复合材料结构修理复合材料结构损伤检测.ppt

1,第章 飞机复合材料结构 常见损伤及其检测,5.2 复合材料结构损伤检测,2,常用检测方法,目视检测 Visual inspection 敲击法检测 Tap test 超声波检测 Ultrasonic inspection 射线检测 X-ray inspection 红外热成像检测 Infrared thermography,3,最小检测区域原则,复合材料结构损伤的实际检测区域，应该包含以结构表面损伤区域长轴两边至少扩大100 mm后的长度作为直径的圆形检测区域。该区域称为最小检测区域。,4,5,5.2.1 目视检测 （ Visual inspection）,目视检测是最简单、成本最低的无损检查方法(NDI) ，用于检查发现复合材料结构表面的冲击损伤和过热、雷击等损伤。 目视检测是飞机结构最常用和最基本的损伤检测方法。绝大部分结构损伤均通过目视检测检查发现。,6,关键因素,目视检查的基本要求和关键，是清楚被检查区域结构可能存在的缺陷类型，并知道各种结构损伤的外部特征或迹象： 冲击损伤擦伤、划伤、穿孔、裂纹、漆层开裂或脱落、压痕以及构件边缘分层和脱胶。 过热或雷击漆层变色、鼓包，构件烧蚀等。,7,辅助检查工具,目视检查时，由于检查者视线可达性和视力局限性，可能需要根据目视检查的种类，借助一些简单的辅助工具实施目视检查。常用辅助检查工具包括： 手电筒 反光镜 放大镜 孔探设备,8,9,检查步骤,目视检查的第一步是总体目视检查指定区域的清洁度、构件安装是否出现松脱以及是否存在明显损伤。然后，再执行以下检查步骤: 接近被检查区域 按需清洁被检查区域的结构表面 为被检查区域准备合适的光源 仔细检查指定区域 记录检查发现的相关缺陷,10,目视检查种类,总体目视检查General Visual/ (Surveillance)/ (GVI) 详细目视检查Detailed Visual (DVI),11,总体目视 General Visual (GVI),总体目视一般用于检查飞机内部或者外部指定区域存在的明显可检结构损伤、失效或者其它异常情况。总体目视检查在正常的光照条件下进行，例如自然光、机库照明灯、手电筒或者可移动式光管。总体目视检查有可能需要拆掉或者打开相关检查口盖、舱门，也可能需要工作梯、工作台架等设备接近指定检查区域。可视情采用反光镜等常用检查辅助工具。 除非检查工卡特殊注明，总体目视检查范围为检查人员能够触及的飞机范围。,12,详细目视Detailed Visual(DVI),详细目视用于检查飞机上结构或者系统指定部位可能存在的损伤、失效或者其它异常情况。检查区域的光照条件必须满足检验员详细目视检查要求。检查过程中可能需要使用反光镜、放大镜等辅助检查工具，并可能需要表面清洁以及进一步拆装相关构件。,13,目视检查的局限性,总体目视和详细目视检测既无法检测发现复合材料构件内部分层、脱胶，蜂窝夹芯塌陷、积水和腐蚀等损伤，也无法确定复合材料构件内部损伤的损伤程度和范围。复合材料构件内部损伤或者缺陷需要采用敲击法 、超声波 、射线 、红外热成像等特殊无损检测方法(SDET)检测发现。,14,5.2.2 敲击法 （TAP TEST）,敲击法是一种采用硬币、专用敲击棒、敲击锤或者敲击仪等轻轻敲击复合材料结构表面，通过辨听敲击构件时的声音变化来确定损伤的检测方法。 敲击检查常用于检测发现复合材料构件内部的分层、脱胶，尤其适合确定分层区域。敲击法具有成本低、简便易行，一般作为其他特殊无损检测方法的前期检测或补充检测手段，具有较高的实用价值。,15,16,17,18,损伤判断方法,采用硬币、敲击棒或者敲击锤敲击复合材料结构表面时，未分层或者脱胶区域的声音比较清脆，而分层或者脱胶区域的声音则比较沉闷。,19,敲击检查的局限性,敲击法检测结构是否存在分层或者脱胶时，要求周围环境比较安静。嘈杂环境对损伤检测结果有一定影响。除此之外，检查者的工作经验对检测结果的影响也比较大。 当铺层数复合材料构件铺层数超过3层之后，敲击检查结果并不一定可靠。因此，敲击法适用于铺层数不超过层的层合板分层损伤检测。但是，无论构件铺层数多少，敲击法均适用于构件的雷击损伤检测。,20,敲击棒或者敲击锤,波音飞机公司推荐的敲击棒可以从波音公司购买，也可采用铜、铝或钢材等材料自行加工制作。敲击棒制作尺寸和构型要求，如图5.5所示。空客飞机无损检测手册推荐的敲击棒和敲击锤尺寸、构型，如图5.7所示。复合材料结构敲击检查所用敲击棒的重量不得超过114克。,21,22,23,敲击检查方法,使用敲击棒进行敲击检测时，敲击方式分为矩阵式和圆周式两种。其中，矩阵式适用于没有修理过的结构区域分层/脱胶检测，圆周式适用于修理过的结构区域分层/脱胶检测。敲击检查时，敲击点之间间距不得超过构件允许损伤极限尺寸的1/3。,24,25,26,分层敲击检测仪,根据敲击构件时的声音分析判断损伤原理，目前人们研制出了分层敲击检测仪。分层敲击检测仪以恒定敲击力度敲击构件表面，然后通过接收并分析敲击声音判断构件损伤情况，并通过警告灯、发声手段等提醒检查人员。,27,分层敲击检测仪的优点,分层敲击检测仪消除了人工敲击检查主要依赖检查人员对敲击声音的判断辨别能力，可避免环境干扰并提高了较小尺寸缺陷的检测能力。,28,“啄木鸟”检测仪,日本MITSUI公司生产的“WP-632/632M 型啄木鸟（wood pecker)”是一种带有声光报警、操作简便的分层敲击检测仪，如图5.9示。其工作原理为：首先采用标准试块或选择被检查部件符合粘接质量要求区域作为检测基准，然后使用WP-632敲击被检测区域并通过声音差异分析判断是否存在分层。如果发现分层，检测仪的“红色” 指示灯亮并有报警声。 如果将WP-632连接到WP-632M上， WP-632检测数据可详细地显示在WP-632M的液晶显示器上并存储。通过数据线，还可将检测数据传送到个人电脑。,29,30,31,5.2.3 超声波检测 (Ultrasonic inspection),超声波检测首先利用压电传输元件将超声波以脉冲形式传入被测构件中。当超声波遇到构件内部损伤或缺陷时，会在缺陷界面产生反射，或者引起声速和能量衰减变化。通过接收、分析这些超声波信号及其变化，可以确定损伤或缺陷位置及其范围。复合材料结构超声波检查的检测频率一般在范围，常用的检查频率为。,32,优点,超声波具有穿透力强、检测灵敏度高、检测方便、对人体无害等主要优点，可用于复合材料结构的分层、脱胶等损伤或缺陷的检测，尤其适合层压板内部分层检查。,33,种类,超声波检测方法有很多种类，大多数检测方法均需要通过耦合剂将超声波输送进入结构件。复合材料结构的超声波检测方法主要有以下四种： （1）外场检测 （RDC） （2）脉冲反射法 （3）超声穿透法（） （4）粘接面检测法,34,除了外场超声波检测之外，其余三种超声波检查方法需要经过超声波检测专业培训人员解读检测信号。,35,（1）外场检测仪 Ramp damage checker（RDC）,外场损伤检测仪采用脉冲回声原理：通过对比检测区域与未带损伤基准区域的回波信号时间差确定损伤：如果检测区域回波信号时间比基准区域回波信号早，说明被检测区域存在分层或者厚度减小，检测仪将会发出报警信号。 外场检测主要用于目视检查发现复合材料结构表面存在损伤之后，确定结构内部是否存在损伤以及内部损伤的大致范围。,36,基准区域与检测区域厚度是否相同，是影响外场损伤检测仪检测结果准确性的关键因素。外场损伤检测仪属于损伤的初始阶段检测方法。通过外场损伤检测仪发现检测区域存在疑似分层或者脱胶之后，往往还需要通过脉冲超声波检测或者超声穿透法（TTU）进一步检查确认损伤。,37,38,（2）脉冲反射法 Pulse Echo Ultrasonic Inspection,脉冲反射法通过超声波探头发射脉冲波进入被测构件内，然后根据反射波的能量损失和时间迟滞确定构件内部损伤或缺陷。反射波损失的初始能量百分比和时间迟滞，可以通过显示器以二维坐标或者二维图形形式显示出来。反射波迟滞时间还可以转化为缺陷的深度位置或者构件的厚度。,39,优点,脉冲反射超声法可以检查发现实心铺层内部的分层、裂纹、孔隙、水分以及实心铺层之间胶结面的脱胶，具有检测灵敏度高、定性定量准确、检测方便（只需要从一侧接近被测结构）等特点，可以检测发现尺寸超过0.5英寸的构件内部缺陷。所以，它是一种普遍用于复合材料层合结构内部损伤检测的无损检测方法。,40,缺点,脉冲反射超声法的主要缺点，是无法检查发现蜂窝夹芯结构面板与蜂窝芯之间粘接面脱胶等缺陷。,41,种类,A-扫描脉冲反射法（A-scan） C-扫描脉冲反射法（C-scan）,42,A-扫描脉冲反射法,A-扫描脉冲反射超声波检测法的显示器纵坐标或者y轴代表反射波的能量强度，横坐标或者x轴代表反射波的时间迟滞，即超声波在构件中的行程时间。反射波的时间迟滞可以转化为深度位置。 A-扫描脉冲反射法适用于未修理过区域实心层合结构内部缺陷检查。,43,44,C-扫描脉冲反射法 C-scan,C-扫描脉冲反射法可以根据反射波情况，将复材结构内部构造以及缺陷，以直观的二维图形形式通过显示器中显示出来。 C-扫描脉冲反射法适用于实心铺层结构粘接修理区域的缺陷检查。,45,46,（3）超声穿透法（） Through transmission ultrasonic,超声穿透法（是依据脉冲波或连续波穿透构件之后的能量损失来判断复合材料结构内部损伤或缺陷的一种方法。 超声穿透法常采用两个探头，一个用作发射超声波，另一个用作接收超声波，分别放置在被测构件的两侧进行检测，如图5.11所示。该法也具有检测灵敏度高的优点，可以检测发现尺寸超过0.5英寸的构件内部缺陷。但是需同时接触构件的两面。,47,48,（4）粘接面超声检测,粘接面检测法适用于蜂窝夹芯结构内部缺陷检测，分为高频和低频两种检测方法。 高频粘接面超声检测包含一个或者多个超声波发射器，通过耦合剂将超声波发射进入构件中，用以检测尺寸不小于0.5英寸的面板内部分层或者蜂窝芯缺失，但是不能检查发现面板与蜂窝芯之间胶结面的脱胶以及面板内部孔隙。,49,低频粘接面超声检测包含两个超声波发射器，不需要通过耦合剂将超声波发射进入构件中。低频粘接面超声检测用以检测尺寸不小于1.0英寸的面板内部分层和孔隙、蜂窝芯缺失以及面板与蜂窝芯之间胶结面的脱胶。但是，低频粘接面超声检测无法判断面板与蜂窝芯之间胶结面脱胶位于蜂窝夹芯结构的那一面。,50,51,5.2.4 X-射线检查 X-ray Inspection,射线是一种电磁波，波长范围为101.90.0006nm。飞机结构损伤射线检测中通常使用的波长约为0.31 0.0006nm。射线具有波长短、能量高、穿透力强等特点，能够穿透大多数固体材料。当射线穿过一定密度的物质后，能量将因为被吸收或散射而削弱，射线强度将降低。物质密度不同，吸收或者散射射线的能力不同。密度越高，吸收或者散射射线的能力越强。,52,射线检验基本设备是射线机和感光胶片。射线机发出的射线穿过构件后，落在感光胶片上产生黑色影像。落在感光胶片上的射线能量越高，感光胶片上的成像黑度越深。 如果结构中存在孔穴、裂纹、疏松等缺陷，结构缺陷区域吸收或者散射的光能量就比完好区域少一些，穿过这部分的光就强些，胶片感光显影后相应部位的黑度就比其他部位高。因此，可以通过感光胶片的影像判断结构中是否存在缺陷。,53,54,主要用途蜂窝芯积水检查,飞机维修中，射线主要用于检查蜂窝夹芯结构的蜂窝芯是否有积水。水会大量吸收射线能量穿过这部分的光就强些，胶片感光显影后相应部位的黑度就比其他部位低。因此如果蜂窝芯中存在积水，将使得感光胶片相应区域存在白色影像区域。 蜂窝夹芯结构的面板和蜂窝芯之间胶结面的胶膜或者树脂在固化过程中，可能会在蜂窝格边缘溢出，从而导致感光胶片的蜂窝格边缘区域存在类似于蜂窝积水的白色影像区域。与蜂窝积水导致胶片白色影像区域不同的是，胶膜或者树脂形成的白色影像区域一般位于蜂窝格边缘区域，而水分导致的白色影像区域却会填满整个蜂窝格区域。,55,56,其它用途,射线还可用于检查实心铺层内部裂纹、断裂以及雷击、外部冲击导致的蜂窝芯损伤。检查实心铺层内部裂纹或者断裂时，开裂面必须平行于射线的照射方向。,57,58,5.2.5 红外成像检测法 Infrared thermography,红外线成像检测法利用被检物体不连续性缺陷区域热传导性能不同导致的物体表面红外辐射能力差异，通过红外摄像将红外辐射差异转化为可见的温度图像，从而确定物体损伤或缺陷。 红外线照相检测法也是一种非接触式检测方法。它具有灵敏度高、检测效率高和缺陷显示直观等优点，可用于检测复合材料结构件的脱胶、分层以及蜂窝夹芯结构中的积水。,59,目前红外成像检测法的主要用途为检测蜂窝夹芯结构中积水。蜂窝夹芯结构积水的红外成像检测包含两种方法，均可以通过红外成像仪或者液晶薄膜测量温度的变化。,60,方法一,红外成像检测蜂窝夹芯结构积水的第一种方法，是在飞机着陆一个小时内，利用飞机结构的升温速率差异进行红外成像。由于蜂窝夹芯结构中的水分在高空中会结成冰，含水区域结构温度的升温速率要比不含水结构区域的升温速率低。因此，可以在飞机结构温度上升至