復合材料的超聲無(wú)損檢測技術(shù)
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許多航空材料和結構可以用這種方式進(jìn)行成像和顯示，并可檢測多種類(lèi)型的缺陷。對于復合材料，需要檢測粘接缺陷、分層缺陷、孔隙率以及分層間的異物等。
檢測技術(shù)
用于自動(dòng)化檢測的設備通常使用3 種耦合方式，從使從探頭發(fā)射的超聲有效進(jìn)入待檢零件，他們分別是接觸法、水浸法和噴水法。
接觸法，即讓檢測探頭與待檢測件直接接觸。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在檢測曲面零件時(shí)可使用機械跟蹤器，但檢測速度受到限制。
在大多數情況下，使用水浸或噴水方法進(jìn)行自動(dòng)化檢測，待檢測零件完全浸入水中，或聲束通過(guò)噴出的水柱達到零件表面。水浸檢測方法通常使用脈沖回波技術(shù)從一端進(jìn)行檢測，同一個(gè)探頭既發(fā)射又接收。最近由超聲波科學(xué)有限公司（USL）安裝的水浸系統升級為可在2 種模式下操作，根據檢測的要求和零件的形狀而定。在第一種模式下，復雜形狀零件使用單探頭，掃描線(xiàn)速度500mm/s，往復運動(dòng)間隔1mm，即相當于每小時(shí)掃描面積大約為2m2 ；系統還可以以第二種更高效的方式進(jìn)行掃描，該方式使用100mm 寬的相控陣探頭，將相控陣掃描和機械運動(dòng)相結合。該方式在檢測平板件和單曲面件時(shí)可實(shí)現每分鐘1m2 的產(chǎn)量，與單探頭相比，生產(chǎn)能力大幅提升。
一個(gè)相控陣探頭包含了128 個(gè)獨立的晶片，這些晶片以非常小的間隔，順序發(fā)射超聲脈沖。通常是每秒20000 次，也就是說(shuō)在相控陣探頭隨著(zhù)機械運動(dòng)機構覆蓋整個(gè)零件的時(shí)候，像完成整個(gè)陣列128 個(gè)晶片這樣的一次掃描，每1 秒鐘就可以完成幾百次。每個(gè)獨立的晶片都可以被控制，在檢測材料很小的一塊區域內可以產(chǎn)生非常細節的圖像。
復合材料檢測通常使用噴水檢測方法，一個(gè)探頭發(fā)射出來(lái)的聲束通過(guò)噴出的水柱，被另外一側的第二個(gè)探頭接收。在掃描時(shí)，兩側的水柱角度必須是精確控制的，并保持同軸，否則就會(huì )丟失超聲信號。這就對機械控制系統提出了非常嚴格的要求，尤其是在檢測雙曲面零件時(shí)，此時(shí)如果想提高產(chǎn)能將是非常困難的。但對于USL 系統，即使掃描復雜曲面的零件，掃描速度依然可以很快，而且不會(huì )降低檢測質(zhì)量。
在軍用和商用飛機中使用的復合材料零件通常形狀非常復雜，超聲檢測系統需要集成多個(gè)機械運動(dòng)軸，以?huà)呙柽@些復雜形狀的零件。典型的系統將有10~12 個(gè)軸，這些軸同時(shí)聯(lián)動(dòng)，以便跟蹤零件輪廓。USL 系統具有2 種不同的結構：一個(gè)是水平操作臂結構，而另一個(gè)是垂直操作臂結構。如何選擇，取決于客戶(hù)的意愿和需要檢測零件的范圍。有些時(shí)候噴水和水浸兩種方法都需要，在這種情況下垂直操作臂結構更加適合?？傮w來(lái)說(shuō)，復合材料的多曲面跟蹤檢測要比水浸檢測系統復雜得多，世界上大部分的制造商都是從水浸做起，但真正能夠實(shí)現10~12 軸掃描的多曲面跟蹤檢測系統的廠(chǎng)家并不多，而USL 公司在制造該類(lèi)型系統方面已經(jīng)有近20 年的經(jīng)驗，該類(lèi)型系統數量也有10 多套，積累了豐富的經(jīng)驗。
CATIA 模型
對于水浸和噴水檢測系統，主要的潛在瓶頸就是如何對復雜形狀零件進(jìn)行編程，而通過(guò)直接從CATIA（計算機輔助三維設計系統）中獲取復雜形狀零件的輪廓，可解決零件編程問(wèn)題。
但不足的是，CATIA 模型，特別是復合材料零件的模型，并不總是與待檢測零件的真實(shí)形狀相符。部分是因為零件從工裝上取下的時(shí)候，零件會(huì )發(fā)生塑性回彈，還因為這些零件并不是自支撐的，而是通過(guò)2 點(diǎn)或3點(diǎn)支撐的，這樣就會(huì )出現下垂和扭曲等變形。這樣在檢測設備上的零件
就與CATIA 模型之間產(chǎn)生了微小的不同。
雖然這樣的不同不是很大，但足以影響超聲系統在檢測復雜形狀零件時(shí)的效果。USL 開(kāi)發(fā)出了一種自動(dòng)測量零件位置和真實(shí)形狀的軟件程序，在掃描之前使用。它將在三維方向上調整掃描輪廓，并重新計算聯(lián)動(dòng)的最多12 根軸的位置，這樣各軸跟蹤的就是真實(shí)的零件輪廓，而不是理論的輪廓。該過(guò)程避免了重復掃描過(guò)程，因為在通常情況下只有掃描全部結束后才會(huì )顯示出實(shí)際輪廓與理論輪廓是否一致。
另外，還需要設備使用超高規格的超聲設備，具有高的信噪比和極好
的抵抗外界噪聲的能力。但這還不足以保證小缺陷的100% 檢測。所有這些促使USL 開(kāi)發(fā)集成了許多特殊功能的系統，以滿(mǎn)足檢測的要求，這些系統已經(jīng)在世界范圍內得到廣泛地應用。
聲束的控制
在任何超聲檢測中，都需要嚴格控制聲束與零件表面的角度。如果待檢測的材料是完全平直的，情況就要簡(jiǎn)單得多，但實(shí)際檢測中這樣的情況很少。實(shí)際零件表面的輪廓是變化的，并可能是隨機和不可預測的。
為了實(shí)現板材檢測的高產(chǎn)能，需要使用多探頭組，并配備多路復用器。典型的是配7 和15 個(gè)長(cháng)方形探頭，交錯排列，覆蓋80mm 和150mm的寬度。由于材料是在水浸箱中進(jìn)行檢測的，所有探頭在查找缺陷的同時(shí)，還測量板材的表面位置。測量出的板材表面到探頭表面的距離，即水程，可顯示探頭與表面的中間的角度。并用該數據實(shí)時(shí)對探頭操作器進(jìn)行調整，這樣檢測的角度就保持在正確的數值上（通常是90°）。這樣就可以確保探頭垂直板材表面，并對其進(jìn)行可靠的檢測。
在掃描結束后，在C掃描圖上會(huì )標明可能的缺陷。掃描裝置自動(dòng)移動(dòng)到每個(gè)缺陷位置，操作者對其進(jìn)行確認，判斷是一個(gè)缺陷還是表面上的標簽或是氣泡。由于長(cháng)方形探頭的設計是用于查找缺陷的，但不能精確確定缺陷尺寸，所以在此使用一個(gè)圓形聚焦探頭對缺陷進(jìn)行評定。在有些情況下還使用前面提到的相控陣掃描，但還是多探頭組掃描的產(chǎn)能更高。
在設計零件時(shí)，無(wú)損檢測通常是最后被考慮的事情，所以就會(huì )使問(wèn)題變得更復雜?，F在的許多高級組裝方法，如擴散焊、摩擦焊、摩擦攪拌焊越來(lái)越多地用于日常生產(chǎn)中，并生產(chǎn)出非常復雜的金屬零件，就需要特別形式的無(wú)損檢測。這就對檢測設備制造商和無(wú)損檢測實(shí)際操作者提出了新的要求。同樣，對于航空復合材料來(lái)說(shuō)，由于越來(lái)越多地使用樹(shù)脂轉移模成型工藝，也出現了同樣的問(wèn)題。這些問(wèn)題都需要解決，而且不能引起制造過(guò)程的瓶頸和后續問(wèn)題，所以就需要不斷地對儀器、機械和軟件進(jìn)行創(chuàng )新。(end)
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