整體復合材料油箱壁板原位無損檢測技術

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(中國飛機強度研究所， 西安 710065)

以碳纖維為主要增強材料的先進復合材料具有高比強度、高比剛度、可設計性強、疲勞性能好、耐腐蝕、多功能兼容性、材料與構件制造的同步性和便于大面積整體成形等特點[1]，在航空領域的應用日益廣泛，如我國現(xiàn)役的某系列飛機普遍采用了先進的復合材料整體化機翼油箱。但復合材料存在層間強度低、抗壓能力弱等缺點，尤其是機翼油箱整體壁板更易受冰雹和跑道碎石撞擊而產(chǎn)生目視不可見的損傷，嚴重影響了油箱的力學性能和飛機結構的安全性。因此，對飛機機翼油箱壁板進行定期的全面無損檢測尤為重要[2]。

根據(jù)油箱壁板復合材料的結構特點、損傷特征、檢測要求和檢測環(huán)境等可知，超聲是目前應用最有效的一種無損檢測方法[3-5]。由于機翼油箱壁板尺寸較大，傳統(tǒng)的單晶超聲波技術檢測效率非常低；油箱中殘存的油液不僅會使壁板底面超聲回波信號衰減，還會浸入復材膠接結構可能產(chǎn)生的脫黏損傷中，從而給檢測結果的評判帶來影響。因此，為了解決復合材料機翼油箱壁板檢測效率低的問題和降低油箱中殘存油液對檢測結果的評判所帶來的影響，迫切需要開展飛機復合材料油箱壁板的無損檢測技術研究，以建立相應的檢測技術方案和評定判據(jù)，為飛機服役中的檢測維護提供技術支持。

從超聲檢測原理出發(fā)，驗證了用超聲相控陣檢測取代傳統(tǒng)超聲檢測技術可大幅提高檢測效率，并根據(jù)油箱壁板在役檢測的特點，編制了相應的在役快速化檢測方案。從油液高度對超聲信號的影響和油液對缺陷判定的影響兩方面，展開了油箱壁板在役檢測技術研究，建立了飛機復合材料機翼油箱含油液條件下超聲信號特征圖譜和油液耦合條件下脫黏缺陷的超聲評定方法。

1 超聲相控陣檢測技術

傳統(tǒng)的超聲檢測技術聲束單一，其僅依靠移動探頭實現(xiàn)全覆蓋掃查。超聲相控陣檢測技術是在傳統(tǒng)超聲技術基礎上發(fā)展起來的一種多聲束掃描成像技術，采用的超聲檢測探頭通常是由幾十到上百個晶片組成的換能器陣列，聲束覆蓋范圍很大，所以相較傳統(tǒng)探頭，相控陣探頭在不移動或盡量少移動的情況下就能全覆蓋單晶片探頭掃查區(qū)域，因此其檢測效率遠遠高于常規(guī)的單通道超聲檢測設備[6-7]。

根據(jù)油箱壁板上下表面結構特點及原位檢測環(huán)境，制定了手動超聲相控陣粗掃描和常規(guī)超聲精確掃描方案，利用超聲相控陣快速檢測的特點提高檢測效率，并在發(fā)現(xiàn)問題后，采用常規(guī)超聲檢測系統(tǒng)對損傷進行定位、定量和定性描述。

油箱壁板表面曲率不大，主要是復合材料層板和加筋結構，所以壁板上表面采用英國SONATEST集團開發(fā)的 RapidScan2型快速超聲C掃描系統(tǒng)，配用5 MHz、128晶片的輪式相控陣探頭，軟件界面可同時輸出A，B，C顯示。

該檢測系統(tǒng)采用輪式相控陣探頭，該探頭線性陣元一次掃查范圍大，適合大面積航空復合材料結構的原位快速檢測，并且具有高精度、高清晰圖像分辨率及大頻寬等特性，能有效檢出航空復合材料構件中的分層、脫黏及沖擊損傷等(見圖1)。

圖1 航空常用復合材料典型結構RapidScan2型超聲C掃描檢測結果

油箱壁板下表面受原位檢測環(huán)境影響，實施過程中滾輪探頭與下表面耦合接觸不佳，所以采用帶延遲塊32晶片的線陣探頭進行全覆蓋檢測，比傳統(tǒng)超聲檢測速度快且檢測結果可實時成像。

2 油箱壁板在役檢測技術

2.1 油液高度對超聲信號的影響

在對飛機油箱下壁板進行超聲檢測時，油箱中殘存的油液使超聲波的傳播路徑發(fā)生改變(見圖2)。

圖2 無油液與有油液時的超聲傳播途徑

以單晶片探頭為例，超聲波在壁板界面上的聲強反射率R[8]為

(1)

式是：Z1為壁板底面另一側介質的聲阻抗；ZCFRP為碳纖維層板介質的聲阻抗。

壁板界面上聲強透射率T為

(2)

當超聲波從油箱壁板傳播到空氣中時，由于Z1≈0，所以在壁板界面上幾乎發(fā)生全反射R≈1，而無透射T≈0。當超聲波從油箱壁板傳播到油液時，Z1≠0，即超聲波在壁板界面發(fā)生反射和透射，所以界面回波幅度大幅降低。以上公式也說明反射波聲強與入射波聲強在油箱壁板界面上聲能的分配比例僅與界面兩側介質的聲阻抗有關，與油液層的高度無關。

在規(guī)格(長×寬×高)為280 mm×380 mm×140 mm的塑料槽中注入不同厚度的油液，監(jiān)測板厚為2 mm的碳纖維層壓板底面回波波高變化情況，并繪制變化曲線(見圖3)，試驗結果同樣驗證了油液的存在使底面回波幅度降低，但隨著油液高度的增加，底面回波幅度保持不變。

圖3 油液高度對碳纖維層壓板底面回波幅度影響變化曲線

因此，在實際檢測中，利用對比試塊調節(jié)檢測靈敏度后，在壁板面掃查時，油液會使壁板底面回波幅度降低，可以在便于識別底面回波信號的前提下，適當提高油液區(qū)的掃查靈敏度。

2.2 油液對缺陷判定的影響

復合材料油箱壁板一般由復合材料蒙皮和復合材料長桁膠接而成，超聲波在這種多層界面結構中的傳播路徑示意如圖4所示。當入射信號P0入射到界面1時，同時發(fā)生反射和透射，一部分聲能反射回碳纖維板1形成Pr,一部分聲能透射到膠膜中形成Pt,Pt到達界面2也發(fā)生反射和透射，反射聲能Ptr再經(jīng)界面1透射回碳纖維板1形成Ptrt，透射聲能形成Ptt進入碳纖維板2；當界面3的一側為空氣時，Ptt到達界面3幾乎全反射；當界面3的一側為油時，Ptt到達界面3繼續(xù)發(fā)生透射形成Pttt進入油液和反射形成Pttr進入碳纖維板2，這樣的過程不斷重復。

圖4 復材油箱壁板加筋結構中的超聲波傳播路徑示意

壁板加筋結構中的膠膜厚度較小，即聲波在膠膜中往返一次的時間小于常用超聲探頭的脈沖持續(xù)時間，因此檢測信號中膠膜上下界面的反射信號在時域上相互疊加，不易區(qū)分(圖5紅色方框所示)。從圖5也可以看出,油液使碳纖維板2的底面反射波波幅降低，膠膜界面的回波幅度未受影響。

當位置A處界面1脫黏時(其超聲傳播路徑見圖6)，碳纖維板1與膠膜之間為空氣，此時在界面1發(fā)生全反射，P0=-Pr，相位與入射信號相反，超聲信號不進入膠膜層；當界面1黏接良好而界面2脫黏時，膠膜與碳纖維板2之間為空氣，Pt=-Ptr,界面1的反射聲壓和界面2的反射聲壓相位相同，都與入射聲壓相反。

圖5 復材油箱壁板加筋結構黏接良好區(qū)的超聲信號特征圖

圖6 位置A處脫黏損傷的超聲波傳播路徑

由于膠膜厚度較小，界面1和界面2的脫黏信號特征在時域上一致(圖7紅色方框所示)。超聲波在膠接界面發(fā)生全發(fā)射，所以有油液與無油液的脫黏信號特征圖譜是相同的(見圖7)。

當位置B處存在脫黏缺陷時，油液會浸入脫黏界面形成耦合效應，部分超聲波通過油液進入碳纖維板2，因為油液和膠層同時存在，所以位置B處聲波的傳播路徑比位置A處的復雜(見圖8)。

圖7 位置A處脫黏損的超聲信號特征圖

圖8 位置B處脫黏損傷的超聲波傳播路徑示意

位置B在服役過程中形成的脫黏缺陷(空氣隙)的厚度多大于0.2 mm，即檢測系統(tǒng)脈沖持續(xù)時間小于聲波在B處的油液中往返一次的時間，通過油液和膠膜形成的界面1和界面2反射回探頭的信號相互獨立，相位相反(見圖9)，且空氣隙(油液)厚度越大，在時域軸上界面1和界面2的反射波越容易分開，兩者都可以作為脫黏缺陷的反射波。

圖9 位置B處脫黏損傷的超聲信號特征圖

當位置B處界面3一側是油液時，檢測系統(tǒng)增益與圖9保持統(tǒng)一，除了碳纖維板2的底面反射波波幅消失，其他回波信號一致。

根據(jù)以上超聲特征圖譜，就可以判斷油液存在時，缺陷是否存在。對缺陷進行定量檢測時，以缺陷的最大反射回波作為基準波，調節(jié)增益將波高達到80%，沿缺陷方向移動探頭，當缺陷波高降至40%時，探頭中心位置即為缺陷的邊界點，把所有邊界點描繪起來就是缺陷的形狀輪廓，最后再對缺陷的尺寸進行測量和記錄。

3 結論

超聲相控陣檢測技術因聲束覆蓋范圍大，檢測效率遠遠高于常規(guī)的單通道超聲檢測方法，滿足復合材料油箱整體壁板原位快速化檢測需求。殘留油液不僅會影響壁板底面回波幅度的降低，且在油液浸入損傷區(qū)后還會影響缺陷回波信號，因此在實際檢測中可以適當提高油液區(qū)的掃查靈敏度，并利用超聲信號特征圖譜判斷是否存在損傷，最終發(fā)現(xiàn)損傷后以檢測靈敏度下的缺陷回波為基準波對損傷進行評定。