超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)詳解
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)--復(fù)合材料中的應(yīng)用:
超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是復(fù)合材料非常重要的檢測(cè)手段,其使用的檢測(cè)頻率通常為0.5~25MHz。超聲脈沖通過(guò)探頭發(fā)射進(jìn)入待檢測(cè)材料,并對(duì)反射和穿透信號(hào)進(jìn)行分析,以得到材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。雖然手動(dòng)檢測(cè)方法還在廣泛使用,但越來(lái)越多的航空制造企業(yè)開(kāi)始使用自動(dòng)化的檢測(cè)系統(tǒng)以產(chǎn)生直觀的掃描圖像,如投影圖像和橫斷面圖像,即所說(shuō)的C 掃描和B 掃描成像。
許多航空材料和結(jié)構(gòu)可以用這種方式進(jìn)行成像和顯示,并可檢測(cè)多種類型的缺陷。對(duì)于復(fù)合材料,需要檢測(cè)粘接缺陷、分層缺陷、孔隙率以及分層間的異物等。
檢測(cè)技術(shù)
用于自動(dòng)化檢測(cè)的設(shè)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(cè)探頭與待檢測(cè)件直接接觸。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在檢測(cè)曲面零件時(shí)可使用機(jī)械跟蹤器,但檢測(cè)速度受到限制。
在大多數(shù)情況下,使用水浸或噴水方法進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè),待檢測(cè)零件完全浸入水中,或聲束通過(guò)噴出的水柱達(dá)到零件表面。水浸檢測(cè)方法通常使用脈沖回波技術(shù)從一端進(jìn)行檢測(cè),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(tǒng)升級(jí)為可在2 種模式下操作,根據(jù)檢測(cè)的要求和零件的形狀而定。在第一種模式下,復(fù)雜形狀零件使用單探頭,掃描線速度500mm/s,往復(fù)運(yùn)動(dòng)間隔1mm,即相當(dāng)于每小時(shí)掃描面積大約為2m2 ;系統(tǒng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)相結(jié)合。該方式在檢測(cè)平板件和單曲面件時(shí)可實(shí)現(xiàn)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(dú)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)在相控陣探頭隨著機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(dú)立的晶片都可以被控制,在檢測(cè)材料很小的一塊區(qū)域內(nèi)可以產(chǎn)生非常細(xì)節(jié)的圖像。
復(fù)合材料檢測(cè)通常使用噴水檢測(cè)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(cè)的第二個(gè)探頭接收。在掃描時(shí),兩側(cè)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(hào)。這就對(duì)機(jī)械控制系統(tǒng)提出了非常嚴(yán)格的要求,尤其是在檢測(cè)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(duì)于USL 系統(tǒng),即使掃描復(fù)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(cè)質(zhì)量。
在軍用和商用飛機(jī)中使用的復(fù)合材料零件通常形狀非常復(fù)雜,超聲檢測(cè)系統(tǒng)需要集成多個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)軸,以掃描這些復(fù)雜形狀的零件。典型的系統(tǒng)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(tǒng)具有2 種不同的結(jié)構(gòu):一個(gè)是水平操作臂結(jié)構(gòu),而另一個(gè)是垂直操作臂結(jié)構(gòu)。如何選擇,取決于客戶的意愿和需要檢測(cè)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(jié)構(gòu)更加適合??傮w來(lái)說(shuō),復(fù)合材料的多曲面跟蹤檢測(cè)要比水浸檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)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?qū)崿F(xiàn)10~12 軸掃描的多曲面跟蹤檢測(cè)系統(tǒng)的廠家并不多,而USL 公司在制造該類型系統(tǒng)方面已經(jīng)有近20 年的經(jīng)驗(yàn),該類型系統(tǒng)數(shù)量也有10 多套,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
CATIA 模型
對(duì)于水浸和噴水檢測(cè)系統(tǒng),主要的潛在瓶頸就是如何對(duì)復(fù)雜形狀零件進(jìn)行編程,而通過(guò)直接從CATIA(計(jì)算機(jī)輔助三維設(shè)計(jì)系統(tǒng))中獲取復(fù)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(fù)合材料零件的模型,并不總是與待檢測(cè)零件的真實(shí)形狀相符。部分是因?yàn)榱慵墓ぱb上取下的時(shí)候,零件會(huì)發(fā)生塑性回彈,還因?yàn)檫@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(xiàn)下垂和扭曲等變形。這樣在檢測(cè)設(shè)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(tǒng)在檢測(cè)復(fù)雜形狀零件時(shí)的效果。USL 開(kāi)發(fā)出了一種自動(dòng)測(cè)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(diào)整掃描輪廓,并重新計(jì)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(fù)掃描過(guò)程,因?yàn)樵谕ǔG闆r下只有掃描全部結(jié)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(shè)備使用超高規(guī)格的超聲設(shè)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(cè)。所有這些促使USL 開(kāi)發(fā)集成了許多特殊功能的系統(tǒng),以滿足檢測(cè)的要求,這些系統(tǒng)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛地應(yīng)用。
聲束的控制
在任何超聲檢測(cè)中,都需要嚴(yán)格控制聲束與零件表面的角度。如果待檢測(cè)的材料是完全平直的,情況就要簡(jiǎn)單得多,但實(shí)際檢測(cè)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(jī)和不可預(yù)測(cè)的。
為了實(shí)現(xiàn)板材檢測(cè)的高產(chǎn)能,需要使用多探頭組,并配備多路復(fù)用器。典型的是配7 和15 個(gè)長(zhǎng)方形探頭,交錯(cuò)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(cè)的,所有探頭在查找缺陷的同時(shí),還測(cè)量板材的表面位置。測(cè)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(shù)據(jù)實(shí)時(shí)對(duì)探頭操作器進(jìn)行調(diào)整,這樣檢測(cè)的角度就保持在正確的數(shù)值上(通常是90°)。這樣就可以確保探頭垂直板材表面,并對(duì)其進(jìn)行可靠的檢測(cè)。
在掃描結(jié)束后,在C掃描圖上會(huì)標(biāo)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(duì)其進(jìn)行確認(rèn),判斷是一個(gè)缺陷還是表面上的標(biāo)簽或是氣泡。由于長(zhǎng)方形探頭的設(shè)計(jì)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(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)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(shè)計(jì)零件時(shí),無(wú)損檢測(cè)通常是最后被考慮的事情,所以就會(huì)使問(wèn)題變得更復(fù)雜?,F(xiàn)在的許多高級(jí)組裝方法,如擴(kuò)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(fù)雜的金屬零件,就需要特別形式的無(wú)損檢測(cè)。這就對(duì)檢測(cè)設(shè)備制造商和無(wú)損檢測(cè)實(shí)際操作者提出了新的要求。同樣,對(duì)于航空復(fù)合材料來(lái)說(shuō),由于越來(lái)越多地使用樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模成型工藝,也出現(xiàn)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(xù)問(wèn)題,所以就需要不斷地對(duì)儀器、機(jī)械和軟件進(jìn)行創(chuàng)新。