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超聲無損檢測新技術(shù)對航空制造業(yè)的重要影響

發(fā)布時間：2017-06-23  點擊次數(shù)：人次  分享：

超聲無損檢測是通過超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應(yīng)用性進行評價的技術(shù)。

機翼的超聲波相控陣NDT檢測

超聲波無損檢測原理

超聲波檢測過程分為四個階段：①用某種方式向被檢測試件中引入或激勵超聲波；②超聲波在試件中傳播并與試件材料和其中的物體相互作用，使其傳播方向或特征改變；③改變后的超聲波有通過檢測設(shè)備被檢測到，并對其進行分析處理；④根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部存在的缺陷的特征。用于發(fā)現(xiàn)缺陷并進行評估的基本信息有：①來自材料內(nèi)部各種不連續(xù)的反射信號的存在及其幅度；②入射信號與接收信號之間的聲傳播時間；③聲波通過材料以后能量的衰減。

超聲波無損檢測的優(yōu)點：適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無損檢測；穿透能力強，可對較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件；缺陷定位較準確；對面積型缺陷的檢出率較高；靈敏度高，可檢測試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷；檢測成本低、速度快，設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用較方便。

超聲波檢測的局限性：對試件中的缺陷進行精確的定性、定量仍須作深入研究；對具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進行超聲檢測有困難；缺陷的位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有一定影響；材質(zhì)、晶粒度等對檢測有較大影響；以常用的手工A型脈沖反射法檢測時結(jié)果顯示不直觀，且檢測結(jié)果無直接見證記錄；需要耦合劑。

超聲檢測新技術(shù)

近年來，為了滿足新型飛機的零部件制造要求，飛機材料制造技術(shù)發(fā)展迅速，不斷涌現(xiàn)出新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，常規(guī)超聲檢測技術(shù)已經(jīng)難以滿足飛機零構(gòu)件的檢測要求。例如，目前廣泛使用的常規(guī)超聲技術(shù)難以檢測型面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，部分復(fù)合材料不適合使用耦合劑，大型飛機結(jié)構(gòu)難以進行自動、快速檢測以及外場檢測等。因此，需要發(fā)展新的技術(shù)以滿足新型飛機構(gòu)件的檢測要求。復(fù)雜型面檢測、非接觸檢測、快速檢測和外場檢測是新型無損檢測技術(shù)的緊迫需求和發(fā)展方向。

針對上述問題，國外已研究實現(xiàn)多項超聲無損檢測新技術(shù)的應(yīng)用。目前，波音、空客等飛機制造商已普遍采用大型噴水超聲C掃描技術(shù)對大型復(fù)合材料構(gòu)件進行快速自動檢測；波音已將相控陣超聲技術(shù)用于復(fù)雜型面構(gòu)件的快速檢測，實現(xiàn)特殊部位的全覆蓋掃描；空客已使用空氣耦合超聲技術(shù)檢測蜂窩夾芯構(gòu)件，檢測過程中不再使用超聲耦合劑；洛克希德·馬丁和空客公司已采用先進的激光超聲系統(tǒng)對大型復(fù)雜型面部件進行快速、自動檢測；達索公司已將激光超聲系統(tǒng)用于在役飛機的現(xiàn)（外）場檢測；在國內(nèi)，水浸、噴水超聲C掃描技術(shù)已廣泛用于飛機復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測，但是對相控陣超聲、激光超聲、空氣耦合超聲等新型檢測技術(shù)的研究和應(yīng)用相對國外較為滯后，現(xiàn)有技術(shù)難以解決飛機材料構(gòu)件的非接觸檢測、復(fù)雜型面檢測和外場快速檢測等問題。

水浸超聲C掃描技術(shù)

原理

水浸超聲檢測的原理是將探頭和試件全部或部分浸于水中，以水作為耦合劑，超聲波通過水進入試件進行檢測的技術(shù)。其中根據(jù)探頭的種類可分為A掃描、B掃描和C掃描，A掃描主要用于快速普查缺陷，B掃描采用數(shù)字成像技術(shù)，C掃描采用圖像處理技術(shù)。

美國PAC水浸超聲C掃描系統(tǒng)

水浸超聲檢測系統(tǒng)具有以下優(yōu)越性：

（1）探頭和試件不接觸，超聲波的發(fā)射和接收都比較穩(wěn)定。

（2）通過調(diào)節(jié)探頭角度，可方便地改變探頭發(fā)射的超聲束的方向，從而很容易地實現(xiàn)斜射聲束檢測，以及沿曲面或不規(guī)則表面進行的掃查，對于獲得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的。

（3）由于表面回波寬度比發(fā)射脈沖寬度窄，可縮小檢測盲區(qū)，從而可檢測較薄的試件。

（4）由于探頭不直接接觸試件，探頭損壞的可能性較小，探頭壽命長。 

（5）便于實現(xiàn)聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率檢測的需要。

（6）探頭可以在機械系統(tǒng)驅(qū)動下運行，便于實現(xiàn)自動檢測，減少影響檢測可靠性的人為因素。

航空航天復(fù)合材料雷達罩噴水/水浸C-掃描檢測系統(tǒng)

水浸超聲C掃描技術(shù)具有很多優(yōu)點，但是對于大型的復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測就比較不方便，因此就有了噴水超聲C掃描技術(shù)的發(fā)展。目前噴水超聲C掃描技術(shù)已普遍應(yīng)用于飛機大型復(fù)合材料構(gòu)件的快速自動檢測，可有效檢測出飛機復(fù)合材料構(gòu)件中的分層、孔隙、脫粘、夾雜等各類缺陷，具有適用范圍廣、準確度高、檢測效率高等特點。國外早已研制出標準的工業(yè)型噴水超聲C掃描系統(tǒng)，并廣泛用于飛機復(fù)合材料構(gòu)件的無損檢測。

噴水超聲C 掃描系統(tǒng)

國內(nèi)仍然主要購置國外設(shè)備用于飛機制造，缺乏自主技術(shù)和設(shè)備。

哈飛的噴水超聲C掃描系統(tǒng)

在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

以北航自主研制的大型噴水超聲C 掃描系統(tǒng)為例來研究噴水超聲C掃描技術(shù)。

北航周正干等用其自主研制的大型噴水超聲C掃描系統(tǒng)按檢測標準要求分別進行了碳纖維復(fù)合材料層壓板、等厚度蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件和變厚度蜂窩夾芯復(fù)合材料構(gòu)件標準試樣的超聲C 掃描檢測測試，檢測結(jié)果如圖所示。

碳纖維復(fù)合材料檢測

等厚蜂窩夾芯復(fù)合材料檢測

變厚蜂窩夾芯復(fù)合材料檢測

測試數(shù)據(jù)表明，研制的系統(tǒng)可檢出飛機復(fù)合材料構(gòu)件中直徑2mm 以上模擬缺陷，檢測結(jié)果與試塊中預(yù)置缺陷尺寸、位置、形狀特征一致。目前，北航研制的大型噴水超聲C 掃描系統(tǒng)的技術(shù)指標達到工程應(yīng)用要求，并已在國內(nèi)某飛機制造廠投入使用。

相控陣超聲技術(shù)

原理

超聲相控陣技術(shù)已有50多年的發(fā)展歷史。相控陣超聲波檢測作為一種獨特的技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用，在21世紀初已進入成熟階段。

超聲波相控陣設(shè)備

1990s由電池供電的便攜式相控陣設(shè)備正式應(yīng)用于工業(yè)檢測領(lǐng)域。模擬設(shè)備需要電源及空間來創(chuàng)建可以控制聲束的多通道結(jié)構(gòu)，但是進入數(shù)字時代后，成本低廉的嵌入式微處理器的快速發(fā)展推動了下一代相控陣設(shè)備的快速發(fā)展。除此之外，低電電子元件、更好的省電結(jié)構(gòu)以及整個行業(yè)大量使用粘貼板的設(shè)計也推進了新一代小型化的高級技術(shù)的發(fā)展。新一代的相控陣設(shè)備可以在一臺便攜裝置中進行電子設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、顯示及分析，從此次相控陣技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用變得更為廣泛。

傳統(tǒng)的超聲檢測采用單晶片探頭發(fā)散聲束。在某些情況下也采用雙晶片探頭或者單晶片聚焦探頭來減小盲區(qū)和提高分辨率。但是不管是哪種情況下，超聲場在介質(zhì)中均是按照一個單一角度的軸線方向傳播，限制了超聲檢測對于不同方向缺欠定性和定量的能力。因此，對于復(fù)雜幾何外形、大壁厚或者探頭掃查空間有限的情況檢測很難實現(xiàn)，為此就需要采用相控陣多晶片探頭和電子聚焦聲束來滿足上述情況的檢測要求。

傳統(tǒng)的超聲檢測與相控陣列超聲的比較

在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

超聲相控陣技術(shù)是當今無損檢測技術(shù)中最先進的超聲檢測新方法。在型面復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)檢測中具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，適用于復(fù)雜型面的材料構(gòu)件和特殊部位的高精度檢測，在飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測中具有廣闊應(yīng)用前景。檢測結(jié)果以圖像形式顯示，為缺陷定位、定量、定性、定級提供了豐富的信息。

北航自主研制的相控陣超聲檢測系統(tǒng)

NDT Solutions公司的（NDTS，新里士滿，威斯康星州）FlawInspecta 64通道，高速超聲相控陣檢測系統(tǒng)經(jīng)由吸盤連接到飛機機翼底部進行MAUS無損檢查掃描單元。

空氣耦合超聲技術(shù)

原理

空氣耦合超聲技術(shù)是解決不宜使用聲耦合劑的特殊材料與結(jié)構(gòu)檢測問題的途徑。該技術(shù)在檢測過程中不使用耦合劑，并且適合大型結(jié)構(gòu)的快速檢測和現(xiàn)場檢測。為實現(xiàn)非接觸式超聲波檢查，必須使超聲波效的發(fā)射到空氣中，穿過檢測工件，將接收信號進行成像處理，所以必須解決三個問題：第一，研制聲阻抗匹配層材料，實現(xiàn)探頭和空氣的最佳耦合；第二，研制超高功率發(fā)射接收器，實現(xiàn)向空中發(fā)射高功率的超聲波；第三，研制前置放大器，實現(xiàn)接收信號的增幅。

a.空氣耦合超聲波C掃描成像系統(tǒng)PC和超聲波脈沖發(fā)生器接收機系統(tǒng)；b.X-Y掃描儀

空氣耦合超聲波檢測方法

空氣耦合超聲C掃描技術(shù)框圖

在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

飛機蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、使用中容易產(chǎn)生脫粘。目前，普遍采用超聲技術(shù)檢測此類結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷。但是，泡沫夾芯、紙蜂夾芯復(fù)合材料構(gòu)件容易受到液體耦合劑的影響，常規(guī)超聲檢測技術(shù)難以適用，空氣耦合超聲技術(shù)在此類結(jié)構(gòu)的非接觸檢測中具有技術(shù)優(yōu)勢。

北航設(shè)計了一套空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)檢測了蜂窩夾芯復(fù)合材料，制備預(yù)埋缺陷的紙蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試樣如圖所示。試樣蒙皮厚度約為1mm、蜂窩芯厚度約為10mm。蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣的空氣耦合超聲C掃描圖像，其中缺陷特征清晰可辨，驗證了空氣耦合超聲檢測技術(shù)應(yīng)用于蜂窩夾芯復(fù)合材料脫粘檢測的可行性。

空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)

（a）蜂窩夾芯復(fù)合材料試樣

（b）空氣耦合超聲C掃描圖像

蜂窩夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

日本進行的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的成像

激光超聲技術(shù)

原理

激光超聲是一種非接觸、高精度、無損傷的新型超聲檢測技術(shù)。它利用激光脈沖在被檢測工件中激發(fā)超聲波，并用激光束探測超聲波的傳播，從而獲取工件信息，比如工件厚度、內(nèi)部及表面缺陷，材料參數(shù)等等。該技術(shù)接合了超聲檢測的高精度和光學(xué)檢測非接觸的優(yōu)點,具有高靈敏度(亞納米級)，高檢測帶寬(GHz)的優(yōu)點。

激光超聲是利用高能量的激光脈沖與物質(zhì)表面的瞬時熱作用，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，然后利用這種小熱層在材料內(nèi)部向四周熱膨脹擴散產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而通過這種熱應(yīng)力產(chǎn)生超聲波。激光作用在材料上產(chǎn)生兩個熱特性區(qū)：灼燒區(qū)、熱彈區(qū)。

在高的能量作用下，物體的溫度升高超過了其蒸發(fā)溫度，原子以高速離開物體表面，產(chǎn)生一個動量，這種產(chǎn)生超聲的模式稱為熱蝕效應(yīng)。

當激光器的能量不足在表面上形成腐蝕現(xiàn)象時，在固體表面產(chǎn)生熱特性區(qū)，從而在物體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波即超聲波，較低的吸收率下，表面吸收的熱量沒有超過其融化溫度，產(chǎn)生源是一個短暫的膨脹過程，與這個膨脹相關(guān)的壓力波絕大部分低于彈性范圍內(nèi)，這種模式稱為熱彈效應(yīng)。

在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

激光超聲檢測技術(shù)在上世紀九十年代晚期出現(xiàn)成熟的商用系統(tǒng)并最早在無縫鋼管產(chǎn)業(yè)開始應(yīng)用。目前該技術(shù)的成熟工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)擴展到硅片檢測，激光焊接焊縫質(zhì)量在線監(jiān)控，風力發(fā)電機葉片檢測，飛機機身搭接腐蝕檢測，高溫陶瓷，金屬，復(fù)合材料檢測，電子元器件/半導(dǎo)體封裝質(zhì)量檢測，各種材料涂層缺陷檢測等眾多領(lǐng)域，針對其他應(yīng)用的商用系統(tǒng)也不斷成熟并走向市場。

激光超聲檢測技術(shù)在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速現(xiàn)場檢測中獨具優(yōu)勢。該項技術(shù)以脈沖激光在材料中激發(fā)超聲波，基于光學(xué)儀器對聲波進行非接觸式的測量。檢測過程中不使用超聲耦合劑，并且具有高空間分辨力。脈沖激光能夠在與結(jié)構(gòu)表面不垂直條件下進行超聲波的遠距離激發(fā)和接收。因此，激光超聲檢測技術(shù)特別適合大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速自動檢測，也可以外場應(yīng)用。技術(shù)難點在于聲波熱彈激勵的激光參數(shù)控制技術(shù)和高靈敏度、高重復(fù)頻率的激光探測技術(shù)。

非接觸激光超聲無損檢測系統(tǒng)

由于激光超聲檢測技術(shù)有突出的優(yōu)點，常用于復(fù)雜的幾何形狀如：楔形結(jié)構(gòu)、拐角結(jié)構(gòu)、V型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)等。國外在航空工業(yè)及其他領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用效果。

下圖所示為碳纖維樹脂基復(fù)合材料沖擊試樣測試工業(yè)型激光超聲檢測系統(tǒng)原理樣機的檢測性能，并與水浸超聲檢測進行對比，試樣幾何尺寸約150mm×100mm×5.8mm，試樣中心受沖擊作用產(chǎn)生大面積分層。采用脈沖反射法檢測，根據(jù)試樣底面回波幅度進行C型成像。圖（a）是碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的水浸超聲C掃描圖，采用聚焦超聲探頭，探頭中心頻率約2.5MHz、焦斑直徑約6mm，掃描間距0.5mm。圖（b）是碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的激光超聲C掃描圖，采用帶通濾波器提取2~3MHz超聲頻率成分，掃描間距0.5mm。

對比下圖（a）、（b）得出，碳纖維復(fù)合材料沖擊試樣的激光超聲C掃描圖與水浸超聲C掃描圖在沖擊分層的形狀、位置和尺寸表征方面具有一致性。然而，由于復(fù)合材料試樣沖擊區(qū)域表面狀態(tài)變化和沖擊分層的不規(guī)則形式對激光超聲和水浸超聲檢測參量的影響不同，這會導(dǎo)致兩種方法在沖擊分層的定量方面存在差異。

利用激光超聲技術(shù)進行無縫鋼管的壁厚在線測量不僅僅能縮短生產(chǎn)線的停工時間，更能改進成品質(zhì)量，降低返工所帶來的經(jīng)濟損失。

無縫鋼管壁厚在線監(jiān)控系統(tǒng)

激光超聲檢測技術(shù)則可以對焊接過程進行實時監(jiān)控并向焊接機器人提供反饋，從而確保最終的焊縫質(zhì)量，大大降低返工率，提高生產(chǎn)效率。

激光焊縫質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)

復(fù)合材料是現(xiàn)代飛機設(shè)計應(yīng)用的重要材料，在飛機上用量達到52%，直升機上用量甚至達到70%以上。目前越來越多的使用大型復(fù)合材料通用結(jié)構(gòu)件，而這些大型構(gòu)件價格不菲，一旦返工，損失就很大。這就要求改進其設(shè)計和制造流程，在其制造過程中實時檢測其質(zhì)量及缺陷。激光超聲檢測系統(tǒng)則可以提供高精度的現(xiàn)場檢測，及時為復(fù)合材料工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)件制造提供反饋信息，幫助穩(wěn)定工藝，提高產(chǎn)品的合格率，降低生產(chǎn)成本。

航空復(fù)合材料現(xiàn)場檢測系統(tǒng)

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