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无损检测技术正在飞速发展,但传统方法仍然“老当益壮”
发布:kittyll   时间:2017/12/7 10:38:46   阅读:100 
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无损检测技术正在快速发展,在飞机、汽车等结构安全监测方面应用越来越为广泛。检测一些难以用肉眼察觉的问题,例如某种复合材料损伤的程度(损伤有可能发生在材料内部,被很好的隐藏起来)等,就是无损检测技术的最大优势之一。

就以上所说的复合材料为例,“碳纤维复合材料在外部受到冲击时可能会产生一些内部损伤,而这些内部损伤往往又难以被肉眼察觉出来,所以材料开发人员必须确保这些难以发现的伤害不会损害到材料结构的完整性,进而影响其整体性能”。来自英国高附加值制造业领域的无损检测专家、布里斯托大学(University of Bristol)的Robert Smith教授说道。

从超声波检测、涡流检测到磁粉检测技术等,目前已经有十多种无损检测技术在航空航天领域内得到了应用。根据不同的材料、不同的检测需求,人们可以选择最合适的检测技术。

“现在,工业检测领域正朝着另一种趋势发展,就是在不需要使用更为复杂的设备的前提下做到快速诊断问题”,来自英国航空航天技术研究所(ATI)的科技主管Mark Summers说道。

与此同时,布里斯托大学的工程师关心的问题之一就是能否以及如何加快对碳纤维复合材料结构的无损检测过程。

Smith指出:航空航天工程师将把无损检测技术与材料、缺陷类型相匹配——试图最大程度地提高材料结构的安全性,同时最大限度地降低检测成本。

“工程师都渴望找到尽可能小的、真正意义上的所有缺陷,而并不需要找到那些不是缺陷的东西(错误的指示),花费时间和精力进行的检测,最后找到的却是错误的指示,这样所带来的成本代价是很高昂的。因此,你需要一种能够准确区分缺陷和结构框架或系统噪音的技术,以避免花费不必要的时间和成本”。

Stefan Sahlen是一位来自瑞典林雪平市Exova材料技术实验室(为全国各地的操作人员进行培训的无损检测培训中心)的无损检测技术专家。据他所说,对飞机零部件进行现场测试的关键无损检测技术是对铝制机身进行的涡流检测技术,此外,超声波检测和X射线检测技术也是非常常用的。

“随着越来越多的复合材料被用于航空航天领域,所采用的无损检测技术也在不断变化”,Sahlen说道:“在十年前,涡流检测技术的使用率比现在要大得多”。但是,这种方法现在依然还被航空公司普遍使用,主要用来评估在役飞机的结构完整性。例如,斯堪的纳维亚航空公司(北欧航空公司)表示,其80%的检查仍然使用涡流检测技术进行。
 

▲在瑞典林雪平市Exova材料技术实验室进行无损检测实验

涡流检测技术的原理主要是将通电线圈放置在待检测金属样品附近,金属样品内会感应出涡流。与不含缺陷的同类金属制品相比,被检制品中若存在缺陷或者结构发生改变都会导致涡流变化。因为涡流的分布和大小,除与线圈的形状和尺寸、电流的大小和频率等有关外,还取决于试件的电导率、磁导率、形状和尺寸、与线圈的距离以及表面有无裂纹缺陷等因素。因而,在保持其他因素相对不变的条件下,利用探测线圈测量涡流所引起的磁场变化,可推知试件中涡流的大小和相位变化,进而获得有关电导率、缺陷、材质状况和其他物理量(如形状、尺寸等)的变化或缺陷是否存在等信息。

涡流检测通常能够在几秒钟内完成,这使得它易于整合到生产线中,并且此过程不需要用到耦合剂,检测前也不需要对样品进行预清洗工作。此外,由于涡流还受电导率影响,这种技术还可以用来检测合金材料之间的差异性等。例如,如果铝材料中含有裂纹,形成的涡流则不会发生流动,工程师就可以据此使用涡流检测仪器来确定裂纹的位置。

对于复合材料而言,如果其中存在损伤,那么在材料中则会出现较大的分层,人们可以很容易的观察到复合结构受到的一些明显冲击(诸如鸟击或冰雹等),但对于一些难以察觉的冲击影响就不是那么容易被发现了。Sahlen解释道:“你必须评估结构深处受到损伤的程度,以及冲击影响是否使得碳纤维从基体中分离出来,因为这些对于复合材料的整体性能具有很大的影响”。

超声波检测是利用材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检验材料内部缺陷的无损检测方法。超声波脉冲反射法有纵波检测和横波检测两种。在超声波仪器示波屏上,一般以横坐标代表声波的传播时间,以纵坐标表示回波信号幅度。对于同一均匀介质,脉冲波的传播时间与声波传输距离成正比。因此可由缺陷回波信号的出现判断缺陷的存在;又可由回波信号出现的位置来确定缺陷距探测面的距离,实现缺陷定位;通过回波幅度来判断缺陷的尺寸大小。

利用超声波技术检测复合材料具有穿透能力强、灵敏度高、操作简单等优点,使其能够轻易检测到较小的内部损伤缺陷;而且由于具有较高的穿透能力,该技术还可以检测到零部件内更深处的缺陷信息。
 

无损检测技术(如超声波检测技术)非常灵敏,能够检测到小型元件内部的微小损伤
 
磁粉检测则仅用于对铁磁材料进行检测,磁粉检测技术的原理简单来说就是:利用合适的磁化力对待检制件进行磁化,然后在制件表面待检区域施加铁磁粉(干粉或者悬浮液形式)。磁化后在那些材料不连续处的磁场将发生崎变,在部分磁通泄漏工件表面产生了漏磁场,从而吸引磁粉形成一种迹象指示——磁粉堆积(磁痕),在适当的光照条件下,能够有效显现出缺陷的位置和形状,然后根据材料验收标准对这些缺陷的尺寸、形状及其分布等因素进行分析对比。

磁粉检测方法尤其适用于检测材料的线状缺陷,例如裂缝、含有非金属的夹杂物、未焊透部分以及一些其他可能会导致磁漏现象的缺陷。该方法主要就是用来检测铁磁性材料表面或者近表面上的不连续处。由于磁场发出的磁通线是定向的,因此必须考虑到这些磁通线与不连续处的方向问题。一般来说,最大响应通常发生在不连续处与磁通线方向呈90°。Sahlen说道:“通过采用对紫外线敏感的荧光粉,你可以很快看到金属缺陷。这种方法和渗透检测方法在生产环境中是应用最为普遍的”。

事实上,航空航天企业的生产部门和设计部门都是无损检测的重要用户。得益于计算机的快速发展,“在过去的20年里,无损检测已经发生了翻天覆地的变化。无损检测变得更加直观,可以形成更多的图像,包括二维和三维图像,可以更为有效地为人们进行检测。然而,传统方法仍然占据着主导地位,因为新技术一般需要很长时间才能投入使用。” Smith说道。
 

▲在过去的20年里,无损检测技术发展迅速,包括利用视觉信息来检查航空部件等

英国航空航天技术研究所的Summers补充道:“无损检测的市场在不断扩大,但随着高性能计算的发展,其复杂性也随之不断提高。不断出现的无损检测新技术将逐步融入到包括航空工业在内的众多领域中。”这些技术最终将检测结果有效的反馈到新飞机的设计、制造过程中。

Smith说道:“在生产制造过程,未来的无损检测将涉及到工艺验证程序;可以验证你设计的制造过程是否能够实现预期的目标,并且判断每一个制造部件的设计是否合理、一致。这一方面增加了设计的成功率,降低了风险,并有可能减轻飞机机身的重量,即意味着你可以用较轻的结构达到相同的安全等级”。

目前学术界的主要工作是研究未来无损检测技术的发展和研发一些实施现有方法的新型技术。布里斯托大学的大部分无损检测研究主要集中在超声波学科,但研究人员也会使用涡流技术和X射线计算机断层扫描技术。Smith介绍道:“布里斯托大学的无损检测研究小组是非常多样化的,但我们团队专门从事复合材料的无损检测,主要集中支持复合材料的设计和制造阶段。我们正在从超声波检测数据中对复合材料的内部结构进行高保真的三维表征,从而确认所制造的零件与原始设计是否保持一致。这一过程将会产生大量的有用信息来填补设计过程中所缺乏的机械测试结果”。

令工程师们特别感兴趣的还包括将传感器嵌入到整个机身和其他能够传输关于结构完整性数据的飞机组件中(称为结构健康监测,即SHM)的潜力。“结构健康监测已经谈了近30年了,尽管人们已经进行了大量的研究工作,但是还没有能够在飞机上真正实现”,Smith指出。

“人们对结构健康监测有着极大的兴趣,”Summers补充道。“以劳斯莱斯为例,碳纤维风机叶片如果被嵌入了传感器,它就可以在使用时提供有关部件结构状态的数据,因此你并不需要专门对它们进行检测。”这很可能会成为航空发动机数字化改革进程中的一部分,也将会是“第四次工业革命”的重要内容。

但是现在的飞机只有少数的结构健康监测传感器,Smith说道:“部分原因是,传感器必须从一开始就被安装到结构中,这使得初始成本很高,而且现在还不清楚如何验证这种系统的具体功能。此外,如果这些嵌入了传感器的部件发生了故障而且必须做局部修复时,你可能会损失部分的监测功能”。

Smith坦言:人们的潜意识里总是希望能够尽量减少使用无损检测技术,因为它往往是昂贵的。在零部件设计和生产过程中采用无损检测技术是为了证明每一个制造的部件都是正确、合理,并且都符合最初设计的。如果飞机制造商可以证明这一点,那么在制造之后进行的质量控制过程可能就不再是那么有必要了。但是,无损检测技术必将持续发展下去,因为飞机等结构的安全性离不开这些高效的无损检测技术。

作者:Ben Hargreaves
译自:mro-network
译者:Vince
来源:“无损检测NDT”微信公众号
 
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