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超声波检测技术及其在复合材料结构中的应用

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 47次

中国邮政航空有限责任公司机务工程部 王鸿淼

    本文介绍了超声波检测的工作原理,对怎样因地制宜地选择具体的检测方法做出了分析。以波音737-300雷达罩为例,介绍了检测的流程与细则。

超声波检测的物理基础

在物理学上20-20K赫兹的声波称为可闻声波,低于20赫兹的声波称为次声波,高于20K赫兹的声波称为超声波。声波的波长λ与波速C、频率f之间的关系是:λ=C/f。声波的频率越高,其波长越短。相对与其他声波,超声波的波长非常短。这样结构中小的损伤也能引起比较大的电信号反应,有利于发现损伤。

根据波动中介质质点振动方向与传播方向之间的关系,可以把超声波划分为纵波、横波和表面波。振动方向与传播方向一致的波称为纵波,它是唯一一种可以在固体、液体和气体中传播的波。另外它的发射、接收相对容易。因此具有十分广泛的应用。振动方向与传播方向垂直的波称为横波,只能在固体中传播。但是横波的波长只有纵波的一半,因此对损伤具有更高的分辨率。另外在实际应用中,通过波型转换,可以产生一个传播方向与零部件表面具有一定夹角的单一波型,这样就可以发现垂直或者近似垂直于表面的损伤。仅仅在半无限大固体介质表面及其附近传播而不深入到固体内部传播的波称为表面波。表面波主要应用在表面损伤的分析、判断。

超声波检测的工作原理和基本参数的选择原则

在无损检测领域,通常利用某些单晶体材料或者更高级的多晶体陶瓷的压电效应来发射、接收超声波。当这些压电材料在受到拉伸或者压缩应力时,表面会产生电荷。这种现象称为正压电效应。反之,当这些材料处于交变电场作用下,它们会在厚度方向上发生交变拉伸或者压缩变形,这样便产生了伸缩振动。这种现象称为逆压电效应。首先利用逆压电效应产生的超声波在零部件内部进行传播,通过各个界面时产生各种反射、折射和波型转换。反射、透射后的超声波利用正压电效应转化为电信号接。收、分析这些电信号,从而对损伤做出判断。

超声波检测技术分类的方式有多种,较常用的有以下几种。(1)按原理分类:脉冲反射法、透射法、共振法;(2)按显示方式分类:A型显示、B型显示、C型显示;(3)按波型分类:纵波法、横波法、表面波法;(4)按探头数目分类:单探头法、双探头法、多探头法;(5)按耦合方式:接触法、液侵法;(6)按入射角度分类:直射声束法、斜射声束法。每一种具体的检测技术其实都是以上分类方式的不同组合。比如最常用的单探头纵波垂直入射脉冲反射接触法(A型显示)。每一种检测方法都有其特点和局限性。检测人员要综合考虑损伤的实际情况以及零部件的客观因素,从而做出最恰当的选择。

有时候考虑的最主要因素并不是振动方式对检测的影响,而是损伤的位置及取向,选择的原则是得到最大可能的显示。例如,当损伤位于零部件内部深处并平行于表面时,可以选择直射声束法。单探头直射法的穿透能力强,应用广泛。双探头直射法可以克服单探头的工作盲区,更适合检测厚度薄、尺寸小的零部件。直射声束法最主要采用的波型是纵波。而对于垂直或接近垂直的表面开口的平面型损伤,斜射声束法的效果更好。选择的检测波型可以是纯横波、纯表面波,或者两者的组合。

当波穿过不同物质的分界面时,发生复杂的反射、折射或者波型转化。其不利因素会导致检测精度降低。即使在同一种物质中,能量随着距离的增加也会发生传播衰减的现象。当零部件只有一个表面可以接近时,只能选择脉冲反射法。脉冲反射法设备简单,灵敏度高。对损伤的定位精确。但是面对内部结构复杂、不同材料混杂的零部件,尽量选择穿透法。另外对于尺寸较大、衰减较大的零部件,穿透法检测能力更强。

超声波检测设备概述

一套典型的超声波检测设备包括:超声波检测仪、探头、各种测试快和耦合剂。根据显示方式的不同,分为A型超声波检测仪、B超声波检测仪和C超声波检测仪。A型超声波检测仪以纵坐标代表反射回波的声压幅度,以横坐标代表传播时间。B超声波检测仪反映的是损伤的水平延伸情况。相当于机械制图中三视图里面的某个方向上的主视图或者左视图。C超声波检测仪反映的则是损伤的平面投影。相当于三视图里面的俯视图。A型超声波检测仪是目前应用最广泛的设备。B超声波检测仪和C超声波检测仪配合使用,可以比较客观、清晰地反映出具体损伤的实际情况。探头又称为超声换能器,是发射和接收的关键器件。在探头里面,除了需要敏感的压电材料以外,还需要一颗精确的阻尼块。阻尼块的一个重要作用就是确保背面发射的超声波返回压电材料后不会产生杂乱的信号。

复合材料在波音737-300飞机上的结构形式和超声波检测的优点

波音737-300飞机是世界上第一种使用碳纤维复合材料的飞机。除此之外还大量使用玻璃纤维、Kevlar纤维,以及几种纤维的混杂形式。对于内部的装饰板等非受力的零部件,主要是玻璃纤维的层合板结构,以降低生产成本和重量。外部的零部件主要有雷达罩、前缘装置、扰流板、副翼、各种整流罩、方向舵和升降舵。这些零部件承受复杂的空气动力,中央区域普遍采用了蜂窝夹芯结构。该结构的上、下面板是各种纤维铺设的层合板结构。上、下面板和蜂窝再通过环氧树脂粘接形成整体结构。这种组合方式可以获得很高的比强度和比刚度。同时具有良好的结构阻尼。可以吸收震动、隔绝热量,具有更好的抗疲劳性能。而蜂窝夹芯结构承受集中载荷的能力较差,因此在这些大型零部件的边缘,采用了蜂窝夹芯结构向纤维层合板过渡的形式,最后各种紧固件孔布置在层合板上。在日常维护中,蜂窝夹芯结构常见的损伤有分层、脱胶、积水、雷击烧蚀、机械撞击包括鸟击等意外损伤。其中最常见的是分层和脱胶。分层指的是层合板内部出现的局部的不同纤维层之间的明显分离,脱胶指的是层合板和蜂窝之间的分离。这两种形式的损伤因为出现在结构内部具有很大的隐蔽性。目视检查无法确定,必须依靠无损检测确定。

蜂窝夹芯结构检测使用最广泛的是超声波检测技术。这是因为结构特点决定的。复合材料粘接对各种液体敏感,所以不能使用渗透检测方法。对于玻璃纤维、Kevlar等不导电的纤维组成的结构,无法使用涡流和磁粉检测方法。红外热像检测方法仅适用于判断内部积水的情况。射线检测法需要从多个角度照相,周期长费用高,对环境的污染很大。

应用实例  

以雷达罩为例进行具体的操作说明。

雷达罩四周是Kevlar纤维组成的纯层合板结构。该局部结构材料单一,厚度较薄。纤维之间的分层以平行于表面的角度出现。可以选择单探头直射脉冲反射法进行检测。尽量使用宽带、高发射能量的超声波检测仪和高阻尼探头。这样可以避免始波占宽的影响,近表面的分辨率得到改善。对于厚度在6mm以下表面完好的零部件,使用10M赫兹的检测频率。对于超过6mm的零部件,波音公司推荐使用5M赫兹的检测频率。纤维之间的分层不同于类似金属体内部的小尺寸缺陷,尺寸往往大于0.5in。为了提高手动扫描的效率,选择尺寸大于0.5in的探头。当层合板中没有损伤时,显示图形中只有始脉冲T和底面回波B两个信号。当检测到分层时,中间会出现一个回波F。通过观察回波F的高度可以分析出分层的大小。通过观察回波F和始脉冲T之间的距离,可以估算出分层距离接触表面的距离。      

 

单探头直射声束脉冲反射法

雷达罩的中央区域是蜂窝夹芯结构,上、下面板是玻璃纤维组成的层合板结构,中间是各种不同形状的聚芳酰胺纤维纸制成的蜂窝。所以雷达罩内部结构复杂,由各种材料混杂而成。由于声能衰减的原因,反射声能非常弱,最好选择直射脉冲透射法。具体的透射法类型由零部件的具体尺寸和所处的位置决定,通常有手动扫描MTTU、计算机辅助C扫面CATTU、轮式扫面WTTU、直接扫描CTTU和空气耦合扫描ATTU。其中手动扫描MTTU的应用最广泛。选择的检测频率在1M赫兹左右。在扫描过程中,发射探头和接收探头的声束轴线要始终保持重合状态。否则将影响检测的效果。没有损伤时,透射波近似等于始脉冲T的高度,出现分层、脱胶时穿透波的高度明显下降甚至消失。双探头直射声束脉冲透射法本身并不能得知损伤深度的信息。但是对于蜂窝夹芯结构,分层、脱胶只会出现在整体结构的上、下表面区域。采取啄木鸟敲击法配合超声波检测的效果会更好。

 

双探头直射声束脉冲透射法

 

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