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超聲無損檢測技術(shù)
點擊次數(shù):3334 更新時間:2011-09-05

復(fù)合材料非常重要的檢測手段,其使用的檢測頻率通常為0.5~25MHz。超聲脈沖通過探頭發(fā)射進入待檢測材料,并對反射和穿透信號進行分析,以得到材料結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。雖然手動檢測方法還在廣泛使用,但越來越多的航空制造企業(yè)開始使用自動化的檢測系統(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)可以用這種方式進行成像和顯示,并可檢測多種類型的缺陷。對于復(fù)合材料,需要檢測粘接缺陷、分層缺陷、孔隙率以及分層間的異物等。
檢測技術(shù)用于自動化檢測的設(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,即讓檢測探頭與待檢測件直接接觸。該方法的優(yōu)點是在檢測曲面零件時可使用機械跟蹤器,但檢測速度受到限制。
在大多數(shù)情況下,使用水浸或噴水方法進行自動化檢測,待檢測零件*浸入水中,或聲束通過噴出的水柱達到零件表面。水浸檢測方法通常使用脈沖回波技術(shù)從一端進行檢測,同一個探頭既發(fā)射又接收。zui近由超聲波科學(xué)有限公司(USL)安裝的水浸系統(tǒng)升級為可在2 種模式下操作,根據(jù)檢測的要求和零件的形狀而定。在*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)運動間隔1mm,即相當于每小時掃描面積大約為2m2 ;系統(tǒng)還可以以第二種更的方式進行掃描,該方式使用100mm 寬的相控陣探頭,將相控陣掃描和機械運動相結(jié)合。該方式在檢測平板件和單曲面件時可實現(xiàn)每分鐘1m2 的產(chǎn)量,與單探頭相比,生產(chǎn)能力大幅提升。
一個相控陣探頭包含了128 個獨立的晶片,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,也就是說在相控陣探頭隨著機械運動機構(gòu)覆蓋整個零件的時候,像完成整個陣列128 個晶片這樣的一次掃描,每1 秒鐘就可以完成幾百次。每個獨立的晶片都可以被控制,在檢測材料很小的一塊區(qū)域內(nèi)可以產(chǎn)生非常細節(jié)的圖像。
復(fù)合材料檢測通常使用噴水檢測方法,一個探頭發(fā)射出來的聲束通過噴出的水柱,被另外一側(cè)的第二個探頭接收。在掃描時,兩側(cè)的水柱角度必須是控制的,并保持同軸,否則就會丟失超聲信號。這就對機械控制系統(tǒng)提出了非常嚴格的要求,尤其是在檢測雙曲面零件時,此時如果想提高產(chǎn)能將是非常困難的。但對于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,而且不會降低檢測質(zhì)量。
在軍用和商用飛機中使用的復(fù)合材料零件通常形狀非常復(fù)雜,超聲檢測系統(tǒng)需要集成多個機械運動軸,以掃描這些復(fù)雜形狀的零件。典型的系統(tǒng)將有10~12 個軸,這些軸同時聯(lián)動,以便跟蹤零件輪廓。USL 系統(tǒng)具有2 種不同的結(jié)構(gòu):一個是水平操作臂結(jié)構(gòu),而另一個是垂直操作臂結(jié)構(gòu)。如何選擇,取決于客戶的意愿和需要檢測零件的范圍。有些時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來說,復(fù)合材料的多曲面跟蹤檢測要比水浸檢測系統(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,該類型系統(tǒng)數(shù)量也有10 多套,積累了豐富的經(jīng)驗。
模型對于水浸和噴水檢測系統(tǒng),主要的潛在瓶頸就是如何對復(fù)雜形狀零件進行編程,而通過直接從CATIA(計算機輔助三維設(shè)計系統(tǒng))中獲取復(fù)雜形狀零件的輪廓,可解決零件編程問題。
但不足的是,CATIA 模型,特別是復(fù)合材料零件的模型,并不總是與待檢測零件的真實形狀相符。部分是因為零件從工裝上取下的時候,零件會發(fā)生塑性回彈,還因為這些零件并不是自支撐的,而是通過2 點或3點支撐的,這樣就會出現(xiàn)下垂和扭曲等變形。這樣在檢測設(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)在檢測復(fù)雜形狀零件時的效果。USL 開發(fā)出了一種自動測量零件位置和真實形狀的軟件程序,在掃描之前使用。它將在三維方向上調(diào)整掃描輪廓,并重新計算聯(lián)動的zui多12 根軸的位置,這樣各軸跟蹤的就是真實的零件輪廓,而不是理論的輪廓。該過程避免了重復(fù)掃描過程,因為在通常情況下只有掃描全部結(jié)束后才會顯示出實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*的抵抗外界噪聲的能力。但這還不足以保證小缺陷的* 檢測。所有這些促使USL 開發(fā)集成了許多特殊功能的系統(tǒng),以滿足檢測的要求,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中,都需要嚴格控制聲束與零件表面的角度。如果待檢測的材料是*平直的,情況就要簡單得多,但實際檢測中這樣的情況很少。實際零件表面的輪廓是變化的,并可能是隨機和不可預(yù)測的。
為了實現(xiàn)板材檢測的高產(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 個長方形探頭,交錯排列,覆蓋80mm 和150mm的寬度。由于材料是在水浸箱中進行檢測的,所有探頭在查找缺陷的同時,還測量板材的表面位置。測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)實時對探頭操作器進行調(diào)整,這樣檢測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,并對其進行可靠的檢測。
在掃描結(jié)束后,在C掃描圖上會標明可能的缺陷。掃描裝置自動移動到每個缺陷位置,操作者對其進行確認,判斷是一個缺陷還是表面上的標簽或是氣泡。由于長方形探頭的設(shè)計是用于查找缺陷的,但不能確定缺陷尺寸,所以在此使用一個圓形聚焦探頭對缺陷進行評定。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)計零件時,無損檢測通常是zui后被考慮的事情,所以就會使問題變得更復(fù)雜?,F(xiàn)在的許多組裝方法,如擴散焊、摩擦焊、摩擦攪拌焊越來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損檢測。這就對檢測設(shè)備制造商和無損檢測實際操作者提出了新的要求。同樣,對于航空復(fù)合材料來說,由于越來越多地使用樹脂轉(zhuǎn)移模成型工藝,也出現(xiàn)了同樣的問題。這些問題都需要解決,而且不能引起制造過程的瓶頸和后續(xù)問題,所以就需要不斷地對儀器、機械和軟件進行創(chuàng)新。

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