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        層壓板和蜂窩結(jié)構(gòu)粘接缺陷的超聲C掃描檢測(cè)

        2012-05-14 06:45:16,,
        無(wú)損檢測(cè) 2012年5期
        關(guān)鍵詞:層壓板蒙皮掃查

        ,,

        (沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)(有限)公司 理化測(cè)試中心,沈陽(yáng) 110850)

        層壓板和蜂窩膠接結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度高及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于制造飛機(jī)的某些構(gòu)件,如機(jī)翼壁板、方向舵、垂尾構(gòu)件以及機(jī)翼等。由于這些材料的制作過(guò)程存在無(wú)法控制的偶然因素,常常導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。為了保障飛機(jī)的安全,上述材料都要進(jìn)行100%無(wú)損檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)層壓板和蜂窩膠接結(jié)構(gòu)研發(fā)的無(wú)損檢測(cè)方法大約有16種,而生產(chǎn)中采用的探傷方法只有3~4種,其中超聲C掃描是最重要的檢測(cè)方法,它的檢測(cè)靈敏度高、自動(dòng)化程度高,因此應(yīng)用比較普遍[1-2]。而對(duì)于形狀復(fù)雜的構(gòu)件和某些特殊情況,其它方法往往具有獨(dú)到之處,因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況選擇不同的方法[3-4]。

        筆者試驗(yàn)所用構(gòu)件是用層壓板和蜂窩膠接結(jié)構(gòu)制造的,其技術(shù)文件規(guī)定需要進(jìn)行超聲C掃描檢測(cè)。介紹了采用超聲C掃描設(shè)備檢測(cè)層壓板和蜂窩膠接結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果。

        1 超聲C掃描設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和功能

        超聲C掃描設(shè)備由計(jì)算機(jī)、超聲波探傷儀、掃描器、掃描器驅(qū)動(dòng)電源四部分組成,如圖1所示。

        圖1 超聲C掃描系統(tǒng)組成框圖

        試驗(yàn)所用超聲波探傷儀的型號(hào)是Sonic-138,使用噴水式探頭,對(duì)于層壓板使用5 MHzφ25.4 mm探頭,對(duì)于蜂窩膠接結(jié)構(gòu)使用1 MHzφ25.4 mm探頭。采用的探傷方法是透射法,要求較高的探頭調(diào)節(jié)精度和掃查精度,特別是要求兩個(gè)探頭的掃查移動(dòng)精確同步。

        掃查器設(shè)有兩個(gè)Y方向移動(dòng)導(dǎo)軌Y1和Y2,兩個(gè)Z方向移動(dòng)導(dǎo)軌Z1和Z2,一個(gè)X方向移動(dòng)導(dǎo)軌X。兩個(gè)探頭可以相互獨(dú)立地在Y和Z方向移動(dòng),探頭采用手工調(diào)節(jié)可以在Z-Y和X-Y兩個(gè)平面內(nèi)改變角度,以保證兩個(gè)探頭的聲軸垂直于被檢測(cè)工件的表面,并且兩個(gè)探頭的聲軸在同一條直線上。兩個(gè)探頭的掃查移動(dòng)包括沿X,Y,Z三個(gè)方向在五個(gè)導(dǎo)軌X,Y1,Y2,Z1,Z2上的移動(dòng),每個(gè)導(dǎo)軌上的移動(dòng)是用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由計(jì)算機(jī)程序控制,這樣就實(shí)現(xiàn)了探頭掃查的計(jì)算機(jī)程控。計(jì)算機(jī)讀出并存儲(chǔ)探頭掃查過(guò)程中有關(guān)探頭位置的數(shù)據(jù)和來(lái)自超聲探傷儀的缺陷回波幅度的數(shù)據(jù),用這些數(shù)據(jù)繪出C掃描圖并顯示在液晶屏上。掃查器不僅能對(duì)平面工件進(jìn)行掃查,編寫并運(yùn)行適當(dāng)?shù)膾卟轵?qū)動(dòng)程序,也能對(duì)曲率不大形狀不很復(fù)雜的曲面工件進(jìn)行掃查。軟件功能除數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)之外,還能計(jì)算缺陷的面積。

        掃查器的性能數(shù)據(jù)為①最大行程X為2 000 mm,Y1和Y2為1 000 mm,Z1和Z2為200 mm。② 最快掃查速度X為300 mm/s,Y1和Y2為100 mm/s。③ 重復(fù)定位精度X為0.5 mm,Y1和Y2為0.2 mm。④ 最小采樣間距0.3 mm。

        2 參考試塊和人工缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

        參考試塊和待檢構(gòu)件的材料和制作工藝完全相同。根據(jù)檢測(cè)需要,制作了九個(gè)參考試塊,每個(gè)試塊的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。1~5號(hào)試塊用于檢測(cè)碳纖維/環(huán)氧層壓板(8~80層)。按照構(gòu)件的技術(shù)文件要求,將兩層0.03 mm厚的聚四氟乙烯薄膜分別剪成φ4和10 mm的圓形薄片,薄片夾在表面下第2層與第3層之間,以及試塊的中心(如40層的層壓復(fù)合材料,就夾在第20層和第21層之間),示意圖見(jiàn)圖2。

        表1 九個(gè)參考試塊的檢測(cè)結(jié)果

        圖2 碳纖維/環(huán)氧層壓板試塊示意圖

        6號(hào)和7號(hào)試塊用于檢測(cè)碳纖維環(huán)氧蒙皮紙蜂窩粘接結(jié)構(gòu)。蒙皮為14層碳纖維環(huán)氧層壓板,夾芯分別為14 mm厚(6號(hào)試塊)和135 mm厚(7號(hào)試塊)紙蜂窩。共設(shè)置了三個(gè)類別,兩種尺寸的人工缺陷。第1類缺陷模擬蒙皮與膠膜之間脫粘,第2類缺陷模擬膠膜與蜂窩之間脫粘,第3類缺陷模擬蜂窩局部下凹。人工缺陷尺寸分別是φ10和16 mm。共六個(gè)人工缺陷,都是把兩層0.03 mm厚的聚四氟乙烯圓片鑲嵌在材料內(nèi)適當(dāng)位置(圖3)。

        圖3 碳纖維環(huán)氧蒙皮紙蜂窩夾芯粘接結(jié)構(gòu)試塊示意圖

        8號(hào)和9號(hào)試塊用于檢測(cè)鋁合金蒙皮鋁合金蜂窩粘接結(jié)構(gòu)。蒙皮厚度分別是0.3 mm(8號(hào)試塊)和0.4 mm(9號(hào)試塊),蜂窩規(guī)格分別是0.03 mm厚×4 mm邊長(zhǎng)(8號(hào)試塊)和0.04厚×3 mm邊長(zhǎng)(9號(hào)試塊),蜂窩厚度30 mm。和6號(hào)7號(hào)試塊一樣,設(shè)置了三個(gè)類別的人工缺陷,但是缺陷尺寸只有φ16 mm一種,缺陷的制作方法也和前面所述相同(圖4)。

        圖4 鋁合金蜂窩板試塊示意圖

        對(duì)上述九個(gè)試塊進(jìn)行超聲C掃描檢測(cè),在八個(gè)試塊上取得了良好的試驗(yàn)結(jié)果。如圖5~7的缺陷圖像清晰,缺陷尺寸與實(shí)際尺寸一致。7號(hào)試塊由于紙蜂窩的厚度太厚(135 mm),Sonic-138型儀器功率目前還不能對(duì)這種材料進(jìn)行檢驗(yàn)。計(jì)劃用一臺(tái)發(fā)射電壓更高的儀器替換現(xiàn)在用的儀器之后進(jìn)行試驗(yàn)。

        表1中給出了每個(gè)試塊的材料和人工缺陷的尺寸,以及對(duì)每個(gè)試塊進(jìn)行檢測(cè)的條件和結(jié)果。

        3 結(jié)語(yǔ)

        文中介紹的超聲C掃描探傷系統(tǒng)Sonic-138采用計(jì)算機(jī)程控掃查,自動(dòng)化程度高,調(diào)節(jié)標(biāo)定方便,掃查精度高,缺陷圖像清晰。試驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)備檢測(cè)航空用碳纖維環(huán)氧層壓板、碳纖維環(huán)氧層壓板紙蜂窩粘接結(jié)構(gòu)、鋁合金板鋁合金蜂窩粘接結(jié)構(gòu)三種材料的探傷靈敏度和缺陷面積測(cè)量精度,都能滿足有關(guān)的技術(shù)文件的要求。但對(duì)于紙蜂窩厚度為135 mm的粘接結(jié)構(gòu),該設(shè)備的超聲發(fā)射功率不足,還需要研究改進(jìn)。

        [1]Adams R D,Cawley P.A review of defect types and nondestructive testing techniques for composites and bounded joints[J].NDT International,1988,21(4):208-222.

        [2]李慧娟,吳東流,王俊濤,等.鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的各種無(wú)損檢測(cè)方法[J].無(wú)損探傷,2009,33(2):9-12.

        [3]Halmshaw R.Non-destructive Testing[M].Edward Arnold,London,1987:202-203,296-299,302-305.

        [4]李家偉,陳積懋.無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:954-1014.

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