蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料遇到了超聲相控陣技術(shù)
航空復(fù)合材料現(xiàn)今已被越來越多地應(yīng)用于飛機(jī)制造行業(yè)，尤其是大型客機(jī)，如波音787和空客A380等飛機(jī)上的復(fù)合材料使用比例接近50%，因而復(fù)合材料的檢測越來越受到關(guān)注。
而在復(fù)合材料檢測方法中，傳統(tǒng)的敲擊法已經(jīng)無法滿足企業(yè)對產(chǎn)品高質(zhì)量的要求，因而越來越多的飛機(jī)部件制造企業(yè)開始使用更為先進(jìn)的噴水耦合超聲穿透傳輸方法（TT）對復(fù)合材料進(jìn)行檢測。
該方法檢測效率較高，且檢測精度也非常高。但這種檢測系統(tǒng)的成本也非常昂貴，且需要大面積的場地和作業(yè)區(qū)，使得只有一些超大型企業(yè)才可能使用這種技術(shù)。而且由于噴水耦合超聲穿透傳輸方法需要工件的兩面都可接觸，這樣對于一些飛機(jī)維修維護(hù)企業(yè)來說也是無法實現(xiàn)的。
另外，還有一種常規(guī)使用的脈沖回波技術(shù)，大多是用來檢測層壓復(fù)合材料，而對于蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料則很少使用該技術(shù)進(jìn)行檢測。
相控陣技術(shù)作為無損檢測行業(yè)的新興技術(shù)，起源于醫(yī)療行業(yè)。
20世紀(jì)80年代中期
隨著復(fù)合壓電材料的發(fā)明，相控陣技術(shù)得到了快速的發(fā)展。
90年代初
相控陣技術(shù)作為一種新的無損評估技術(shù)出現(xiàn)在超聲手冊和培訓(xùn)手冊中。
90年代末
隨著復(fù)合壓電技術(shù)、微加工技術(shù)、微電子技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展，使得相控陣技術(shù)日趨成熟，尤其是計算處理能力的增強(qiáng)使得軟件功能得到極大提升。
下面筆者就來介紹一下如何通過超聲相控陣技術(shù)，結(jié)合高頻相控陣探頭，使用脈沖回波方法對蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料進(jìn)行檢測，來清晰看到蒙皮與蜂窩的脫粘，及脫粘面積。
設(shè)備
主機(jī)
Omniscan MX2相控陣探傷儀，通道數(shù)16:128
探頭
10MHz，32晶片相控陣探頭，0.31mm晶片間距，7mm晶片高度，配備一個零度楔塊
掃查器
雙軸編碼掃查器Versamouse
工作模式
相控陣線性掃查，脈沖回波模式
雙軸掃查器及探頭
儀器基本參數(shù)設(shè)置
一次激發(fā)晶片數(shù)
8個
總共激發(fā)晶片數(shù)
32個
聚焦深度
50mm
基本增益
8dB
TCG增益
39dB，位置11.19mm
實驗結(jié)果分析
通過該技術(shù)對鋁蒙皮/鋁蜂窩結(jié)構(gòu)（蒙皮厚度1mm）進(jìn)行檢測。從下圖中的C掃描圖像可以清晰地看到缺陷的形貌，并可對缺陷進(jìn)行尺寸測量。通過C掃描測量出的缺陷長度為20.50mm，非常接近使用噴水耦合穿透傳輸檢測的結(jié)果（20.32mm）。
鋁蒙皮/鋁蜂窩結(jié)構(gòu)相控陣C掃描圖像
鋁蒙皮/鋁蜂窩結(jié)構(gòu)噴水耦合穿透傳輸檢測結(jié)果
下圖為在鋁蒙皮/鋁蜂窩結(jié)構(gòu)件上沒有缺陷處的扇掃和A掃描圖像，從圖中可見在閘門范圍內(nèi)幾乎沒有回波信號，原因是聲波全部被蜂窩結(jié)構(gòu)吸收了。
下圖為CFRP蒙皮/Nomax蜂窩結(jié)構(gòu)（蒙皮厚度1mm）的檢測結(jié)果，同樣可以清晰的看到蒙皮與蜂窩的脫粘形貌。在C掃描圖中測量該缺陷為19.59mm×18.75mm。對比噴水穿透傳輸方法的檢測結(jié)果（0.75in×0.75in = 19mm×19mm），兩者結(jié)果非常接近。
CFRP蒙皮/Nomax蜂窩結(jié)構(gòu)相控陣C掃描
CFRP蒙皮/Nomax蜂窩結(jié)構(gòu)噴水C掃描檢測結(jié)果
同樣為CFRP蒙皮/Nomax蜂窩結(jié)構(gòu)，但兩個缺陷所在的蒙皮厚度不同（左側(cè)2.6mm，右側(cè)1.3mm），得到的檢測結(jié)果如下圖所示，由圖中可見不同蒙皮厚度的試件同樣可以檢測到脫粘缺陷。
CFRP蒙皮/Nomax蜂窩結(jié)構(gòu)不同蒙皮厚度檢測結(jié)果
結(jié)論
使用超聲相控陣技術(shù)可以有效地檢測到蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的蒙皮與蜂窩的脫粘結(jié)構(gòu)，并且可以呈現(xiàn)C掃描圖像。圖像測量出的尺寸與噴水耦合穿透傳輸法檢測的結(jié)果一致，且該方法使用便攜探傷儀，使檢測成本大大降低。
本文作者：
王曉寧，畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，碩士?，F(xiàn)就職于奧林巴斯（中國）有限公司，任技術(shù)支持與應(yīng)用部門經(jīng)理。