超声波检测

除了用于高速航空航天生产的传统超声波检测方法外，Arcadia aerospace Industries（AAI）还专门为许多无损检测（NDT）过程提供定制解决方案。

碳纤维复合材料在航空航天应用中的应用不断发展。最初作为金属的替代材料，主要用于轻量化，现在已成为越来越复杂的结构部件的首选材料。随着越来越多的结构部件由复合材料制成，电动垂直起降(eVTOL-electric vertical takeoff and landing)飞机等新型飞机正在接近鉴定，质量测试需求也在不断发展，无损检测(NDT-nondestructive testing)必须跟上新部件和生产率的增长。

什么是无损检测？

无损检测是指在不损坏结构的情况下，用 于评估复合材料的性能、完整性和质量的各种技术。复合材料的无损检测方法包括超声波检测、X 射线检测、热成像、目视检测等。

Arcadia Aerospace Industries LLC（AAI，Punta Gorda，美国佛罗里达州）由 Charles Bushman 于 2007年创立，旨在解决他所认为的航空航天行业的差距：对越来越多由碳纤维制成的越来越复杂的航空航天部件进行自动无损检测。

该公司从波音公司开始，使用相控阵超声波检测（UT-ultrasonic testing）来检测剪力筋。这成为了与其他航空航天公司发展其他关系的催化剂，包括 GKN aerospace、 HondaJet 和 GE，Arcadia 由此迅速发展。在为航空航天建立传统 UT 服务的基础业务的同时，该公司看到了帮助客户解决日益增长的复杂几何形状航空航天组件测试需求的机会。

AAI 无损检测主管拜伦·万斯表示：“当我在 80 年代初刚开始从事该行业时，你看到的许多复合材料（航空航天）零件之所以被选中，主要是因为它们减轻了重量——它们被用于管道和许多非结构部件。”。“今天，我们对这些复合材料如何处理动态载荷情况有了更多的了解。”

AAI 副总裁杰弗里·菲利普斯对此表示赞同。“这个行业似乎存在差距，尤其是缺乏以客户为中心的定制解决方案，无论是检查还是设备。”

如今，AAI 主要履行三项业务职能。一是提供第三方独立无损检测服务。客户可以选择将零件送往该公司位于塔拉塞的阿拉巴马州实验室，根据其规格提供检查服务，或者 AAI 可以派出技术人员进行现场检查。总体而言，AAI 专业的解决方案或检查方法包括常规超声检测（UT-ultrasonic testing）、相控阵超声、空气耦合超声、X射线（便携式和机器人）、涡流检测（ETC-eddy current testing）和热成像。

该公司还为航空航天行业的大型主承包商和次级承包商设计定制的无损检测解决方案和系统，其内部无损检测部门需要自动化设备。最后，AAI 为有兴趣建立无损检测部门的客户提供咨询服务。

菲利普斯说：“随着零件变得越来越复杂，对定制系统的需求也在增加。”。“这正是我们能够在行业中有所作为的地方——我们以客户为中心，为系统提供定制的解决方案。”

 

10 轴多频机器人检测

AAI 的机器人 x，y，z 电桥和双塔 x，z 机器人扫描系统是专门为复杂轮廓的航空结构设计的。

01专注于定制

AAI 的解决方案是在其位于佛罗里达州蓬塔戈尔达的工程总部开发的，这是一个 34000 平方英尺的制造空间，该公司在这里为客户设计、建造和调试所有定制机械。同样的专业知识使 AAI 能够在阿拉巴马州提供专业服务，该公司专注于为高速航空航天项目提供超声检测（UT-ultrasonic testing）服务。

AAI 提供无损检测服务和构建检测解决方案的能力是该公司的独特之处之一。菲利普斯说：“我们知道批量检查零件需要什么，当我们的客户对不同的方法有特殊需求时，我们在制造方面有经验。”

常规、相控阵和空气耦合 UT*

UT 的工作原理是将高频（0.5-25 兆赫）能量波发送到层压板中或通过层压板。主要方法是脉冲回波，它测量用同一探针发送和接收的反射波，以及通过传输(TTU- through transmission)，它使用发射器探针发送波通过层压板厚度，并使用接收器探针在另一侧测量波（见“复合材料制造商可用的无损检测方法”）。脉冲回波仅限于发现第一个缺陷，但擅长定义缺陷的深度。TTU对小缺陷不太敏感，但可以通过声音路径内的零件看到所有缺陷。

它可以提供缺陷的大小和位置，但不能提供深度。相控阵 UT 可以显著减少检查时间，同时提供对小缺陷（包括位置和深度）的色检测。相控阵探头使用排列在单个外壳中的多个换能器元件。通过以稍微不同的时间间隔发射元件，声波可以被聚焦（深度）或转向（左、右或成一定角度）到特定位置。探针通常有 32 或 64 个元件，例如，后者的尺寸为40×25 毫米，尽管尺寸各不相同，但长度通常低于 100 毫米。也可以使用具有128 个元件的较大探针，但没有广泛使用。空气耦合 UT 不像所有其他 UT方法那样需要水、凝胶或其他耦合剂，但通常在分辨率和可以看到的缺陷方面也有局限性。浸泡在水箱中也是一种广泛使用的 UT 系统配置，可以提高扫描图像的清晰度，但不应与夹层结构一起使用，例如，这可能需要较长的扫描时间。

*本节摘录自 Abaris Training Resources 开发的第二版“高级复合材料制造和修复要点”教材。

02为复杂结构定制

尽管需要注意的是，航空航天界制造的大多数复合材料部件通常需要通过传输或脉冲回波检查，但对灵活的开箱即用解决方案的需求越来越大。对于具有复杂几何形状的零件，例如已经 3D 打印的零件，尤其如此。

拜伦·万斯强调：“在许多情况下，客户正在寻找传统超声波的补充，在某些情况下需要一种新技术。”

为了开发这些产品，AAI 通常从为客户检查各种零件开始，以确定什么是最佳的检查解决方案。工程项目经理马克·蒲柏表示：“随着零件越来越复杂，我们发现越来越多的传统 UT 并不能为其目录中的每个零件提供答案。”。“在这种情况下，我们会扩展到不同的检查技术，并进行测试过程——通常是通过放入报废部件并对其进行不同的测试研究，验证我们是否能看到所有缺陷，并确定哪种方法最快。”

 

双机器人

AAI 的 16 轴双塔 x，z 机器人检测系统具有执行光学检测的能力，传统的通过传输/脉冲回波和相控阵进行检测。

03轮廓零件扫描功能

AAI 在阿拉巴马州的工厂拥有两个 10 轴龙门系统、一个双机器人系统和一个双机械手 x、y、z 塔架系统。这四个系统既可以容纳大型组件，也可以容纳小型组件。

拜伦·万斯说：“很多（公司）都有可以进行平板扫描的扫描仪，但不是每个人都能做到将具有复杂轮廓的零件放入其中并进行扫描并保持适当的扫描幅度。”。“但这是我们做得很好的事情。”

AAI 阿拉巴马工厂的 10 轴龙门架系统和/或双机器人 x、y、z 塔架系统能够扫描传统水平扫描仪难以处理的大型航空航天零件。例如，它用于检查 HondaJet 飞机的整个机身。该机身分为两半，每一半将机头（蜂窝夹层结构）、机筒（带共固化桁条的加筋板）和尾锥（蜂窝夹芯结构）组合成共固化整体结构。但是，在连接两半之前，必须对每一半进行检查。

马克·蒲柏描述了这台机器：“我们使用一个运动控制器，可以非常准确地协调机器的两侧，这样我们就可以跟踪部件的两侧，并通过传输和脉冲回波检查同时创造高质量。”

AAI 的系统能够执行脉冲回波和透射超声（TTU- through-transmission ultrasonic）C 扫描检查。虽然 TTU 通常提供大量数据，包括整个零件的彩色空间图，指示缺陷的位置和相对严重程度，但也有不起作用的情况。例如，在具有芳纶蜂窝的结构中，高度衰减的芯防止看到第二表层。核心以外的任何缺陷都不可见。AAI 的系统提供了一种解决方案，它可以同时使用零件两侧的脉冲回波进行扫描。

任何频率组合都可以用于 AAI 的任何系统。典型地，AAI 将使用 1 兆赫和 5 兆赫的组合，其中 1 和 5 兆赫用于直通传输，5 兆赫仅用于脉冲回波。直通传输的好处是能够扫描更厚、密度更低的材料，同时允许访问零件的两侧。加上回声允许访问一侧。

AAI 还可以在 1 兆赫和 5 兆赫的频率下同时进行 C扫描检查。根据应用要求，可以集成其他频率。马 克·蒲柏解释说，测试过程通常包括对零件的层压部分运行一个频率，然后对其他部分（例如增强型芯部分）以不同的频率再次运行零件。多频率系统提供了同时扫描零件的不同方面并在多个通道上收集信息的能力。马克·蒲柏指出，这可能会产生巨大的影响，尤其是当有时运行更大的部分可能会占用整个班次时。

拜伦·万斯说：“我们有能力在不拆卸装置或工具的情况下更换封头，从一种完整的检测方法转变为一种完全不同的无损检测方法。这非常节省时间，有时甚至需要几天时间。”

机器人手腕上的工具更换器的好处使技术人员能够在几秒钟内从一种无损检测方法转换到另一种，大大提高了系统的效率。

通用零件车可用于容纳多种几何样式，并在一次检查中容纳多个零件。如果需要，AAI 有能力制造定制夹具，以正确定位复杂零件。

AAI 在各种系统中使用相控阵 UT，包括浸没槽和平面和曲面相控阵探头。它可以自动检测，提供对包含半径、角度变化和曲率的多维复合材料部件的一次扫描，实现高吞吐率。例如，其带有 64 元件相控阵换能器的喷射器系统帮助该公司显著减少了一个零件的检查时间。马克·蒲柏说：“使用传统 UT 进行检查通常需要 40 分钟。”。“但有了这个相控阵系统，我们只需要 3 分 20 秒就可以检查这个部件。”

 

AAI 的相控阵功能允许对复杂零件进行多维一次扫描。

 

快速更改功能可提高效率。

04复杂零件案例历史:GKN和HondaJet

AAI 为行业带来的一个很好的例子是它与 GKN 航空航天公司（美国阿拉巴马州塔拉塞）的合作。AAI 为 GKN 为西科斯基、空中客车、通用电气、本田喷气式飞机和几个导弹项目生产的产品提供无损检测服务。GKN 复合航空航天材料（国防）全球经理保 罗·赫尔利表示，GKN 与 AAI 之间的关系始于几年前，当时吉凯恩位于阿拉巴马州塔拉塞的工厂无法对其为 HondaJet 生产的大型机身进行无损检测。保罗·赫尔利说：“GKN 和 AAI 之间的合作关系使GKN 能够在现场开发和维护这种能力。”。它还从一个项目中为一个产品提供无损检测，发展到以每月约 1000 个零件的速度为五个项目提供检测。

保罗·赫尔利补充道，利用 AAI 的无损检测使 GKN 能够专注于其在复合材料航空航天结构设计、工程和制造方面的核心竞争力。“AAI 能够为 GKN 开发高度自动化的解决方案，以满足客户对材料测试的要求。此外，AAI 还与 GKN 合作，在我们位于阿拉巴马州的航空航天制造工厂内引入先进的机器人技术。这是一种真正的合作伙伴关系，我们可以从中受益，让每家公司专注于其核心能力，支持共同的事业。“

05一个行业的演变

对于航空航天业来说，这是一个有趣的时刻。复合材料现在被广泛用于飞机项目，并越来越多地用于结构应用。它们已经被许多先进的空中交通公司选中，与汽车公司的合作表明了高速生产 eVTOL 和其他新飞机的雄心勃勃的计划。所有这些趋势将反过来影响商业航空航天的生产过程。马克·蒲柏指出了粘接和焊接而不是使用紧固件的趋势，这带来了检查方面的挑战，尤其是查看接口和正确焊接接头的能力。

拜伦·万斯从零件设计的角度讲述了这一演变，并将检查作为生产过程的一部分。他说：“在过去，当我刚开始从事工程设计时，你会设计一个零件，建造它，然后尝试制定一个检查计划。”。“现在，很多规划都是在这些部件的前期设计中完成的。”

随着航空航天市场的不断发展，提高效率至关重要，AAI 已准备好通过解决无损检测挑战、提供用于检测复杂零件的定制解决方案和提高吞吐量来满足这些需求，有时检测时间缩短 8-10 倍。

此外，GKN 指出，从改进检查中吸取的经验教训有助于推动行业向前发展。保罗·赫尔利说：“AAI 在航空航天材料测试要求方面日益增长的专业知识也转化为对 GKN 多个项目的更好支持。”。“最终，我们的客户可以依靠 GKN 和 AAI 进行精确可靠的测试，确保按时交付高质量的产品，并提供适当的文件以防止任何不合格。从 AAI 收到的无损检测信息使 GKN 工程团队能够通过内部和外部检查，精确地讨论 GKN 产品的材料特性分区团队。显然，工程师有价值更好地了解各种材料特性（即孔隙率、固化特性等），使他们能够转换这些信息，以便根据客户规范改进零件设计和制造过程。”

AAI 因其在支持行业方面的作用而蓬勃发展。菲利普斯总结道：“我们不是在开发新的无损检测技 术。我们所做的是集成所需的技术，并以创新的方式将其应用于客户的问题——工具更换、多种无损检测方法、适合特定应用的机器配置。这是我们的集成能力，我们跟上最新技术的能力和我们的能力定制真正使我们在行业中脱颖而出的产品。”

 

注：原文见《 Innovation in ultrasonic inspection and nondestructive testing 》2023.12.27