超声涡流联用法检验飞机零件故障,航空用无损检验技术的最新进展

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本刊讯美国加州的材料技术公司开发出一种联用超声及涡轮对航空发动机进行远程目视成像检查的方法。检验系统利用了电化学疲劳传感器及疲劳熔丝技术。仪器可对飞机结构、起落架以及发动机中的疲劳关键件微裂纹进行定位,对疲劳状态进行度量。另外,美国亚利桑那州的霍尼韦尔宇航公司正在开发一种能检测飞机结构中位于表面下125毫米深处的缺陷传感器,目标是对飞机结构的反常现象进行实时成像。该传感器由声学及激光器组成,叫做”结构反常图像”仪,该仪器安装在一个激光导引、计算机控制的机器人平台上,仪器可以检查飞机的复合材料分层、蜂窝损伤以及金属腐蚀。该仪器将用来在无人参与情况下,在飞行状态对飞机进行数小时的整机扫描。例如可在10~12小时内对湾流V这样大小的飞机进行检验,并获得3维数字图像。可以在不损伤表面、不作特殊表面处理情况下,在飞机上下表面移动,从而检查结构中深度至305毫米处的缺陷。目前仪器的验证正在霍尼韦尔公司的公务机上进行,然后将在生产型飞机上应用。

Latest Developments of Nondestructive Testing in
Aviation介绍了几种常规无损检验技术如超声电磁和声学技术的改进,以及中子射线成像、光致正电子湮没等新技术的应用前景。◎陈林在航空设备制造及维修中,广泛采用了各种高新无损检验技术。随着对检验技术要求的日益提高,不断出现传统技术的改进及新技术的应用。无损检验技术发展的总趋势仍是速度快,自动化程度要求高,分辨率高易于解读;可靠性高以及成本低。例如,在传统的超声、电磁及声学检验中,广泛引入移动式自动扫描,综合应用了多种技术,出现了自动扫描的超声、电磁、传感器系统,声学-激光自动扫描系统。热成像检验是新发展起来的技术,为克服其局部性,开发了新的软件,扩大了应用范围。中子射线技术以及正电子湮没技术显示出独特的检测能力,在未来航空制造及维修中有潜在的重要作用。移动式超声及电磁自动扫描系统波音公司的鬼怪厂开发了一种移动式自动扫描系统,可以用超声或电磁场来探测复合材料或金属表面下隐藏的损伤,而检查时不用将结构分解,因此省时省钱。该扫描系统是一种手提式装置,尺寸大约是计算机鼠标的2倍,与电子设备及膝上计算机相连接。电磁传感器用于金属检验,而超声传感器则用于复合材料。两种传感器可以互换,与检测装置相连,对检测部位进行扫描。由传感器收集到的信息以彩色或灰色影像显示在计算机屏幕上,可以保留用于以后分析,图像可以进行快速解读,进行三维分析。平均每小时可检测200平方英尺。目前,美国海军、空军、民航公司均采用这种自动扫描设备。有航空公司发现,用这种设备检测飞机顶部的缝口特别有效,因无需卸下飞机内装饰,检测时间从100小时减少到4小时。美海军也将其用于F/A-18E/F的检验。现有的检测系统为MAUSⅢ型,价格为15万美元。下一步发展MAUⅣ型,将用于曲线表面的检测。声学-激光自动扫描美国霍尼韦尔公司领导一个团队,正开发一种机器人系统,可供在夜间及无人看守情况下对飞机的腐蚀或其他结构缺陷进行扫描,用来代替要花几天时间才能完成的手工检验。公司已经试验了结构异常测绘系统的原型,并与美国联邦航空局共同进行验证工作。该系统是一种自行定位的机器人式运载车,上面装有声学及激光传感器,用以检测表面下的缺陷,如复合材料分层、蜂窝损伤、腐蚀以及裂纹。该检测装置有一个9m长的轴及3m的臂组成的平台,可以检测波音737大小的飞机。对”湾流”V扫描花10~12小时,而用人工X射线及超声检验需要花120~200小时。该装置可对结构发射高功率声波,使蒙皮产生振动,并用激光束来测量飞机蒙皮的振动。声波的频率为4~5Hz到40~50GHz。频率越低,声波进入结构越深,并产生反射使蒙皮振动。结构异常测绘用结构异常”信号特证库”进行编程,采用数字显示,并以彩色代码显示有问题的部位。以前的检查结果可以存储并用作对比。霍尼韦尔正在与BBA诊断公司合作开发结构异常测绘系统。该团队计划对大的航空公司、基地维修人员及维修中心提供检验服务。一般航空公司在大修前应定期用这种结构异常测绘系统扫描以便预先确定维修计划。美军方也有兴趣用它来检查易腐蚀的老龄飞机以及隐身飞机,而无需除去难维修的隐身涂层。轴承故障用超声传感器有故障的轴承会发出噪声,要在噪声环境中找出轴承是否发出噪声,或哪一个轴承发出噪声,是一件不容易的事情。为此,美国马里兰州的CTRL系统公司开发了一种超声传感器可以精确找出因摩擦而产生的噪声,它除了能检测已失效的轴承,还能利用声音反馈系统探测由于缺少润滑而可能失效的轴承。同时,它也能探测作为故障表征的振动。CTRL公司的UL101超声诊断装置是一种手提式无损超声检测仪。接收器大小为32×32×226,重320g,可以检测1kHz到40kHz的频率。有故障的轴承、齿轮、液压作动筒、密封装置或阀门可以通过耳机中声音的高低变化或计量器读数来进行检测。该仪器的灵敏度很高,足以显示空气、气体或液体逸出时产生摩擦的声响,通过声音检查可确定阀门是打开或完全关闭的。除此之外,公司还开发了一种新的超声传感器Resonance-2,用来检查机械装配件的螺纹或小螺纹接头。也可用来检查复合材料的孔隙。这种装置可以用来检测飞机座舱的漏气而无须对舱内增压。装置的超声发射机装在舱内,而接收机在舱外表面。公司的UT2000万能发射机可以发射40kHz的信号,UT101接收机可在30m以外的空中接收到该信号。巴克豪生噪声检测巴克豪生噪声(Barkhausen
noise)检测是一非常可靠、标准化和低成本的检验钢件损伤的方法,已成功得到应用,其中应用最广泛的是磨削损伤。另外,这种方法也能成功用于切削加工和热处理缺陷的检查,用于喷丸效果、残余应力的测量以及剩余寿命的估算。例如,用于曲轴、轴承、飞机起落架的磨削损伤的检测;用于焊缝喷丸效果的测定等。这种检验方法的原理是利用所谓的巴克豪生噪声。巴克豪生噪声是黑色金属在交流电作用下材料磁化发生突变而产生的,通过一线圈传感器对噪声进行接收,显示材料中产生的变化。图2所示为检验用仪器的工作原理图。为产生巴克豪生噪声,对铁磁材料进行磁化,材料与磁场反应产生磁化上的改变,这种改变是由于磁畴层的微观移动的结果,当磁畴移动时,它发出的电脉冲由导电线圈接收。这种离散脉冲信号的幅度受到磁畴移动因素的影响,这些因素有析出相、位错、夹杂、晶界以及残余应力等。影响因素可分为两大类,即硬度和残余应力。而巴克豪生噪声随材料硬度的降低及抗拉伸应力的增加而增加;随硬度的增加及压应力的增加而降低。根据上述原理,可以检测出材料的磨削损伤、再回火烧伤、再硬化损伤、残余应力等材料缺陷。巴克豪生检验的优点是损伤的早期发现、检测结果的良好存储、防止缺陷产品出厂等。热成像法的改进近年来,用热成像法对航空结构进行无损检验的优点已广为人知。热成像检验的面积大,非接触以及不受工件曲率限制等特点使其成为一种点检验法的代用方法。但是,对于大结构(例如大于几个平方英尺的),该法仍是很耗时麻烦的工作。例如,要用传统热成像法来检查飞机方向舵之类的大型结构件需要花30~50分钟,为此,英国热波成像公司开发了一种专利化信号处理程序MOSAIQ,它是一种专门用来评估大面积热成像检验数据的软件程序。采用这种软件程序,整个数据采集和分析过程只需12分钟。MOSAIQ是新入市的但受到工业界良好认知的软件。据TWI公司的经理说,这种软件的入市大大影响了热成像应用的方式。它不仅仅可以提供比其他方法更清晰的图像,而且可以得到整个结构而不是局部的图像。TWI公司的热成像信号重组技术应用一种先进的软件,几乎可以排除热成像中的噪声及模糊影像,而形成清晰、无噪声的表层下结构图像。检测的深度比以前的大,可检测厚的结构而无模糊不清的问题。一个操作人员就可完成大面积的检验。检查时,操作人员应首先界定检查面积并建立一个矩阵,例如在4平方英尺的面积上用红外相机拍摄16次。每拍一次大约5秒,每拍一次后操作人员将数据置于矩阵中的相应位置。MOSAIQ软件与TWI公司的EcoTherm或Thermoscope系统配合起来,可以得到大尺寸的图像。虽然目前的重点是集中在把该技术用于非常大的结构的检验,但该技术也可以检验大结构上的一个非常小的区段,而把这些小区段的检查图像加在一起从而得出如显微镜的分辨率但覆盖大面积的图像。此项技术正在积极用于航空工业。波音公司已批准将TWI公司的设备用来检验民用飞机蒙皮下2.54mm深度处25.4×25.4面积的脱胶。波音公司的应用表明:TSR技术的检验深度是一般热成像的2倍。在发电业以及汽车业也在积极推广这项技术。因为这些行业的复合材料应用也与日俱增。在此之前,复合材料在汽车业应用有限,原因之一是成本高,但现在已降下来了。另一个原因则是质量保证,MOSAIQ的出现有助于质量保证。其实不论何种工业,此项技术的检验范围都非常广,其中有吸水、吸入的流体、腐蚀、复合材料分层、冲击损伤以及气孔等。在红外热成像发展初期,这项技术还只看作是实验室的方法,主要用于发现缺陷。而当前要求零件无缺陷、要求质量在规定范围内(例如层厚及涂层厚度等)。这种在生产上的应用在两三年前是无法办到的。操作人员可以用这种设备在大面积上进行检验,然后用另一种技术在MOSAIQ图像上显示有故障的部位进行验证。例如,分层或腐蚀可进一步用超声A扫描来进行验证。而用手持式A扫描装置或涡流仪对大面积作100%检验是不可能的,而且由于红外热成像检验是非接触式的,也不用将零件从飞机上卸下来。热成像检验至今仍或多或少是定性检验,受主观作用影响。而MOSAIQ的目标是要克服传统的局限性,要求变成定量检验,TWI公司正在为此研制新一代的热成像检验产品。中子射线成像技术美国俄亥俄州克列夫兰的XRI公司开发了中子射线技术,可用作材料的无损检验。中子射线成像技术与X射线成像技术有类似之处,两者均用能穿透物品的射线来显示物品的不同成分。但有不同之处,即中子射线与X射线的衰减有很大的不同。物质对中子射线的衰减是通过靶的原子核的散射或吸收进行的,与X射线不同,中子射线的衰减不随原子序数的增加而单调增加。经过衰减的中子射线可用X胶片及转换屏成像。也可以用闪烁屏及CCD成像机进行数字图像显示。一般说,数字成像比胶片成像快,可对移动物品进行实时成像。中子射线成像已成功用于无损检测各种缺陷,包括裂纹、夹杂、空洞、气泡、外来物、密度上的变化、钎焊质量,焊件中的钎焊材料、分层以及胶接剂中的缺陷。图4所示是用中子射线检验显示的4个零件。上图左为有枪粉末的黄铜弹丸;上图右为15cm的钢制气袋充气器,左下图为38cm长无缺陷的叶片,右下图为带缺陷的涡轮叶片。光致正电子湮没技术美国爱达荷州的正电子系统公司开发了一种无损检验技术,可有效地检测机翼中埋在第2层内的疲劳损伤,这是无损检验技术的重要进展;该技术称作光致正电子湮没技术,其实质是用线性加速器的光束来穿透材料。在检测过程中,产生带有正电荷的、尺寸与电子相当的质点。这种正电子可以被纳米大小的缺陷吸引而与电子相撞击。在撞击过程中,两种质点湮没,而放出一种伽玛射线。伽玛射线能谱显示出一种清晰可辨的有关材料中的缺陷大小、数量以及型别的特征。这种技术据称是一种非常灵敏的技术,可以探测最早阶段的损伤,即裂纹尚未出现的损伤。同时该项技术可以在不分解产品的情况下定量地评估其剩余寿命。在一次翼梁试验中,对在试样的第2层锥度紧固件孔内的一个已知损伤进行了分析。对损伤及未损伤部位进行了测试,发现两者的疲劳值有明显差异。而其中的钛合金层的变厚度对测试值无影响。