析法） 见表2。 从以上数据可见， 检测出来的面积比 实际应该出现的面积稍微偏大， 但都 基本符合检测要求。直升机复合材料构件 检测技术发展在实际应用中， 往往需根据复合 材料构件的形状、 类型、 检测要求， 缺 陷类型、 大小、 位置、 取向及检测设备 的检测能力等因素进行综合评估， 选 用几种不同的检测方法互相补充。 超声是目前复合材料构件无损

13、检测主流方向， 超声检测穿透力强、 灵敏度高、 方向性好、 探伤灵活、 效率 高且成本低廉等优点。 未来的复合材料无损检测将更 加追求快速、 高效， 因此， 基于干涉原 理和温度场分布原理的激光散斑干 涉技术将会推广， 特别是适合在外场 检测 , 其特点具有非接触、 可大面积 扫描、 快速等特点， 将成为复合材料 构件无损检测的良好技术之一。 微观缺陷检测将受到重视。复 合材料制造过程中产生的宏观缺陷， 通过严格工艺往往可以避免， 而复合 材料结构内部的微小气孔形成的疏 松、 孔隙率等缺陷的检测越来越受到 重视3。复合材料现场修补技术会大量 应用， 而修补后的复合材料构件无损 检测技术研究是一

14、个重要课题， 必须 加强研究与应用。超声相控阵技术 将在复合材料构件 R 角区域检测有 望进一步推广。 直升机复合材料无损检测标准 体系的建立是非常有必要的， 统一检 测标准、 统一检测技术、 统一检测方 法， 只有形成行业标准， 才会加速推 动复合材料的发展。本文有参考文献 3 篇， 因篇幅所 限， 未能一一列出， 读者如有需要， 请 向本刊编辑部索取。（责编 泰山）表1 超声C扫描检测基本参数与选择案例检测方法喷水穿透法喷嘴直径6mm 系统水距75mm 探头类型水浸直探头探头频率1MHz 探头晶片直径0.5inch 系统衰减0dB 系统动态范围100dB 系统发射电压300V 电压波形负方

15、波滤波1MHz 闸门高度10% 扫查方式仿形扫查扫查速度100mm/s 采样间隔1mm 扫查软件Masterscan 3D 分析软件Winscan Analysis 调色板黑白色阶调色板色阶 256 色夹持工装系统平面工装表2 检测试块缺陷面积 mm2编号0123 4 56789101112131415检测缺陷 面积191 180 188 19070726569333433389141112设计缺陷 面积177 177 177 17764646464282828287777图3 检测试块C扫描结果图2 穿透法检测原理对数放 大器信号采 集系统探伤仪脉冲发 生器待测 工件探头机械系统运动 控制结果保存结果分析结果打印计 算 机接 受 端发 射 端