復合材料超聲無損檢測技術及應用淺析

復合材料超聲無損檢測技術及應用淺析

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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(fā)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(yè)開始使用自動化的檢測系統(tǒng)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(fā)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(yōu)點是在檢測曲面零件時可使用機械******，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(fā)射又接收。最近由超聲波科學有限公司(USL)安裝的水浸系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(qū)域內可以產生非常細節(jié)的圖像。
復合材料檢測通常使用噴水檢測方法，一個探頭發(fā)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)將有10~12 個軸，這些軸同時聯動，以便跟蹤零件輪廓。USL 系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的廠家并不多，而USL 公司在制造該類型系統(tǒng)方面已經有近20 年的經驗，該類型系統(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng))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(fā)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。
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