復合材料的超聲無損檢測技術
2014-08-16
超聲無損檢測技術是復合材料非常重要的檢測手段，其使用的檢測頻率通常為0.5~25MHz。超聲脈沖通過探頭發射進入待檢測材料，并對反射和穿透信號進行分析，以得到材料結構的相關信息。雖然手動檢測方法還在廣泛使用，但越來越多的航空制造企業開始使用自動化的檢測系統以產生直觀的掃描圖像，如投影圖像和橫斷面圖像，即所說的C 掃描和B 掃描成像。
許多航空材料和結構可以用這種方式進行成像和顯示，并可檢測多種類型的缺陷。對于復合材料，需要檢測粘接缺陷、分層缺陷、孔隙率以及分層間的異物等。
檢測技術
用于自動化檢測的設備通常使用3 種耦合方式，從使從探頭發射的超聲有效進入待檢零件，他們分別是接觸法、水浸法和噴水法。
接觸法，即讓檢測探頭與待檢測件直接接觸。該方法的優點是在檢測曲面零件時可使用機械跟蹤器，但檢測速度受到限制。
在大多數情況下，使用水浸或噴水方法進行自動化檢測，待檢測零件完全浸入水中，或聲束通過噴出的水柱達到零件表面。水浸檢測方法通常使用脈沖回波技術從一端進行檢測，同一個探頭既發射又接收。最近由超聲波科學有限公司（USL）安裝的水浸系統升級為可在2 種模式下操作，根據檢測的要求和零件的形狀而定。在第一種模式下，復雜形狀零件使用單探頭，掃描線速度500mm/s，往復運動間隔1mm，即相當于每小時掃描面積大約為2m2 ；系統還可以以第二種更高效的方式進行掃描，該方式使用100mm 寬的相控陣探頭，將相控陣掃描和機械運動相結合。該方式在檢測平板件和單曲面件時可實現每分鐘1m2 的產量，與單探頭相比，生產能力大幅提升。
一個相控陣探頭包含了128 個獨立的晶片，這些晶片以非常小的間隔，順序發射超聲脈沖。通常是每秒20000 次，也就是說在相控陣探頭隨著機械運動機構覆蓋整個零件的時候，像完成整個陣列128 個晶片這樣的一次掃描，每1 秒鐘就可以完成幾百次。每個獨立的晶片都可以被控制，在檢測材料很小的一塊區域內可以產生非常細節的圖像。
復合材料檢測通常使用噴水檢測方法，一個探頭發射出來的聲束通過噴出的水柱，被另外一側的第二個探頭接收。在掃描時，兩側的水柱角度必須是精確控制的，并保持同軸，否則就會丟失超聲信號。這就對機械控制系統提出了非常嚴格的要求，尤其是在檢測雙曲面零件時，此時如果想提高產能將是非常困難的。但對于USL 系統，即使掃描復雜曲面的零件，掃描速度依然可以很快，而且不會降低檢測質量。
在軍用和商用飛機中使用的復合材料零件通常形狀非常復雜，超聲檢測系統需要集成多個機械運動軸，以掃描這些復雜形狀的零件。典型的系統將有10~12 個軸，這些軸同時聯動，以便跟蹤零件輪廓。USL 系統具有2 種不同的結構：一個是水平操作臂結構，而另一個是垂直操作臂結構。如何選擇，取決于客戶的意愿和需要檢測零件的范圍。有些時候噴水和水浸兩種方法都需要，在這種情況下垂直操作臂結構更加適合。總體來說，復合材料的多曲面跟蹤檢測要比水浸檢測系統復雜得多，世界上大部分的制造商都是從水浸做起，但真正能夠實現10~12 軸掃描的多曲面跟蹤檢測系統的廠家并不多，而USL 公司在制造該類型系統方面已經有近20 年的經驗，該類型系統數量也有10 多套，積累了豐富的經驗。
CATIA 模型
對于水浸和噴水檢測系統，主要的潛在瓶頸就是如何對復雜形狀零件進行編程，而通過直接從CATIA（計算機輔助三維設計系統）中獲取復雜形狀零件的輪廓，可解決零件編程問題。
但不足的是，CATIA 模型，特別是復合材料零件的模型，并不總是與待檢測零件的真實形狀相符。部分是因為零件從工裝上取下的時候，零件會發生塑性回彈，還因為這些零件并不是自支撐的，而是通過2 點或3點支撐的，這樣就會出現下垂和扭曲等變形。這樣在檢測設備上的零件
就與CATIA 模型之間產生了微小的不同。
雖然這樣的不同不是很大，但足以影響超聲系統在檢測復雜形狀零件時的效果。USL 開發出了一種自動測量零件位置和真實形狀的軟件程序，在掃描之前使用。它將在三維方向上調整掃描輪廓，并重新計算聯動的最多12 根軸的位置，這樣各軸跟蹤的就是真實的零件輪廓，而不是理論的輪廓。該過程避免了重復掃描過程，因為在通常情況下只有掃描全部結束后才會顯示出實際輪廓與理論輪廓是否一致。
另外，還需要設備使用超高規格的超聲設備，具有高的信噪比和極好
的抵抗外界噪聲的能力。但這還不足以保證小缺陷的100% 檢測。所有這些促使USL 開發集成了許多特殊功能的系統，以滿足檢測的要求，這些系統已經在世界范圍內得到廣泛地應用。
聲束的控制
在任何超聲檢測中，都需要嚴格控制聲束與零件表面的角度。如果待檢測的材料是完全平直的，情況就要簡單得多，但實際檢測中這樣的情況很少。實際零件表面的輪廓是變化的，并可能是隨機和不可預測的。
為了實現板材檢測的高產能，需要使用多探頭組，并配備多路復用器。典型的是配7 和15 個長方形探頭，交錯排列，覆蓋80mm 和150mm的寬度。由于材料是在水浸箱中進行檢測的，所有探頭在查找缺陷的同時，還測量板材的表面位置。測量出的板材表面到探頭表面的距離，即水程，可顯示探頭與表面的中間的角度。并用該數據實時對探頭操作器進行調整，這樣檢測的角度就保持在正確的數值上（通常是90°）。這樣就可以確保探頭垂直板材表面，并對其進行可靠的檢測。
在掃描結束后，在C掃描圖上會標明可能的缺陷。掃描裝置自動移動到每個缺陷位置，操作者對其進行確認，判斷是一個缺陷還是表面上的標簽或是氣泡。由于長方形探頭的設計是用于查找缺陷的，但不能精確確定缺陷尺寸，所以在此使用一個圓形聚焦探頭對缺陷進行評定。在有些情況下還使用前面提到的相控陣掃描，但還是多探頭組掃描的產能更高。
在設計零件時，無損檢測通常是最后被考慮的事情，所以就會使問題變得更復雜。現在的許多高級組裝方法，如擴散焊、摩擦焊、摩擦攪拌焊越來越多地用于日常生產中，并生產出非常復雜的金屬零件，就需要特別形式的無損檢測。這就對檢測設備制造商和無損檢測實際操作者提出了新的要求。同樣，對于航空復合材料來說，由于越來越多地使用樹脂轉移模成型工藝，也出現了同樣的問題。這些問題都需要解決，而且不能引起制造過程的瓶頸和后續問題，所以就需要不斷地對儀器、機械和軟件進行創新。
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