无损检测技术.doc

飞机结构无损检测技术研究现状和发展趋势引言：现代民用飞机结构设计思想由安全寿命设计逐渐转变为耐久性与损伤容限设计。损伤容限设计准则是指在飞机服役目标期内，在发生严重疲劳、意外或腐蚀损伤时，在伤被检出前，保证结构能承受合理的载荷而不发生破坏或失效。在损伤扩展至危险之前检出损伤，是保证损伤容限特性的最终控制。无损检测对飞机结构零部件/区域损伤或不连续性的定性、定量的检测能力则是损伤容限设计和飞机结构完整性要求的重要保障。无损检测在民用飞机维护过程中的作用是指采用目视或其他无损检测方法检查、监控飞机结构或附件可能出现的环境损伤(包括应力腐蚀)、疲劳损伤或意外损伤等，精确判定飞机结构状态的实际情况， 为维修方案的确定提供前提和依据。一、无损检测的应用对象分析：无损检测主要针对飞机结构损伤，损伤大致可分为以下五种：飞机结构零部件生产制造过程中产生的缺陷；飞机在起飞、飞行、着陆过程中，由于某种原因使飞机产生过大的负载造成的结构损伤。例如重着陆所造成的起落架、机轮组件的损伤；日常维护过程中造成的刮伤、撞伤等；由于使用环境所造成的腐蚀损伤，如沿海地区的潮湿空气、飞机货舱运载的海鲜等都是产生腐蚀损伤的根源；交变载荷所造成的疲劳损伤（疲劳裂纹）。这些损伤如果没有得到有效的处理，极易产生裂纹，如疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、腐蚀疲劳裂纹等，例如机轮组件轮毂的轮座圆角过渡区、连接螺栓的螺纹处等一些飞机结构应力集中部位（接头、孔边、拐角）易产生疲劳裂纹。结构的裂纹萌生和短裂纹的扩展阶段是疲劳的起始和主要阶段，研究表明，该阶段在整个疲劳寿命中所占比例高达80%，因此，结构的裂纹形成寿命成了人们普遍关心的重要指标。尤其在航空领域，由于有些结构的复杂性，在使用过程中难以实施检测。另外，有些结构由于特殊功能的要求，不得不使用高强或超高强材料，而这些材料通常伴随裂纹扩展抵抗能力差的缺点。二、飞机机构的无损检测方法和分类：先进复合材料中的微观破坏和内部缺陷，用常规的机械与物理方法一般不能满足其检验精度要求，也不能采用破坏性实验方法进行检测，必须对其进行无损探伤检测。即在不损坏结构使用性能的前提下，采取一定的手段，检测其特征质量，确定其是否达到需要的工程使用要求。无损检测是检验产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命必要的有效技术手段。可应用于航空复合材料结构中缺陷无损检测的技术很多，包括目视检查法、射线检测技术、超声检测技术、声一超声技术、涡流检测技术、微波检测技术等。（1）目视检查法飞机结构使用和试验中，目视检查法是使用最广泛、最直接的无损检测方法。它直接或借助放大镜用眼睛可以检查出褪色、表面划伤、裂纹、起泡、表面欠压、起皱、桔皮、凹痕、富胶、贫胶等缺陷，尤其对透光的玻璃钢产品，可用透射光检查出内部的某些缺陷并对特殊部位定位，如夹杂、气泡、疏松、搭接的部位和宽度、蜂窝芯的位置和状态、镶嵌件的位置等。另外，利用反射光可以观察到表面不平和其他缺陷。由于目视检测的可靠性比较低，对于目视检测完后的一些部位，需要利用其它更先进的方法予以复查验证。（2）射线检测技术射线检测是利用X射线易于穿透物体，但在穿透物体过程中受到吸收和散射而衰减的性质，在感光材料上获得与材料内部结构和缺陷相对应的黑度不同的图像，从而检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并作出评价。这种检测方法直观、易保存。射线检测法适用于检测材料或构件内部缺陷。在飞机结构中，一般用于不拆卸机翼的中外翼齿型垫板，中外翼及外翼长桁梳状件等的检测，不能分离的多层结构内部螺栓孔变的损伤检查等。对于先进复合材料而言，射线检测仍然是最直接、最有效的无损检测技术之一，特别适合于检测先进复合材料中的孔隙和夹杂等体积型缺陷。对垂直于材料表面的裂纹也具有较高的检测灵敏度和可靠性，对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能力。也可测量小厚度复合材料铺层中的纤维弯曲等缺陷。但对复合材料中最为常见的分层缺陷检测比较困难，对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不敏感。康普顿背散射成像技术是一种新的射线检测技术。它具有单侧非接触、检测灵敏度高、快速三维成像的特点，非常适合于复合材料等原子序数较低材料的物体检测，对低密度材料的检测可获得比透射成像更高的图像对比度。特别是当被检物体因结构限制无法进行双侧成像检测时，技术就显示出了明显的优势。技术在国外航空航天领域已经得到了广泛的应用。在国内，由于缺少相关的技术设备,此项技术尚处于探索性的研究阶段。但鉴于该技术的独特性能，可以预见它必将成为飞机无损检测领域一个极具开发与应用潜力的检测手段。（3）超声检测技术超声波探伤可以用于检查几乎所有飞机结构零部件的内部缺陷。例如检查机翼与机身连接螺栓、结构腐蚀等。超声检测是一种利用机械波在介质中传播，传播过程中发生折射、透射、反射用接收回波的大小，位置来判断有无缺陷及缺陷的严重程度的检测方法。超声波检测既可检测表面缺陷，也可检测内部缺陷（选用不同探头），适用于多种材料。对于裂纹、叠层、分层等平面状缺陷具有较长的检出能力，对体积型缺陷不敏感，但对材料组织敏感。适用于检查几何形状较简单工件。在飞机结构中，可用于检测大梁螺栓孔（不用拆螺栓）；机翼、机身蒙皮下的连接型材；机翼大梁连接螺栓上的裂纹等。（4）声振检测。随着复合材料技术的发展,复合材料和蜂窝结构的比强度大,比刚度高,在飞机上的应用越来越多. 复合材料和蜂窝结构主要产生分层,脱粘和开裂等缺陷,而声振检测就主要用于检测胶接结构的脱粘,缺胶和分层等缺陷，检测复合材料和蜂窝结构等粘接结构的完整性.例如加拿大生产的冲八飞机隔两年需进行一次全机身胶接检查。检查是否存在脱胶等缺陷。因为现在飞机大量采用复合材料，所以，声振检测前景广阔。（5）涡流检测技术涡流检测技术的基本原理是利用涡流探头的线圈接通交变电流后，能够在线圈附近的检测试样中产生涡流，该涡流又能产生一个交变反磁场，交变反磁场会改变线圈磁场，从而使流经线圈中的电流也随之改变。当线圈上的电压恒定时，线圈中电流的变化会引起线圈阻抗变化，通过测量线圈阻抗的变化，就可以得到试样内部的缺陷信息。涡流检测是以电磁感应原理为基础的，它利用在交变磁场作用下不同材料会产生不同振幅和相位的涡流，缺陷或裂纹也能改变涡流的振幅和相位来检测铁磁性和非铁磁性材料性能、缺陷和结构情况的差异。适用于导体，只能检测表面和近表面缺陷，也可检测隔层下（隔层不能太厚）的缺陷。飞机结构中可用于检查机身机翼钉孔变的裂纹、机翼梁缘条（隔蒙皮）、机翼壁板下长桁、联结螺栓孔壁、孔外缘等处的裂纹。（6）磁粉探伤磁粉检测是利用铁磁性材料和缺陷、裂纹之间的磁导率变化而堆积磁粉米发现缺陷(裂纹) 的。它可以检验铁磁性金属构件表面或近表面裂纹和其它缺陷。具有显示直观、灵敏度高、设 备简单和操作方便等优点。但是，这种检测方法仅适用于铁磁性材料，只能发现表面近表面缺陷。在飞机结构中常用于检测起落架、发动机架焊缝、迮接螺栓，机翼大梁连接耳片等钢件的裂纹检测。（7）渗透检测液体渗透检验的基本原理是利用渗透液的润湿作用和毛细现象是渗透液进入工件表面或开口缺陷（裂纹）中，随后被吸附并使其显像来检测缺陷（裂纹），也就是利用液体渗入试件表面来寻找试件缺陷（裂纹）的方法。适用于表面非疏松性的各种材料、各种形状、简单和复杂的构件。该方法通常用于飞机局部表面检测，机翼、机身外表面所有敞开部位。渗透探伤由于设备简单、灵敏度高等优点应用很广泛。尤其在结构修理中，例如前几年客梯车不慎与飞机客舱门撞击，我们利用渗透探伤精确检测出了撞击引发裂纹的长度、方向，这既可以指明修理的方向，而且保证了修理的质量。三、我国民航无损检测工作现状：民航领域一直是我国开展无损检测理论和应用研究最普遍、最活跃的部门。民航无损检测工作应当遵循的原则是，寻找适合且有效的方法，而不是盲目走高、精、尖之路；要用“对”的，不盲目追求“贵”的。在民航领域内，目视（包括借助仪器的目视）可能占到其无损检测工作量的70%以上，目视加常规可能占90%以上。当然，由于航空装备的特殊性和对高安全性、高可靠性的需求，最新、最先进的检测方法往往首先在航空部门得到应用 （结构健康监测、脉冲涡流、激光和红外成像等技术），但是实际检测中一些特殊部位或特殊场合提出的需求，而不是为了应用新技术而使用新技术。我国航空领域的无损检测总体上位列世界先进水平，其研究和技术人员能自行解决和攻克航空领域面临的各类复杂的技术疑难问题。摩擦焊是一种新的固相焊接技术，在航空制造上有重要应用，因焊缝区缺陷紧贴、细微，焊缝区冶金组织与母材接近，采用常规针对熔焊缝的X射线或超声波检测方法难以解决摩擦焊检测问题。刘松平等利用入射声波在焊缝区产生的反射/散射/衍射等综合信息进行焊缝缺陷的判别和识别，取得了良好的检测效果。在利用常规TOFD技术的基础上，提出利用L-TOFD和P-扫等技术综合检测搅拌摩擦焊焊接质量，该研究方法可以替代传统的X射线检测法并克服其难以检测焊缝纵向裂纹的缺点，为保证搅拌摩擦焊焊接质量发挥了作用。刘松平等对于复合材料缺陷的检测也进行了具有创新意义的研究， 研制成功的CUS-6000复合材料高效超声自动化扫描成像检测设备已达到工业应用级水平，直接可为复合材料制造服务。该研究小组研制的超声显微成像技术可以精确判断各复合材料铺层的缺陷情况，未来可对提高复合材料的制造质量发挥重要作用。 郭广平等长期以来对激光错位散斑干涉技术进行了较为深入的研究。对于C夹层雷达罩峰窝结构，制造过程中存在的弱脱粘缺陷用常规超声波C扫描技术难以发现，他们研制的真空加载激光散斑干涉系统可在现场对紧贴型弱脱粘缺陷实施检测，该技术可用于雷达罩上蒙皮与峰窝之间的脱粘、中蒙皮与上侧峰窝之间的脱粘检测，其检测能力达到工程应用水平。耿荣生等在20042011 年长达8年的时间内，跟踪监测了2类三代机在全机疲劳试验中的损伤发展情况，首次建立了以声发射技术为中心的综合裂纹监控技术，保证了试验的顺利进行，2种机型的寿命均得到50%以上的提高。其课题组发展了一套较为完整的声发射信号处理和预报方法，在充分研究并获得了无裂纹情况下背景声发射信号的统计平均特性后，采用了基于统计分析原理的趋势分析技术，基于时间、基于空间、基于幅度和基于能量的滤波技术，基于声发射信号幅度分布特征研究的信号处理方式，以及采用多参数综合识别技术获得疲劳裂纹萌生和扩展的声发射特征等。他们发展了一套独有的将监测到的声发射信号拆分成不同的时间序列，再利用统计平均参数的相关性等特征量的趋势变化实施监测，取得了明显效果。以20042008 年对某型号飞机的监测为例，在整个试验过程中，在几乎未出现误报的情况下，成功预报和发现了38条关键裂纹，发现了100多条一般裂纹，这在全尺寸飞机疲劳试验裂纹监测史上是一个奇迹。由于实施了全程监测、检测（以及针对性的耐久修理），使得该机群的飞行寿命增加量达50%。上述方法在2009年之后也应用到另一机种飞机的全尺寸疲劳试验中并取得成功。此项研究具有巨大的政治、军事和社会意义，并创造了以百亿为单位的经济效益。图1和图2是利用声发射（AE）技术预报关键结构裂纹的2个实例（如未预报， 疲劳试验极有可能失败）。四、飞机结构无损检测技术发展趋势：1.大力发展结构健康监测 （SHM）技术所谓结构健康监测就是要对结构（健康）状态实施一系列监测措施并进行（健康）状态评价，在结构发生早期损伤或者疲劳裂纹萌生的时候，能对结构采取修复性措施，从而避免结构出现或者产生不可修复的破坏。如同最好的“治病”方法是加强预防和早期诊断以“防患于未然”一样，对于航空装备而言，健康监测是未来有效提高装备可靠性和延长其使用寿命的最佳途径。除前面提到的声发射监测在某种程度是一种结构健康监测技术外，目前已发展了不少“行之有效”的方法，例如，采用智能传感器技术、智能材料技术、光纤传感器和应变量监测技术等。由于单一方法总有其局限性，因此多种方法的联合使用可能是最有效的健康监测方法。健康监测的本质是需要对健康状态作出综合评价，在这一层面上，目前还没有一种技术是真正意义下的健康监测，大部分都属于损伤检测（能做到发现早期损伤或早期裂纹）的范畴，只不过一些“预埋”或预设的传感器能实施连续检测而已。不管采用什么技术（注意，没有一种技术是万能的），对结构本身的了解和工程应用经验都是至关重要的。2.提倡绿色 NDT无损检测技术的发展必须与我国工业发展的总体思路相适应绿色制造，即采用节能、减排技术生产环境友好型机械制造设备，这无疑是机械制造业的发展方向。未来的无损检测设备也应该是绿色的，即环境友好型设备。因此，一些传统的、 可能会对环境产生污染的检测方法将会逐步被淘汰，或者被新的方法、新的检测媒介所代替。例如磁粉探伤，随着漏磁检测技术的进步和检测灵敏度的提高，以及后者可能更容易实现智能检测和可视检测，在很多场合,磁粉探伤都有可能会被漏磁检测所替代。另一种已经发生并且加速进行的现象是数字射线检测技术终将代替传统的胶片检测方法。近年来，随着新型数字图像板和新型利用图像荧光存储的CR技术的飞速发展，数字射线的成像效果已完全可与传统胶片相媲美，因此， 鉴于其环境友好的特征且能存贮、 反复使用和实现远距离传输， 代替传统胶片射线检测技术已指日可待。另一方面，随着超声检测技术的进步，例如TOFD技术在焊缝检测中作用的加强和标准的建立，（在焊缝方面）用超声TOFD 代替或部分代替射线检测也已成为可能，这也符合绿色检测的理念。航空装备的无损检测需要重视这些新技术的推广应用，这方面的工作任重而道远。3.智能 NDT 和信息化 NDT信息化和智能化的无损检测设备目前制造业的一个热门话题是信息制造、智能制造，即制造的机械设备系统能够进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。利用目前已经开发出来的晶片传感器技术， 并与微电子学和高性能计算机相结合，生产集成化的（综合）、具有信息系统功能和智能检测的设备应当已具备条件。智能NDT和信息化NDT的一个直接结果是让探伤（无损检测） “变得更加简单”。事实上，早在20世纪90年代，空军就在这方面进行了十分有益的探索。外场的一些主要探伤工艺存贮在数字化超声波和涡流探伤设备中，大大简化了外场人员的操作步骤，并提高了外场探伤的可靠性。固化了主要机种外场探伤工艺的KK-30智能型超声波探伤仪和 SMART-97 智能型涡流探伤仪已具备了智能化仪器的雏型，当然，由于缺少可视化的检测结果且没有自动识别功能，这些仪器的智能化水平仍然较低。目前，图像处理和图像自动识别技术飞速发展，有些已十分成熟，可以与该领域研究人员合作，研究智能化程度很高的无损检测设备。 4.相控阵技术在涡轮叶片、 涡轮盘和压气机盘等复杂构件裂纹检测中的应用由于聚焦位置和声束方向（偏转角度）可以十分方便地由电路来调节，相控技术在航空装备中的应用首先可能体现在对涡轮叶片、涡轮盘、篦齿盘和压气机盘等复杂构件裂纹检测方面。这需要根据具体检测对象的几何尺寸预先进行一些试验研究，并制定出详细的检测计划。5.红外和激