超声探伤仪

应用

要保证航天飞机的复合材料结构在整个在役过程中的完整性，材料的完好粘接状态至关重要。为此，我们开发了用于在维护过程中评估材料粘接质量的无损检测（NDT）方法。这则应用注释回顾了最近为提高检测的可靠性而开发的多种方法。

背景

目前在飞机制造过程中对复合材料的使用急剧增长。各大主要机身制造商，如：波音（Boeing）和空中客车（Airbus），在他们各自的商业飞机制造中，已经极大地增加了对复合材料的使用。Boeing 787的整个机身几乎都是由复合材料制成，而Airbus A380和A350也添加了大量的复合材料结构。支线和商用喷气式飞机制造商在制造各自的飞机时，也增加了对复合材料的使用。在军用飞机的制造上，也出现了同样的复合材料使用增长的现象，如：F22战斗机和A400运输机。

由于飞机的结构很容易受到撞击和雷击，因此需要使用一些可靠有效的无损检测方式（NDT），对飞机受到撞击后可能出现的损伤进行快速评估。这些由世界各地的NDT检测人员所使用的方法和仪器，一定要简单好用，以确保在飞机的维护核查过程中，获得一致性的检测结果。

飞机受到撞击后，可能会使其复合材料结构出现不同类型的损伤。损伤的情况会根据复合材料部件的特性、组成材料及密度而不同。复合材料层压结构受到撞击后产生的缺陷，主要是机身的各种层压材料之间以及与机翼蒙皮之间的分层缺陷。不过撞击也会引起蒙皮与加强筋之间的脱粘。这种脱粘情况会极大地伤害飞机结构的完整性。B787型和A350型飞机的机身主要为层压结构。

图1：层压结构的分层缺陷

在层压碳皮之间的带有蜂窝夹芯（NOMEX等）的复合材料夹层结构中，撞击结果会表现为不同类型的损伤。在飞机遭到撞击后，可能会出现以下缺陷：
A型：平行于表面的外部CFRP蒙皮的多层材料之间出现分层缺陷
B型：外侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷
C型：平行于检测表面的蜂窝芯出现裂纹
D型：平行区域的蜂窝芯被碾碎
E型：内侧蒙皮与蜂窝芯之间的脱粘缺陷
F型：蜂窝芯中有流体侵入

图2：复合材料夹层结构中的损伤

解决方案和设备

多模式声学粘接检测

奥林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一发一收模式、机械阻抗分析（MIA）和谐振检测方式对复合材料进行检测的多模式超声粘接检测仪器。很久以前这款仪器就用于对大多数现有的飞机进行检测，只是最近又开发出了借助这款仪器完成的新的检测方式。

图3：奥林巴斯的BondMaster 600

一发一收模式用于检测带有蜂窝结构的复合材料。发射器将声能传送到工件内，然后，接收器再接收反射回来的声能。在粘接完好的条件下，部分声能由于蜂窝结构的吸收而产生衰减。当探头被放置在脱粘区域上时，返回到接收器的声能会变得很大，并会引起波幅的变化。

图4：粘接检测的一发一收模式

这项技术最近得到了优化调整，可以可靠地探测到位于40毫米厚的蜂窝结构以下远端的（面积为25毫米 × 25毫米）脱粘缺陷，如：E型缺陷。针对困难且费时的空中客车（Airbus）飞机的检测，我们专门设计了一种新式差分高电压探头。在空中客车的维护公告中，现在记载着使用这种探头检测所获得的非同寻常的结果。

常规超声检测

超声技术是在检测复合材料结构时使用的最为广泛的一种技术。如今已经开发了各种各样的用于复合材料检测的超声仪器。一般来说，超声波可以在复合材料层压结构中很好地传播，而且可以相当容易地探测到异常现象。不过，在检测夹芯结构时，超声波会因为内芯结构的不均匀性和低密度性，而得到极大的衰减。因此，利用超声技术对夹芯结构进行的检测，要求仪器具有更多专用的功能。

在制造环境中，大型夹芯平板工件可以通过穿透方式得到检测。在这种穿透检测过程中，相对较高波幅的超声波被发送到工件，并穿过工件，然后位于工件另一侧的接收探头再对信号的衰减程度进行测量。所得到的结果一般表现为C扫描图像。这种技术已经得到广泛地应用，而且非常可靠。但是，这种技术不能用于维护环境中，因为我们不可能从飞机结构的两侧接触到需要检测的部位。

不过，我们可以通过超声技术，探测到飞机内侧和外侧蒙皮的脱粘缺陷，流体侵入情况，以及夹芯碾碎的情况。在这类检测中，必须要使用低频探头和底面信号的跟踪功能，而且要以一种非常聪明的方式使用这些设备和功能。外侧蒙皮的分层缺陷，以及外侧蒙皮与夹芯之间脱粘的缺陷，表现为底面回波信号得到完全衰减的特性。

最近开发的一项技术可以探测出内侧蒙皮和夹芯之间的脱粘缺陷。这个技术要使用一种宽带宽的1 MHz探头。当这个探头被一个强大的方波脉冲激励时，会在探头下方的结构中产生谐振。仪器的接收器滤波器被调节到被检结构的厚度，并在相应的半波长条件下发挥作用。脱粘情况会降低结构的硬度，会使谐振转换到更长的波长，因此会使谐振的频率降低。内部结构中的一个25毫米 × 25毫米的脱粘缺陷会因此使底面回波信号的衰减从6 db增加到12 db。

图5：超声谐振技术原理

具有高电压脉冲、优质方波脉冲，以及可选窄带滤波器的EPOCH 650超声探伤仪是应用这项技术的首选仪器。

图6：奥林巴斯的EPOCH 650

相控阵超声检测

最近，诸如超声相控阵的一些新技术也得到了发展。现在市场上还出现了易于使用的便携式仪器。在飞机制造商的维护手册中已经提及了可用于各种检测应用的OmniScan PA仪器，所提及的应用包含探测复合材料层压结构中的撞击损伤。

在检测这种结构时，需要使用仪器的线性扫查功能。仪器使用零度线性扫查功能时，仅通过一次扫查就可以覆盖大面积的区域。这种仪器与便携式扫查器一起使用时，如：Glider，可以在C扫描图像中显示检测结果，从而为用户提供了一种被检结构的映射图像。通过使用扫查器，并借助图像功能，增加了检测的可靠性，并提高了检测速度。

图7：用于复合材料检测的奥林巴斯的OmniScan PA和GLIDER

借助活动梯使用的手持式损伤检测仪

在NDT技术人员投入了大量的精力，开发出超声检测的新式方法和新型仪器的同时，（由于飞机制造越来越多地使用复合材料结构，）也需要对降落到机场并等待起飞的飞机，快速进行检查，以发现飞机是否有因撞击而造成的损伤。由于不是全球每个机场都配备有无损检测技术人员，因此这类仪器的设计目的是由非技术人员使用，探测出可能因撞击而引起的分层缺陷。