航空蜂窝夹层结构的无损检测

单威

上海飞机制造有限公司 上海 201324

引言

蜂窝夹层结构复合材料由于质量轻、比强度和比刚度高、抗疲劳、阻尼减振、稳定性好、结构可设计性强、破损安全性高、隔热、隔音等优点，在航空领域有着广阔的应用。如飞机升降舵、方向舵、襟翼、副翼、起落架舱门、雷达罩、平垂尾前缘与前后缘舱壁板、整流罩、地板、内饰等都大量采用了蜂窝夹层结构。由于蜂窝夹层结构制造工艺复杂、对湿热环境敏感、抗冲击性能差等原因，目前主要被用于飞机的次承力结构[1]。为了满足蜂窝夹层结构制造过程工艺改进与质量控制、服役过程定检与损伤评估、修理检测等需求，无损检测技术发展迅速。蜂窝夹层结构缺陷形式多样，无法仅凭一种无损检测方法实现对零件全面有效检测，必须结合制造工艺、缺陷类型、综合采取有效的无损方法才能实现准确评估。

1 蜂窝夹层结构

蜂窝夹层结构是由上、下两块蒙皮与中间一层蜂窝芯组成，蒙皮与芯格采用胶粘剂粘接成型。蒙皮通常为薄的铝合金、碳纤维、玻璃钢等复合材料。蜂窝芯一般按材料可分为铝合金蜂窝、芳纶纸蜂窝或玻璃钢蜂窝，其蜂窝格通常为六边形。蒙皮为主要承力构件，承受面内拉压应力与剪应力，蜂窝芯承受垂直于面板的压缩应力和横向力产生的剪应力。铝蜂窝比复合材料蜂窝压缩强度弱，但面内剪切强度明显比复合材料强。蜂窝夹芯结构通过热压罐成型、真空袋成型、模压成型、液体成型等成型工艺制作。热压罐成型工艺外加压力可调，真空与温度精度高，可制造外形复杂零件，但设备投入与维护成本较高。真空成型工艺投入成本低，操作方便，但传统预浸料质量标准相对较低。模压成型工艺成型压力大，效率高，零件表面质量优，但模具成本高，尤其对于尺寸较大复材零件。液体成型采用干织物与纯树脂代替预浸料，材料制造与工艺成本降低，但蜂窝与预成型体密封困难。航空蜂窝夹层结构设计需综合考虑材料性能，成型工艺，可检性等因素。面板选择主要考虑材料的刚度和强度。芯材选择需遵循一定的原则，如芯材要密度低、强度和刚度足、胶接性能好、与面板电性能匹配（避免电偶腐蚀）、工艺性能好，还得考虑导热性、阻燃、防毒、防烟雾等性能。蒙皮与蜂窝芯间胶层应具有足够强度抵抗面板与蜂窝芯之间的剪切应力和和拉应力。

2 蜂窝夹层结构缺陷类型

由于设计或选材不合理，制造偏差，冲击损伤等原因会导致蜂窝夹层结构出现不同形式的缺陷。缺陷存在是关系到复合材料结构性能的关键问题，有必要对缺陷类型、产生原因与危害进行分析。缺陷按发生部位，可分为面板缺陷、胶接缺陷及蜂窝缺陷。面板内缺陷有裂纹、分层、孔隙、疏松、夹杂、纤维断裂、富脂、贫胶、磨损和划伤等，胶接缺陷有脱粘、胶膜孔隙、空洞，蜂窝缺陷有蜂窝变形、节点分离、芯格断裂、芯格压塌、芯格压缩、芯格膨胀及芯格积水等。制造过程，缺陷来源主要包括使用了不合格的材料与不恰当的工装，进行了不恰当的铺贴、固化与加工，实施了违反操作的规程，采用了不合理的装配工艺，工具跌落以及污染等。服役过程，缺陷主要由于工具跌落、冰雹、鸟撞、化学腐蚀、磨损、雷击、湿热循环等原因导致[2]。

分层与脱粘主要发生在复合材料层压板叠层界面上、两单独元件间胶接线以及夹层结构面板与芯子之间。分层与脱粘会降低结构稳定性与强度，降低了胶接结构的刚度。分层与脱粘的危险程度取决于缺陷尺寸大小、缺陷所在位置以及所承受载荷情况，面板在受压和剪切载荷下，分层区域层压板和脱胶元件会屈曲，造成载荷重新分配，最终导致结构失效。

裂纹、孔隙、气泡等基体缺陷通常发生在基体与纤维界面处，或者在与纤维平行的基体中。这些缺陷除非分布较广，一般对结构危害较小，只是降低材料特定的性能。裂纹累计可使基体压缩强度与剪切强度降低，还可导致水等液体通过面板渗入夹层芯体中，导致芯子和面板胶接性能退化。孔隙是复合材料制造过程中形成的小空洞。孔隙率小于1.5%时，孔隙呈直径5-20μm球状；孔隙率大于1.5%时，孔隙为柱状，与纤维轴向平行。孔隙缺陷只要控制在一定水平内，不会明显降低结构性能。孔隙率较高区域在宏观上一般表现为疏松缺陷，材料内部呈蜂窝状，材料强度与性能剧烈下降。

由于冲击等原因，夹层结构会出现纤维断裂、基体开裂、面板贯穿、芯格压塌、分层及脱粘等组合损伤的出现。低能冲击形成的损伤较为隐蔽，高能冲击直接导致元件损坏，影响结构环境抵抗能力与飞机的系统完整性。

蜂窝经过机加、成形与胶接后，会形成一些蜂窝缺陷，如蜂窝变形、节点分离、芯格断裂、芯格压塌、芯格压缩、芯格膨胀等。一般对于超过接收限的偏差，在可返工限内，可按照规定的方法进行返工，如超过可接收限与返工限，予以拒收处理。

3 无损检测技术

无损检测是用来检测结构缺陷与损伤的主要方法，但各种方法对于不同缺陷具有不同的检测可靠性。针对蜂窝夹层结构无损检测方法主要包括超声检测、射线检测、胶接检测、敲击检测、红外检测。

对于蜂窝夹层结构，通常采用超声脉冲穿透法对零件进行全自动C扫描检测。检测系统采用两个同步的机械臂带动两探头，探头一侧发射超声信号，另一侧接收信号。如存在缺陷，缺陷会将会导致接收信号出现衰减。穿透法无法确定缺陷性质与深度，对所发现的缺陷，可通过接触脉冲反射法对缺陷进行辅助评判。脉冲穿透法，检测效率高，可一次完成整个零件检测，但不可拆卸的零件实施较困难。脉冲反射法，检测灵敏度高，定性定量准确，可从零件单面进行检测，但对于偏厚与超声衰减较大零件检测不适用。对于金属蜂窝夹层结构，在只能单侧检测的情况下，可采用低频脉冲反射法，但对缺陷定性与定量比较困难。超声检测可对分层、脱粘、夹杂、孔隙等缺陷实现有效检测。图1为典型蜂窝夹层结构超声穿透法C扫图像。

图1 典型蜂窝夹层结构超声穿透法C扫图

射线检测可以对蜂窝缺陷，如蜂窝变形、节点分离、芯格断裂、芯格压塌、芯格压缩、芯格膨胀、芯格积水等具有较好检测效果，还可检测层压板中裂纹、纤维断裂及孔隙。一般采用低能X射线，因为复合材料或薄蒙皮对射线吸收较低。射线检测方法，缺陷图像直观易解释，对与射线束平行的缺陷具有较好检测效果，检测成本较高，还存在环保问题。图2为典型蜂窝夹层结构射线检测图像。

图2 典型蜂窝夹层结构射线检测图像

胶接检测法具有发射-接收、谐振、机械阻抗三种模式。低频发射-接收模式，不需液体耦合剂，发射探头将声波传入蜂窝结构，能量一部分被蜂窝芯吸收，一部分在面板内以兰姆波传播。当面板与蜂窝芯脱粘时，沿面板传输能量被接收探头接收，声波波幅增高。高频谐振模式需液体耦合剂，对板板胶接脱粘、层压板内部分层，蜂窝结构脱粘，通过信号相位可确定缺陷深度，对于孔隙不敏感，可用来检测较大孔隙率材料内部分层缺陷。机械阻抗法不需液体耦合剂，具有较小接触面，适用于检测不规则表面的板芯脱粘，但不能区分金属蜂窝凹坑与脱粘显示[3]。

敲击检测用于检测薄蒙皮结构中的蒙皮分层或者板芯脱粘类缺陷。敲击检测简单方便，但仅能检测零件单侧缺陷，容易受人主观意识和环境因素影响，检测分辨率较低。红外检测适用于蜂窝夹层结构脱粘、蒙皮分层与芯格积水等缺陷的检测，检测快速，结果直观，但易受外界热辐射与零件表面状态影响，不适合外场检测。

4 结束语

本文对航空蜂窝夹层结构设计、材料、制造工艺进行了简单介绍，阐述了结构在设计、制造与服役过程中可能造成的缺陷类型、产生原因以及危害，并针对蜂窝夹层结构不同类型缺陷的无损检测方法有效性、优缺点进行了分析讨论。实际检测过程中，应结合蜂窝夹层结构形式、检测状态条件、可能造成的缺陷类型、检测要求，综合选取合适的无损检测方法，实现准确可靠的检测。