飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料的典型缺陷檢測(cè)

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空機(jī)械工程與指揮系， 青島 266000)

由于飛機(jī)在飛行過程中會(huì)受到環(huán)境侵蝕(大氣環(huán)境)以及各種載荷沖擊作用，同時(shí)蜂窩復(fù)合材料在生產(chǎn)制造中也會(huì)受生產(chǎn)工藝、制作人員操作不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊?，飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)分離和脫黏等缺陷，產(chǎn)生疲勞應(yīng)力和裂紋，引起各種缺陷和損傷。激光錯(cuò)位散斑無損檢測(cè)法和聲阻檢測(cè)法可用于飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料缺陷的檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性也是行業(yè)人士重點(diǎn)關(guān)注的問題[1-2]。

無損檢測(cè)的可靠性通常指無損檢測(cè)方法對(duì)缺陷的檢出能力，是對(duì)用特定無損檢測(cè)方法檢測(cè)特定類型、特定尺寸缺陷的有效性做出的定量度量。文章使用激光散斑檢測(cè)法并結(jié)合聲阻檢測(cè)法，對(duì)飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料典型缺陷的檢測(cè)可靠性進(jìn)行分析和討論。

1 激光散斑檢測(cè)評(píng)估實(shí)例

試驗(yàn)系統(tǒng)為L(zhǎng)TI-6200S激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)(見圖1)，試驗(yàn)試塊為飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)試塊。試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫郊す馍邫z測(cè)系統(tǒng)對(duì)鋁蜂窩復(fù)合材料分層缺陷的檢出概率。由于加熱時(shí)間為影響檢出概率的主要變量，故將針對(duì)這個(gè)變量進(jìn)行討論。

圖1 LTI-6200S激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)

鋁蜂窩復(fù)合材料內(nèi)部有直徑分別為20,16 mm的圓形缺陷A和B，初始加熱時(shí)間選擇為5 s。

對(duì)缺陷A、B進(jìn)行激光散斑檢測(cè)，并通過試驗(yàn)建模法獲得相應(yīng)的檢出概率。此次試驗(yàn)的期望加熱時(shí)間為5 s，方差為0.1 s2，其取值范圍為2.5～5 s。得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，部分試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 加熱時(shí)間試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 激光散斑檢測(cè)法的缺陷檢出概率試驗(yàn)結(jié)果

在期望加熱時(shí)間為5 s，方差為0.1 s2時(shí)，通過統(tǒng)計(jì)得到的激光散斑檢測(cè)方法對(duì)兩個(gè)缺陷的檢出概率均為100%。

2 激光散斑檢測(cè)法的相對(duì)誤差分析

相比于其他無損檢測(cè)系統(tǒng)，激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)檢出鋁蜂窩復(fù)合材料缺陷的能力較強(qiáng)，在統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)即使將加熱時(shí)間調(diào)為最小值，選擇預(yù)制缺陷中尺寸最小的缺陷，激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)仍然能檢測(cè)出該缺陷，沒有發(fā)生漏檢。這說明激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)在檢出概率上的可靠性相當(dāng)高，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該檢測(cè)系統(tǒng)存在一個(gè)問題，即其得到的檢測(cè)結(jié)果(缺陷的尺寸)的波動(dòng)較大[3-4]，如圖2所示。

圖2 激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷檢測(cè)結(jié)果

而這種波動(dòng)不利于缺陷類型及受損程度的判斷，會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

所以，雖然激光散斑檢測(cè)法對(duì)飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷有著很高的檢出率，但對(duì)于缺陷的檢測(cè)有一定的相對(duì)誤差。而在無損檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)誤差(體現(xiàn)為檢測(cè)結(jié)果的波動(dòng))對(duì)損傷程度與損傷類型的判斷以及修復(fù)方案的制定均會(huì)有一定的影響，使得激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性降低。因此從無損檢測(cè)的實(shí)際要求出發(fā)，有必要在飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)中，引入其他輔助檢測(cè)手段，以提高檢測(cè)的可靠性。

3 飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)，需要考慮以下幾個(gè)方面。

(1) 檢測(cè)方案需發(fā)揮激光散斑檢測(cè)法檢出概率高且檢測(cè)方便、缺陷顯示直觀的優(yōu)點(diǎn)，能快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)缺陷并確定缺陷位置。

(2) 檢測(cè)方案需利用聲阻檢測(cè)法對(duì)缺陷尺寸檢測(cè)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，以其作為激光散斑檢測(cè)法的輔助手段，提高應(yīng)用方案的可靠性。

(3) 檢測(cè)方案要考慮到實(shí)際檢測(cè)對(duì)象多為飛機(jī)機(jī)翼表面，檢測(cè)環(huán)境溫度變化會(huì)影響到激光散斑檢測(cè)的實(shí)施的特點(diǎn)。

(4) 激光散斑檢測(cè)設(shè)備SC-6200的熱加載探頭的有效檢測(cè)區(qū)域尺寸(長(zhǎng)×寬)為0.15 m×0.10 m。

3.1 檢測(cè)方案

(1) 將待測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面擦拭干凈，找到鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)區(qū)域，將鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)區(qū)域表面劃分成多個(gè)矩形塊，每塊尺寸(長(zhǎng)×寬)為0.20 m×0.15 m，并標(biāo)注檢測(cè)順序。

(2) 將LTI-6200激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)增益設(shè)置設(shè)定為10，最小相異調(diào)制為0.1，加熱時(shí)間設(shè)定為5 s，參數(shù)設(shè)定界面如圖3所示。

圖3 激光散斑檢測(cè)參數(shù)設(shè)定

(3) 查看設(shè)備探頭顯示屏上激光散斑圖是否出現(xiàn)脫黏缺陷的特征(蝴蝶斑)，如圖4所示。依次對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)散斑圖上有缺陷特征，則進(jìn)行初步測(cè)量，并依據(jù)檢測(cè)對(duì)象的實(shí)際區(qū)域與顯示屏檢測(cè)畫面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在檢測(cè)對(duì)象上標(biāo)出缺陷位置。

圖4 脫黏缺陷的特征(蝴蝶斑)及其測(cè)量

(4) 利用聲阻檢測(cè)儀器(BondMaster 1000e+)進(jìn)行缺陷尺寸的輔助檢測(cè)，利用標(biāo)準(zhǔn)鋁蜂窩復(fù)合材料缺陷試塊，標(biāo)定儀器正常區(qū)、缺陷區(qū)的檢測(cè)工藝參數(shù)。聲阻檢測(cè)參數(shù)標(biāo)定如圖5所示。

圖5 聲阻檢測(cè)參數(shù)標(biāo)定

(5) 在之前確定的缺陷區(qū)域附近移動(dòng)探頭,當(dāng)探頭檢測(cè)到缺陷時(shí)，儀器會(huì)發(fā)出蜂鳴警報(bào)、探頭紅燈變量、顯示屏上信號(hào)超出閘門，此時(shí)應(yīng)反復(fù)測(cè)試確定缺陷區(qū)域具體邊界并測(cè)出缺陷尺寸。缺陷的聲阻檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 缺陷的聲阻檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 檢測(cè)實(shí)例

選取某飛機(jī)蜂窩鋁復(fù)合材料的脫黏缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，缺陷形狀不規(guī)則，最大脫黏處尺寸為20 mm，按制定的檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)。

使用激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行第一次檢測(cè)時(shí)，就成功發(fā)現(xiàn)了缺陷，如圖7所示，同時(shí)測(cè)量得到缺陷尺寸。重復(fù)操作數(shù)次，發(fā)現(xiàn)激光散斑檢測(cè)系統(tǒng)每次都能檢測(cè)出該缺陷，表現(xiàn)出了很高的檢出率；但缺陷尺寸的檢測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差較大(見表3)，降低了檢測(cè)可靠性。

圖7 激光散斑檢測(cè)驗(yàn)證圖

檢測(cè)組數(shù)檢測(cè)結(jié)果/mm相對(duì)誤差/%120.321.63219.054.70319.303.43418.039.78519.054.70620.070.04718.298.50818.805.08919.054.701018.805.08

在散斑檢測(cè)的基礎(chǔ)上,利用聲阻檢測(cè)法進(jìn)行輔助檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如表4所示，可見檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差較小，貼近缺陷實(shí)際尺寸。所以，利用聲阻檢測(cè)法進(jìn)行輔助檢測(cè)，有效提高了激光散斑檢測(cè)法對(duì)缺陷尺寸檢測(cè)的準(zhǔn)確性。該飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷的散斑檢測(cè)方案操作簡(jiǎn)單、適用性廣、可靠性高，在實(shí)際的航空復(fù)合材料無損檢測(cè)中有應(yīng)用價(jià)值。

表4 聲阻法檢測(cè)缺陷的相對(duì)誤差

4 結(jié)語(yǔ)

通過比較分析飛機(jī)鋁蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷的無損檢測(cè)方法，選擇聲阻檢測(cè)法作為飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)的輔助檢測(cè)方法。結(jié)合激光散斑檢測(cè)評(píng)估結(jié)果和聲阻檢測(cè)法的自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)方案，通過10組驗(yàn)證試驗(yàn)得出飛機(jī)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)缺陷散斑檢測(cè)方案對(duì)直徑不小于16 mm的缺陷具有較高的檢出率，且能準(zhǔn)確檢測(cè)出缺陷的尺寸。