Kiểm tra siêu âm Phased Array các cấu kiện CFRP có bán kính cong sử dụng đầu dò Radii

Tóm tắt

Phased Array (PA) là một kỹ thuật siêu âm được sử dụng rộng rãi khi kiểm tra các bộ phận CFRP (Polyme cốt sợi carbon) trong ngành hàng không. Thiết bị thu phát PA sử dụng kèm với đầu dò đa biến tử được để tạo ra chùm âm hướng về phía trước. Sóng âm có thể được thay đổi góc độ và tập trung vào các vị trí có thể xuất hiện khuyết tật. Trong bài viết này trình bày đánh giá kiểm tra các chi tiết bán kính cong và đầu dò phù hợp để phát hiện các khuyết tật trên bán kính cong của vật liệu CFRP.

Việc kiểm tra sẽ được thực hiện thủ công nhằm mục đích đơn giản hóa việc thiết lập quy trình kiểm tra. Ảnh hưởng của hình dáng hình học và vị trí đầu dò được phân tích bằng các chỉ thị tìm thấy trên chế độ hiển thị C-Scan. Cấu hình cổng tối ưu cũng được nghiên cứu để thu được kết quả tốt nhất. Nghiên cứu đặc tính và khả năng lặp lại của dữ liệu cũng như tóm tắt cấu hình khuyến nghị khi kiểm tra cũng được trình bày.

Giới thiệu

Nhiều cấu trúc hàng không CFRP được sản xuất với hình dáng phức tạp với các góc và bán kính cong, phải được kiểm tra sau khi chế tạo và trong quá trình bảo trì để đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành. Với mục đích này, siêu âm Phased Array có thể cung cấp chi tiết thông tin về các khuyết tật bên trong các bộ phận dưới nhiều cách hiển thị khác nhau.

Hệ thống siêu âm mảng pha dựa trên một đầu dò siêu âm chứa nhiều biến tử riêng lẻ có thể phát xung riêng biệt theo các mẫu được lập trình, với biên độ và độ trễ khác nhau, tạo ra một mặt sóng đồng nhất truyền theo hướng mong muốn. Nó giúp điều khiển hướng chùm tia siêu âm và hội tụ tại các vị trí mong muốn.

Hai chi tiết CFRP (Hình 1) có khuyết tật tự nhiên được kiểm tra nhằm mục đích phân tích ảnh hưởng của hình dáng bộ phận, vị trí đầu dò và cấu hình cổng đo. Đặc tính khuyết tật và khả năng lặp lại các chỉ thị cũng được nghiên cứu.

Kiểm tra vật liệu CFRP với bán kính cong

CFRP là từ viết tắt của Polyme cốt sợi cacbon. Việc kiểm tra các bộ phận CFRP có nhiều hình dạng và độ dày khác nhau, bao gồm các chi tiết có góc cong như xà ngang, thanh giằng và cấu trúc hình nón.

Các góc cong của vật liệu CFRP có nhiều dạng. Tùy thuộc vào cấu hình; một số phương pháp kiểm tra nhất định cũng như một số đầu dò và nêm nhất định sẽ mang lại kết quả tốt nhất. Tuy nhiên, nguyên tắc cơ bản vẫn giống nhau áp dụng với các kỹ thuật kiểm tra góc cong của vật liệu CFRP. Để kiểm tra góc ở khoảng 0°, các chùm siêu âm từ đầu dò phải cắt vuông góc với bề mặt của cung. Để làm điều này, đầu dò phải được định vị sao cho tâm bán kính của đầu dò trùng với tâm bán kính của góc. Có hai cách kiểm tra chính là Kiểm tra góc cong từ ID và kiểm tra góc cong từ OD.

Mỗi vị trí bán kính cong của vật liệu CRFP sẽ được xác định bởi 3 tham số: Bán kính vật liệu, bán kính góc mở của vật liệu.

Phương pháp thí nghiệm

Việc kiểm tra bán kính thủ công đã được thực hiện bằng Thiết bị Omniscan MX và đầu dò PA bán kính cong 5CC25-32-R4, với 32 biến tử, bán kính 25 mm, tần số 5 MHz và phạm vi góc là 90°. Nêm 90° đã được sử dụng để định vị đầu dò trên bán kính cong của chi tiết. Vị trí theo bề mặt kiểm tra được mã hóa theo thời gian thực bằng bộ mã hóa tuyến tính. Luật tiêu cự sử dụng 4 biến tử phát tuyến tính và không hội tụ chùm âm [5]. Cấu hình ba cổng đã được xác định để thu xung phản xạ mặt đáy, xung phản xạ từ chỉ thị và lấy cả hai. Cũng cần cân nhắc việc đồng bộ hóa với cổng xung mặt.

Một số vấn đề phải được khắc phục trước khi thực hiện kiểm tra các mặt cong. Theo hình dáng bộ phận, đầu dò phải được định vị chính xác sao cho tiêu điểm đầu dò và tâm mặt cong (bán kính) trùng nhau tại một điểm. Yêu cầu này có thể khó khăn ở những khu vực xảy ra sự thay đổi độ dày hoặc bề mặt không đều. Hơn nữa, yêu cầu góc nêm phải bao phủ hết phần góc cong tối đa. Đầu dò chỉ được định vị chính xác trên bán kính khi thu được tín hiệu siêu âm thẳng hàng và đồng đều trong màn hình S-Scan.

Kết quả

Hai dữ liệu của vị trí vật liệu cong được biểu diễn dưới dạng quét C dựa trên biên độ trong Hình 3. Các chỉ thị được tìm thấy dọc theo cả bán kính 1 và 2 lần lượt được hiển thị trong Hình 3b và e. Xung phản xạ mặt đáy chỉ được ghi nhận ở ranh giới bán kính cho trường hợp 1, được biểu thị trong Hình 3c, do miếng chêm lê được đặt giữa phần gân và mặt bên ngoài (xem Hình 1a) làm suy giảm tín hiệu siêu âm. Đối với trường hợp 2 (Hình 3f), sự bất thường (khoảng rỗng) trong miếng chêm tạo ra xung phản xạ ở mặt đáy. Hình 3a và d mô tả các chỉ thị và xung phản xạ mặt đáy tương ứng cho bán kính 1 và 2.

Việc định vị đầu dò không chính xác trên vị trí bán kính và sự bất thường về mặt hình học có thể dẫn đến các vùng “không có xung phản xạ” và/hoặc chỉ thị sai. Đặc tính của khuyết tật dựa trên biên độ xung phản xạ. Các lần kiểm tra khác nhau của cùng một vị trí bán kính có khả năng lặp lại tốt, như được quan sát trong dữ liệu quét C được trình bày trong Hình 4.

Kết luận

Việc kiểm tra bán kính CFRP có thể được thực hiện bằng siêu âm mảng pha. Trước khi kiểm tra, cần tiến hành hiệu chuẩn với tiêu chuẩn tham chiếu để xác định vị trí chính xác của thiết bị tìm kiếm nhằm thu được kết quả đáng tin cậy. Vị trí đầu dò phải được điều chỉnh mỗi khi bán kính/độ dày của bộ phận thay đổi, do đó cần có các nêm khác nhau (hoặc các nêm thích ứng) cho một số góc của bộ phận. Bất kỳ vấn đề nào trong số này hiện nay sẽ cản trở việc áp dụng quy trình kiểm tra tự động.

Tài liệu tham khảo

[1] M. Moles. Advances in Phased Array ultrasonic technology applications. 2007, Olympus.
[2] Grupo de Metalurgia e Ingeniería de los Materiales, Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. Revisión bibliográfica de la técnica de ultrasonidos Phased Array. 2007, Sevilla.
[3] Pagnoux-Lacaze, E. Preparation a la certification des agentes de contrôle non destructif. Ultrasons Phased Array. NDT Expert, 2009, Toulouse.
[4] Página oficial de Olympus. Cursillo de ultrasonidos Phased Array.
[5] Santamaría Moreno, ML. PFC: Aplicación de la técnica Phased Array, de inspección mediante ultrasonidos, a geometrías curvas en esquina. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla. 2011,
Sevilla.