航空蜂窩夾層結構的無損檢測

單威

上海飛機制造有限公司 上海 201324

引言

蜂窩夾層結構復合材料由于質(zhì)量輕、比強度和比剛度高、抗疲勞、阻尼減振、穩(wěn)定性好、結構可設計性強、破損安全性高、隔熱、隔音等優(yōu)點，在航空領域有著廣闊的應用。如飛機升降舵、方向舵、襟翼、副翼、起落架艙門、雷達罩、平垂尾前緣與前后緣艙壁板、整流罩、地板、內(nèi)飾等都大量采用了蜂窩夾層結構。由于蜂窩夾層結構制造工藝復雜、對濕熱環(huán)境敏感、抗沖擊性能差等原因，目前主要被用于飛機的次承力結構[1]。為了滿足蜂窩夾層結構制造過程工藝改進與質(zhì)量控制、服役過程定檢與損傷評估、修理檢測等需求，無損檢測技術發(fā)展迅速。蜂窩夾層結構缺陷形式多樣，無法僅憑一種無損檢測方法實現(xiàn)對零件全面有效檢測，必須結合制造工藝、缺陷類型、綜合采取有效的無損方法才能實現(xiàn)準確評估。

1 蜂窩夾層結構

蜂窩夾層結構是由上、下兩塊蒙皮與中間一層蜂窩芯組成，蒙皮與芯格采用膠粘劑粘接成型。蒙皮通常為薄的鋁合金、碳纖維、玻璃鋼等復合材料。蜂窩芯一般按材料可分為鋁合金蜂窩、芳綸紙蜂窩或玻璃鋼蜂窩，其蜂窩格通常為六邊形。蒙皮為主要承力構件，承受面內(nèi)拉壓應力與剪應力，蜂窩芯承受垂直于面板的壓縮應力和橫向力產(chǎn)生的剪應力。鋁蜂窩比復合材料蜂窩壓縮強度弱，但面內(nèi)剪切強度明顯比復合材料強。蜂窩夾芯結構通過熱壓罐成型、真空袋成型、模壓成型、液體成型等成型工藝制作。熱壓罐成型工藝外加壓力可調(diào)，真空與溫度精度高，可制造外形復雜零件，但設備投入與維護成本較高。真空成型工藝投入成本低，操作方便，但傳統(tǒng)預浸料質(zhì)量標準相對較低。模壓成型工藝成型壓力大，效率高，零件表面質(zhì)量優(yōu)，但模具成本高，尤其對于尺寸較大復材零件。液體成型采用干織物與純樹脂代替預浸料，材料制造與工藝成本降低，但蜂窩與預成型體密封困難。航空蜂窩夾層結構設計需綜合考慮材料性能，成型工藝，可檢性等因素。面板選擇主要考慮材料的剛度和強度。芯材選擇需遵循一定的原則，如芯材要密度低、強度和剛度足、膠接性能好、與面板電性能匹配（避免電偶腐蝕）、工藝性能好，還得考慮導熱性、阻燃、防毒、防煙霧等性能。蒙皮與蜂窩芯間膠層應具有足夠強度抵抗面板與蜂窩芯之間的剪切應力和和拉應力。

2 蜂窩夾層結構缺陷類型

由于設計或選材不合理，制造偏差，沖擊損傷等原因會導致蜂窩夾層結構出現(xiàn)不同形式的缺陷。缺陷存在是關系到復合材料結構性能的關鍵問題，有必要對缺陷類型、產(chǎn)生原因與危害進行分析。缺陷按發(fā)生部位，可分為面板缺陷、膠接缺陷及蜂窩缺陷。面板內(nèi)缺陷有裂紋、分層、孔隙、疏松、夾雜、纖維斷裂、富脂、貧膠、磨損和劃傷等，膠接缺陷有脫粘、膠膜孔隙、空洞，蜂窩缺陷有蜂窩變形、節(jié)點分離、芯格斷裂、芯格壓塌、芯格壓縮、芯格膨脹及芯格積水等。制造過程，缺陷來源主要包括使用了不合格的材料與不恰當?shù)墓ぱb，進行了不恰當?shù)匿佡N、固化與加工，實施了違反操作的規(guī)程，采用了不合理的裝配工藝，工具跌落以及污染等。服役過程，缺陷主要由于工具跌落、冰雹、鳥撞、化學腐蝕、磨損、雷擊、濕熱循環(huán)等原因?qū)е耓2]。

分層與脫粘主要發(fā)生在復合材料層壓板疊層界面上、兩單獨元件間膠接線以及夾層結構面板與芯子之間。分層與脫粘會降低結構穩(wěn)定性與強度，降低了膠接結構的剛度。分層與脫粘的危險程度取決于缺陷尺寸大小、缺陷所在位置以及所承受載荷情況，面板在受壓和剪切載荷下，分層區(qū)域?qū)訅喊搴兔撃z元件會屈曲，造成載荷重新分配，最終導致結構失效。

裂紋、孔隙、氣泡等基體缺陷通常發(fā)生在基體與纖維界面處，或者在與纖維平行的基體中。這些缺陷除非分布較廣，一般對結構危害較小，只是降低材料特定的性能。裂紋累計可使基體壓縮強度與剪切強度降低，還可導致水等液體通過面板滲入夾層芯體中，導致芯子和面板膠接性能退化。孔隙是復合材料制造過程中形成的小空洞。孔隙率小于1.5%時，孔隙呈直徑5-20μm球狀；孔隙率大于1.5%時，孔隙為柱狀，與纖維軸向平行。孔隙缺陷只要控制在一定水平內(nèi)，不會明顯降低結構性能。孔隙率較高區(qū)域在宏觀上一般表現(xiàn)為疏松缺陷，材料內(nèi)部呈蜂窩狀，材料強度與性能劇烈下降。

由于沖擊等原因，夾層結構會出現(xiàn)纖維斷裂、基體開裂、面板貫穿、芯格壓塌、分層及脫粘等組合損傷的出現(xiàn)。低能沖擊形成的損傷較為隱蔽，高能沖擊直接導致元件損壞，影響結構環(huán)境抵抗能力與飛機的系統(tǒng)完整性。

蜂窩經(jīng)過機加、成形與膠接后，會形成一些蜂窩缺陷，如蜂窩變形、節(jié)點分離、芯格斷裂、芯格壓塌、芯格壓縮、芯格膨脹等。一般對于超過接收限的偏差，在可返工限內(nèi)，可按照規(guī)定的方法進行返工，如超過可接收限與返工限，予以拒收處理。

3 無損檢測技術

無損檢測是用來檢測結構缺陷與損傷的主要方法，但各種方法對于不同缺陷具有不同的檢測可靠性。針對蜂窩夾層結構無損檢測方法主要包括超聲檢測、射線檢測、膠接檢測、敲擊檢測、紅外檢測。

對于蜂窩夾層結構，通常采用超聲脈沖穿透法對零件進行全自動C掃描檢測。檢測系統(tǒng)采用兩個同步的機械臂帶動兩探頭，探頭一側發(fā)射超聲信號，另一側接收信號。如存在缺陷，缺陷會將會導致接收信號出現(xiàn)衰減。穿透法無法確定缺陷性質(zhì)與深度，對所發(fā)現(xiàn)的缺陷，可通過接觸脈沖反射法對缺陷進行輔助評判。脈沖穿透法，檢測效率高，可一次完成整個零件檢測，但不可拆卸的零件實施較困難。脈沖反射法，檢測靈敏度高，定性定量準確，可從零件單面進行檢測，但對于偏厚與超聲衰減較大零件檢測不適用。對于金屬蜂窩夾層結構，在只能單側檢測的情況下，可采用低頻脈沖反射法，但對缺陷定性與定量比較困難。超聲檢測可對分層、脫粘、夾雜、孔隙等缺陷實現(xiàn)有效檢測。圖1為典型蜂窩夾層結構超聲穿透法C掃圖像。

圖1 典型蜂窩夾層結構超聲穿透法C掃圖

射線檢測可以對蜂窩缺陷，如蜂窩變形、節(jié)點分離、芯格斷裂、芯格壓塌、芯格壓縮、芯格膨脹、芯格積水等具有較好檢測效果，還可檢測層壓板中裂紋、纖維斷裂及孔隙。一般采用低能X射線，因為復合材料或薄蒙皮對射線吸收較低。射線檢測方法，缺陷圖像直觀易解釋，對與射線束平行的缺陷具有較好檢測效果，檢測成本較高，還存在環(huán)保問題。圖2為典型蜂窩夾層結構射線檢測圖像。

圖2 典型蜂窩夾層結構射線檢測圖像

膠接檢測法具有發(fā)射-接收、諧振、機械阻抗三種模式。低頻發(fā)射-接收模式，不需液體耦合劑，發(fā)射探頭將聲波傳入蜂窩結構，能量一部分被蜂窩芯吸收，一部分在面板內(nèi)以蘭姆波傳播。當面板與蜂窩芯脫粘時，沿面板傳輸能量被接收探頭接收，聲波波幅增高。高頻諧振模式需液體耦合劑，對板板膠接脫粘、層壓板內(nèi)部分層，蜂窩結構脫粘，通過信號相位可確定缺陷深度，對于孔隙不敏感，可用來檢測較大孔隙率材料內(nèi)部分層缺陷。機械阻抗法不需液體耦合劑，具有較小接觸面，適用于檢測不規(guī)則表面的板芯脫粘，但不能區(qū)分金屬蜂窩凹坑與脫粘顯示[3]。

敲擊檢測用于檢測薄蒙皮結構中的蒙皮分層或者板芯脫粘類缺陷。敲擊檢測簡單方便，但僅能檢測零件單側缺陷，容易受人主觀意識和環(huán)境因素影響，檢測分辨率較低。紅外檢測適用于蜂窩夾層結構脫粘、蒙皮分層與芯格積水等缺陷的檢測，檢測快速，結果直觀，但易受外界熱輻射與零件表面狀態(tài)影響，不適合外場檢測。

4 結束語

本文對航空蜂窩夾層結構設計、材料、制造工藝進行了簡單介紹，闡述了結構在設計、制造與服役過程中可能造成的缺陷類型、產(chǎn)生原因以及危害，并針對蜂窩夾層結構不同類型缺陷的無損檢測方法有效性、優(yōu)缺點進行了分析討論。實際檢測過程中，應結合蜂窩夾層結構形式、檢測狀態(tài)條件、可能造成的缺陷類型、檢測要求，綜合選取合適的無損檢測方法，實現(xiàn)準確可靠的檢測。