對飛機的復合材料進行無損粘接檢測
應用
要保證航天飛機的復合材料結構在整個在役過程中的完整性，材料的完好粘接狀態至關重要。為此，我們開發了用于在維護過程中評估材料粘接質量的無損檢測（NDT）方法。這則應用注釋回顧了最近為提高檢測的可靠性而開發的多種方法。
背景
目前在飛機制造過程中對復合材料的使用急劇增長。各大主要機身制造商，如：波音（Boeing）和空中客車（Airbus），在他們各自的商業飛機制造中，已經極大地增加了對復合材料的使用。Boeing 787的整個機身幾乎都是由復合材料制成，而Airbus A380和A350也添加了大量的復合材料結構。支線和商用噴氣式飛機制造商在制造各自的飛機時，也增加了對復合材料的使用。在軍用飛機的制造上，也出現了同樣的復合材料使用增長的現象，如：F22戰斗機和A400運輸機。
由于飛機的結構很容易受到撞擊和雷擊，因此需要使用一些可靠有效的無損檢測方式（NDT），對飛機受到撞擊后可能出現的損傷進行快速評估。這些由世界各地的NDT檢測人員所使用的方法和儀器，一定要簡單好用，以確保在飛機的維護核查過程中，獲得一致性的檢測結果。
飛機受到撞擊后，可能會使其復合材料結構出現不同類型的損傷。損傷的情況會根據復合材料部件的特性、組成材料及密度而不同。復合材料層壓結構受到撞擊后產生的缺陷，主要是機身的各種層壓材料之間以及與機翼蒙皮之間的分層缺陷。不過撞擊也會引起蒙皮與加強筋之間的脫粘。這種脫粘情況會極大地傷害飛機結構的完整性。B787型和A350型飛機的機身主要為層壓結構。
圖1：層壓結構的分層缺陷
在層壓碳皮之間的帶有蜂窩夾芯（NOMEX等）的復合材料夾層結構中，撞擊結果會表現為不同類型的損傷。在飛機遭到撞擊后，可能會出現以下缺陷：
A型：平行于表面的外部CFRP蒙皮的多層材料之間出現分層缺陷
B型：外側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
C型：平行于檢測表面的蜂窩芯出現裂紋
D型：平行區域的蜂窩芯被碾碎
E型：內側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
F型：蜂窩芯中有流體侵入
圖2：復合材料夾層結構中的損傷
由于飛機的結構很容易受到撞擊和雷擊，因此需要使用一些可靠有效的無損檢測方式（NDT），對飛機受到撞擊后可能出現的損傷進行快速評估。這些由世界各地的NDT檢測人員所使用的方法和儀器，一定要簡單好用，以確保在飛機的維護核查過程中，獲得一致性的檢測結果。
飛機受到撞擊后，可能會使其復合材料結構出現不同類型的損傷。損傷的情況會根據復合材料部件的特性、組成材料及密度而不同。復合材料層壓結構受到撞擊后產生的缺陷，主要是機身的各種層壓材料之間以及與機翼蒙皮之間的分層缺陷。不過撞擊也會引起蒙皮與加強筋之間的脫粘。這種脫粘情況會極大地傷害飛機結構的完整性。B787型和A350型飛機的機身主要為層壓結構。
圖1：層壓結構的分層缺陷
在層壓碳皮之間的帶有蜂窩夾芯（NOMEX等）的復合材料夾層結構中，撞擊結果會表現為不同類型的損傷。在飛機遭到撞擊后，可能會出現以下缺陷：
A型：平行于表面的外部CFRP蒙皮的多層材料之間出現分層缺陷
B型：外側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
C型：平行于檢測表面的蜂窩芯出現裂紋
D型：平行區域的蜂窩芯被碾碎
E型：內側蒙皮與蜂窩芯之間的脫粘缺陷
F型：蜂窩芯中有流體侵入
圖2：復合材料夾層結構中的損傷
解決方案和設備
多模式聲學粘接檢測
奧林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一發一收模式、機械阻抗分析（MIA）和諧振檢測方式對復合材料進行檢測的多模式超聲粘接檢測儀器。很久以前這款儀器就用于對大多數現有的飛機進行檢測，只是最近又開發出了借助這款儀器完成的新的檢測方式。
圖3：奧林巴斯的BondMaster 600
一發一收模式用于檢測帶有蜂窩結構的復合材料。發射器將聲能傳送到工件內，然后，接收器再接收反射回來的聲能。在粘接完好的條件下，部分聲能由于蜂窩結構的吸收而產生衰減。當探頭被放置在脫粘區域上時，返回到接收器的聲能會變得很大，并會引起波幅的變化。
圖4：粘接檢測的一發一收模式
這項技術最近得到了優化調整，可以可靠地探測到位于40毫米厚的蜂窩結構以下遠端的（面積為25毫米 × 25毫米）脫粘缺陷，如：E型缺陷。針對困難且費時的空中客車（Airbus）飛機的檢測，我們專門設計了一種新式差分高電壓探頭。在空中客車的維護公告中，現在記載著使用這種探頭檢測所獲得的非同尋常的結果。
常規超聲檢測
超聲技術是在檢測復合材料結構時使用的最為廣泛的一種技術。如今已經開發了各種各樣的用于復合材料檢測的超聲儀器。一般來說，超聲波可以在復合材料層壓結構中很好地傳播，而且可以相當容易地探測到異常現象。不過，在檢測夾芯結構時，超聲波會因為內芯結構的不均勻性和低密度性，而得到極大的衰減。因此，利用超聲技術對夾芯結構進行的檢測，要求儀器具有更多專用的功能。
在制造環境中，大型夾芯平板工件可以通過穿透方式得到檢測。在這種穿透檢測過程中，相對較高波幅的超聲波被發送到工件，并穿過工件，然后位于工件另一側的接收探頭再對信號的衰減程度進行測量。所得到的結果一般表現為C掃描圖像。這種技術已經得到廣泛地應用，而且非常可靠。但是，這種技術不能用于維護環境中，因為我們不可能從飛機結構的兩側接觸到需要檢測的部位。
不過，我們可以通過超聲技術，探測到飛機內側和外側蒙皮的脫粘缺陷，流體侵入情況，以及夾芯碾碎的情況。在這類檢測中，必須要使用低頻探頭和底面信號的跟蹤功能，而且要以一種非常聰明的方式使用這些設備和功能。外側蒙皮的分層缺陷，以及外側蒙皮與夾芯之間脫粘的缺陷，表現為底面回波信號得到完全衰減的特性。
最近開發的一項技術可以探測出內側蒙皮和夾芯之間的脫粘缺陷。這個技術要使用一種寬帶寬的1 MHz探頭。當這個探頭被一個強大的方波脈沖激勵時，會在探頭下方的結構中產生諧振。儀器的接收器濾波器被調節到被檢結構的厚度，并在相應的半波長條件下發揮作用。脫粘情況會降低結構的硬度，會使諧振轉換到更長的波長，因此會使諧振的頻率降低。內部結構中的一個25毫米 × 25毫米的脫粘缺陷會因此使底面回波信號的衰減從6 db增加到12 db。
圖5：超聲諧振技術原理
具有高電壓脈沖、優質方波脈沖，以及可選窄帶濾波器的EPOCH 650超聲探傷儀是應用這項技術的首選儀器。
圖6：奧林巴斯的EPOCH 650
相控陣超聲檢測
最近，諸如超聲相控陣的一些新技術也得到了發展。現在市場上還出現了易于使用的便攜式儀器。在飛機制造商的維護手冊中已經提及了可用于各種檢測應用的OmniScan PA儀器，所提及的應用包含探測復合材料層壓結構中的撞擊損傷。
在檢測這種結構時，需要使用儀器的線性掃查功能。儀器使用零度線性掃查功能時，僅通過一次掃查就可以覆蓋大面積的區域。這種儀器與便攜式掃查器一起使用時，如：Glider，可以在C掃描圖像中顯示檢測結果，從而為用戶提供了一種被檢結構的映射圖像。通過使用掃查器，并借助圖像功能，增加了檢測的可靠性，并提高了檢測速度。
圖7：用于復合材料檢測的奧林巴斯的OmniScan PA和GLIDER
借助活動梯使用的手持式損傷檢測儀
在NDT技術人員投入了大量的精力，開發出超聲檢測的新式方法和新型儀器的同時，（由于飛機制造越來越多地使用復合材料結構，）也需要對降落到機場并等待起飛的飛機，快速進行檢查，以發現飛機是否有因撞擊而造成的損傷。由于不是全球每個機場都配備有無損檢測技術人員，因此這類儀器的設計目的是由非技術人員使用，探測出可能因撞擊而引起的分層缺陷。
35RDC是一款簡單的go/no-go（快速確定產品合格/不合格）的超聲儀器，用于檢測新式波音787飛機以及其它復合材料結構。這款儀器可以由未受到NDT培訓的人員使用，以探測出堅固的層壓結構（非蜂窩結構）的近表面的撞擊損傷。這個由波音公司開發并在后來獲得了專利的概念，基于已經發展成熟的脈沖/回波技術。35RDC儀器在B787結構修復數據文件中被提及。
圖8：奧林巴斯的35RDC（借助活動梯對機身損傷進行檢測的儀器）
奧林巴斯的Bondmaster 600是一款使用一發一收模式、機械阻抗分析（MIA）和諧振檢測方式對復合材料進行檢測的多模式超聲粘接檢測儀器。很久以前這款儀器就用于對大多數現有的飛機進行檢測，只是最近又開發出了借助這款儀器完成的新的檢測方式。
圖3：奧林巴斯的BondMaster 600一發一收模式用于檢測帶有蜂窩結構的復合材料。發射器將聲能傳送到工件內，然后，接收器再接收反射回來的聲能。在粘接完好的條件下，部分聲能由于蜂窩結構的吸收而產生衰減。當探頭被放置在脫粘區域上時，返回到接收器的聲能會變得很大，并會引起波幅的變化。
圖4：粘接檢測的一發一收模式 這項技術最近得到了優化調整，可以可靠地探測到位于40毫米厚的蜂窩結構以下遠端的（面積為25毫米 × 25毫米）脫粘缺陷，如：E型缺陷。針對困難且費時的空中客車（Airbus）飛機的檢測，我們專門設計了一種新式差分高電壓探頭。在空中客車的維護公告中，現在記載著使用這種探頭檢測所獲得的非同尋常的結果。
常規超聲檢測
超聲技術是在檢測復合材料結構時使用的最為廣泛的一種技術。如今已經開發了各種各樣的用于復合材料檢測的超聲儀器。一般來說，超聲波可以在復合材料層壓結構中很好地傳播，而且可以相當容易地探測到異常現象。不過，在檢測夾芯結構時，超聲波會因為內芯結構的不均勻性和低密度性，而得到極大的衰減。因此，利用超聲技術對夾芯結構進行的檢測，要求儀器具有更多專用的功能。
在制造環境中，大型夾芯平板工件可以通過穿透方式得到檢測。在這種穿透檢測過程中，相對較高波幅的超聲波被發送到工件，并穿過工件，然后位于工件另一側的接收探頭再對信號的衰減程度進行測量。所得到的結果一般表現為C掃描圖像。這種技術已經得到廣泛地應用，而且非常可靠。但是，這種技術不能用于維護環境中，因為我們不可能從飛機結構的兩側接觸到需要檢測的部位。
不過，我們可以通過超聲技術，探測到飛機內側和外側蒙皮的脫粘缺陷，流體侵入情況，以及夾芯碾碎的情況。在這類檢測中，必須要使用低頻探頭和底面信號的跟蹤功能，而且要以一種非常聰明的方式使用這些設備和功能。外側蒙皮的分層缺陷，以及外側蒙皮與夾芯之間脫粘的缺陷，表現為底面回波信號得到完全衰減的特性。
最近開發的一項技術可以探測出內側蒙皮和夾芯之間的脫粘缺陷。這個技術要使用一種寬帶寬的1 MHz探頭。當這個探頭被一個強大的方波脈沖激勵時，會在探頭下方的結構中產生諧振。儀器的接收器濾波器被調節到被檢結構的厚度，并在相應的半波長條件下發揮作用。脫粘情況會降低結構的硬度，會使諧振轉換到更長的波長，因此會使諧振的頻率降低。內部結構中的一個25毫米 × 25毫米的脫粘缺陷會因此使底面回波信號的衰減從6 db增加到12 db。
圖5：超聲諧振技術原理 具有高電壓脈沖、優質方波脈沖，以及可選窄帶濾波器的EPOCH 650超聲探傷儀是應用這項技術的首選儀器。
圖6：奧林巴斯的EPOCH 650相控陣超聲檢測
最近，諸如超聲相控陣的一些新技術也得到了發展。現在市場上還出現了易于使用的便攜式儀器。在飛機制造商的維護手冊中已經提及了可用于各種檢測應用的OmniScan PA儀器，所提及的應用包含探測復合材料層壓結構中的撞擊損傷。
在檢測這種結構時，需要使用儀器的線性掃查功能。儀器使用零度線性掃查功能時，僅通過一次掃查就可以覆蓋大面積的區域。這種儀器與便攜式掃查器一起使用時，如：Glider，可以在C掃描圖像中顯示檢測結果，從而為用戶提供了一種被檢結構的映射圖像。通過使用掃查器，并借助圖像功能，增加了檢測的可靠性，并提高了檢測速度。
圖7：用于復合材料檢測的奧林巴斯的OmniScan PA和GLIDER借助活動梯使用的手持式損傷檢測儀
在NDT技術人員投入了大量的精力，開發出超聲檢測的新式方法和新型儀器的同時，（由于飛機制造越來越多地使用復合材料結構，）也需要對降落到機場并等待起飛的飛機，快速進行檢查，以發現飛機是否有因撞擊而造成的損傷。由于不是全球每個機場都配備有無損檢測技術人員，因此這類儀器的設計目的是由非技術人員使用，探測出可能因撞擊而引起的分層缺陷。
35RDC是一款簡單的go/no-go（快速確定產品合格/不合格）的超聲儀器，用于檢測新式波音787飛機以及其它復合材料結構。這款儀器可以由未受到NDT培訓的人員使用，以探測出堅固的層壓結構（非蜂窩結構）的近表面的撞擊損傷。這個由波音公司開發并在后來獲得了專利的概念，基于已經發展成熟的脈沖/回波技術。35RDC儀器在B787結構修復數據文件中被提及。
圖8：奧林巴斯的35RDC（借助活動梯對機身損傷進行檢測的儀器）