CN107271485A - 纤维复合材料的非接触式质量控制 - Google Patents

Abstract

本公开涉及纤维复合材料的非接触式质量控制。公开了用于进行纤维复合材料部件的非破坏性测试的系统和方法。所述系统可包括接近部件的线圈和连接到线圈的电源。控制器可连接到电源并被配置为持续地改变流经线圈的电流以产生不断变化的磁场。温度传感器可被配置为检测所述部件的多个区域的温度。电源可以是AC或DC电源。所述方法可包括：在碳纤维复合材料附近产生不断变化的磁场，从而在碳纤维复合材料中感应出电流；测量碳纤维复合材料的多个不同区域的温度以确定是否存在缺陷。缺陷可以通过区域中的温度异常来进行识别。

Description

纤维复合材料的非接触式质量控制

技术领域

本公开涉及纤维复合材料(composite)(例如，碳纤维复合材料)的非接触式质量控制。

背景技术

由于政府立法和客户偏好，对更高的燃料经济性的需求正在增加。满足增加的燃料经济性需求的一个方法是减小车辆重量，例如，通过在车辆中增加复合材料的使用。碳纤维复合材料可提供显著的减小重量的潜力。然而，当前用于复合材料的质量控制系统通常需要使用破坏性测试方法来确保部件性能。此外，由于对损坏的确定性评估可能具有挑战性，所以在维修中可能需要完全更换部件。成本效益好的非破坏性测试方法可解决这些问题中的一些并且有助于另外包括复合材料(诸如碳纤维复合材料)。

发明内容

在至少一个实施例中，提供了一种用于纤维复合材料部件的质量控制系统。所述系统可包括：线圈，接近所述部件；电源，连接到所述线圈；控制器，连接到所述电源并被配置为持续地改变流经所述线圈的电流以产生不断变化的磁场；温度传感器，被配置为检测所述部件的多个区域的温度。

所述电源可以是交流(AC)或直流(DC)电源。所述温度传感器可以是相对于所述部件的非接触式温度传感器。在一个实施例中，非接触式温度传感器被安装到机器人臂并被配置为扫描所述部件的表面。所述系统可包括处理器，所述处理器被配置为从所述温度传感器接收温度数据，并被配置为形成所述部件的所述多个区域的温度映射。所述处理器还可被配置为：如果所述多个区域中的至少一个具有高于或低于阈值的温度，则产生警告。

在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可包括：在碳纤维复合材料附近产生不断变化的磁场，从而在碳纤维复合材料中感应出电流；测量碳纤维复合材料的多个不同区域的温度，以确定是否存在缺陷。

不断变化的磁场可通过持续改变流经线圈的电流而产生。电流可由AC电源或DC电源提供。测量步骤可包括利用非接触式温度传感器来测量碳纤维复合材料的所述多个不同区域的温度。在一个实施例中，非接触式温度传感器是红外温度传感器。测量步骤可包括利用机器人臂扫描碳纤维复合材料的所述多个不同区域，该机器人臂具有附连到其上的非接触式温度传感器。所述方法还可包括：产生碳纤维复合材料的所述多个不同区域的温度映射。确定是否存在缺陷可包括：比较所述多个不同区域的温度并确定所述多个区域中的至少一个是否具有高于或低于阈值的温度。

在至少一个实施例中，提供一种方法。所述方法可包括：持续改变流经线圈的电流以在碳纤维复合材料附近产生不断变化的磁场，从而在碳纤维复合材料中感应出电流；测量碳纤维复合材料的多个不同区域的温度，以确定是否存在缺陷。

确定是否存在缺陷可包括：比较所述多个不同区域的温度并确定所述多个区域中的至少一个是否具有高于或低于阈值的温度。所述方法可包括：产生碳纤维复合材料的所述多个不同区域的温度映射。在一个实施例中，不断变化的磁场在碳纤维复合材料的表面处具有至少0.3T的峰值强度。

附图说明

图1是根据实施例的纤维复合材料的示意性俯视图；

图2是根据实施例的纤维复合材料缺陷检测系统的示意图；

图3是根据实施例的将纤维复合材料分成代表电阻器的较小区域的示例；

图4是将图3中的区域表示为电路的示意图；

图5是根据实施例的包括具有缺陷的两个区域的纤维复合材料的温度映射的示例。

具体实施方式

根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可采用各种可替代形式实现。附图不必按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。

如上所述，当前的测试方法通常在本质上是破坏性的。由于碳纤维复合材料的高单价成本，将常规破坏性测试作为质量控制方法可能对纤维复合材料(诸如碳纤维复合材料)的使用提出了巨大的挑战。非破坏性测试可允许纤维复合材料部件在测试后被重新使用，从而提供显著的成本节约。

然而，受限于损坏检测能力、劳动密集度或它们的组合，当前的非破坏性检测技术通常很慢。这些缺点可能阻碍这些技术在汽车工业内用于检测碳纤维复合材料的使用(例如，由于涉及到的量很大)。适于汽车复合材料部件的更加快速和自主的检测技术可有助于增加纤维复合材料的使用。所述技术可被复合材料汽车部件制造商以及汽车维护和修理人员使用。所述技术可以是廉价的、快速的、易于使用的和/或准确的，优选地具有全部四个优点。

有多种非破坏性技术可能用于检测汽车复合材料，诸如敲击测试、超声波、X射线照相术(例如，计算机断层扫描)、热成像、声发射、声-超声、磁共振成像或振动NDE(non-destructive evaluation，非破坏性评估)。然而，这些技术中的每种对于复合材料部件(例如，碳纤维复合材料)的检测都存在潜在的缺点。例如，每种技术不满足下列条件中的一个或更多个：易于操作；不需要极度的安全警惕性；能够由非技术人员操作；容忍生产环境(包括灰尘、噪音、振动等)的能力；可利用机器人自动化；匹配制造生产循环时间的潜力；能够以可接受的成本获得；或提供快速的、非接触式评估。

相应地，在至少一个实施例中，公开了非接触式质量控制技术和用于执行该技术的系统。所述方法和系统可满足上述条件中的一个或更多个，优选地满足上述条件中的大多数或全部条件。纤维复合材料通常包括树脂和设置在树脂内的多个纤维。纤维可沿着一个或更多个方向(例如，轴向、垂直、45°等)定向或可随机地定向。纤维可相对较长(例如，数英寸或更大)或相对较短。

参照图1，根据一个示例，示出了纤维复合材料部件10的示意性俯视图。部件10包括树脂基体12和嵌入到所述树脂基体12内的多个纤维14。在示出的实施例中，纤维14是长的轴向纤维；然而，如上所述，纤维14可具有任意定向或长度。纤维14在此称为碳纤维，但也可以使用其它导电纤维。纤维14还可以是两种或更多种类型的导电纤维的组合。树脂基体12可包括适于形成纤维复合材料的任意合适的树脂。树脂的非限制性示例可包括环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、聚乙烯、聚丙烯、TPO(thermoplastic olefin，热塑性烯烃)、PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)、BMI(polybismaleimide，聚双马来酰亚胺)树脂或尼龙。树脂可以是热固性塑料或热塑性塑料。

部件10可以是车辆部件，诸如后备箱或行李箱盖、车门板或其它车身板件、车顶结构、仪表板、柱、发动机罩等。然而，本公开不限于车辆部件。部件10可包括将在成品车辆中可见的至少一个表面，该表面可称为A级表面。部件10的表面通常富含树脂基体12并因此不导电(例如，高电阻)。另一方面，碳纤维比树脂基体12更具导电性。电导率可取决于碳纤维的品质。例如，碳纤维可具有至少1x10⁴S/m、1x10⁵S/m或1x10⁶S/m的电导率。由于部件10的表面富含树脂基体12，所以要与纤维14形成良好的接触连接，所述表面可能需要被打磨或以其他方式被移除以暴露出纤维14。这对于A级表面来说可能是不可能的或不可接受的。即使对于非A级表面，如果要在装配好的车辆上执行测试，则所述部件的端部也可能无法附连金属端子。

相应地，参照图2，在至少一个实施例中，公开了不需要与部件10中的纤维14进行物理接触或连接的非接触式质量控制技术和系统。系统20可包括磁场源22。在至少一个实施例中，磁场源22可以是连接到电源26的电导体24(诸如导线)。导线24可呈线圈形状、螺旋形状或蜗旋形状。当电流从电源26传输通过导线24时，产生磁场28。该现象在本领域中是已知的并将不进行详细讨论。

在一个实施例中，电源26可以是AC(交流)电源。AC是其中电荷的流动周期性地反转方向的电流，例如，呈正弦波或三角波的形状。在另一实施例中，电源26可以是DC(直流)电源。由于从AC/DC电源流出的电流可以以非恒定的速率不断变化，所以由AC/DC电流产生的磁场也可不断变化。该不断变化的磁场可用于在附近的导体(诸如部件10中的碳纤维14)中感应出电流。

在示出的实施例中，存在连接到电源26的单个导线24。示出的实施例是示意性的并且未按比例示出。可使用导线24和电源26的任何构造，以产生覆盖整个部件10的变化的磁场28，该磁场具有足以在纤维14中感应出电流的强度。可存在足够大以产生这种变化的磁场28的单个导线24，或者可存在被布置为产生变化的磁场的多个导线24。

在另一实施例中，移动的磁场可用于在纤维14中感应出电流。例如，可使具有恒定磁场的永磁体或电磁体(例如，线圈和电源)移动以形成变化的磁场。该变化的磁场可以以与上面描述的改变电流的方式类似的方式在纤维14中感应出电流。

无论产生变化的磁场的机制如何，磁场的强度都可足以在纤维14中产生有意义的或显著的电流。例如，磁场可足以在纤维14中产生能够使复合材料部件10的平均温度升高至少3℃或至少5℃的电流。在一个实施例中，在复合材料部件10的表面处的磁场强度(例如，峰值强度或振幅)可为至少0.3特斯拉(T)。例如，在复合材料部件10的表面处的磁场强度可为至少0.5T、1.0T、1.5T、2.0T或2.5T。

无论用于产生变化的磁场的机制如何，变化的磁场都可引起电流在所述部件内的导电碳纤维中流动。这可与怎样产生涡电流类似。如本领域普通技术人员将已知的，涡电流是由于法拉第感应定律而通过导体中的变化的磁场而在导体内感应出的环形电流。涡电流在与磁场垂直的平面中在导体内以闭合回路流动。能够通过由例如AC电磁体或变压器或者通过磁体与附近导体之间的相对运动而产生的时变磁场在附近的静止导体内感应出涡电流。给定回路中的电流的大小与磁场强度、回路的面积和磁通的变化率成比例，并与材料的电阻率成反比。

一旦碳纤维中存在电流流动，碳纤维复合材料便将产生热。热的产生可由描述，其中，P是热产生的功率，I是电流，R是电阻，U是电压。参照图3，图1中的部件10可被划分为多个较小的区域或范围30(可近似电阻器)。在示出的示例中，部件10被划分为10x5个网格(宽度方向有10个网格，高度方向有5个网格)，总共50个电阻器。每个区域30可在网格内被分配位置，如图所示。区域中的每列(例如，R₁₁-R₅₁)可被视为并联的电阻器，如图4所示。

对于具有均匀纤维密度并且不具有缺陷(诸如，纤维密度异常、纤维断裂、空隙、异物、分层/脱粘或其它)的纤维复合材料部件，能够预期每个区域30具有相同的电阻。然而，如果区域中存在缺陷，则电阻可相对于其它区域发生变化。例如，如果区域中存在异常高的纤维含量，则由于纤维(例如，碳纤维)比树脂基体更具导电性，该区域的电阻可相对于其它区域减小。可选地，如果区域中存在异常低的纤维含量或区域包括空隙或纤维断裂，则该区域的电阻可相对于其它区域增大。具有较高电阻的区域所流过的电流将较小，并因此将产生较少的热。相反，具有较低电阻的区域所流过的电流将较大，并因此将产生较多的热。在存在高电阻区域的列中，相比于所有区域均具有均匀电阻的列，其它区域所流过的电流将更多，并因此将产生更多的热。相反地，在存在低电阻区域的列中，相比于所有区域均具有均匀电阻的列，其它区域所流过的电流将更少，并因此将产生更少的热。

利用关系式U＝IR，列(例如，第1列)中的每个区域(电阻器)的热功率可由描述。例如，如果能够产生2安培(A)电流的不断变化的磁场被施加到复合材料，则能够计算每个区域的热功率。在该示例中，假设除了区域R₂₅和R₃₅分别具有2欧姆和20欧姆的电阻以外，每个区域均具有10欧姆的电阻。相应地，区域R₂₅具有比标准区域更低的电阻(例如，异常高的纤维含量)，区域R₃₅具有比标准区域更高的电阻(例如，异常低的纤维含量、空隙、断裂)。基于上面的等式，除了第5列以外的其它每列中的区域可产生1.60瓦的热。然而，在第5列中，第1行、第4行和第5行中的区域可产生0.55瓦的热，而第2行和第3行中的区域可分别产生2.77瓦和0.28瓦的热。相应地，在第5列中，第3行中的区域可产生最少的热，第2行中的区域可产生最多的热，第1行、第4行和第5行中的区域介于它们之间。

由于与具有均匀或“正常”纤维密度的区域相比缺陷产生的热是不同的，因此已发现每个区域的温度可用于确定在纤维复合材料中是否存在缺陷。在至少一个实施例中，图2中的系统20可用于检测部件10的不同区域中的温度差并由此识别具有潜在缺陷的区域。系统20可包括被配置为测量部件10的温度的一个或更多个非接触式温度传感器32。传感器32可具有一定的感测区域或光斑尺寸(spot size)，例如，从1mm到50mm，或其中的任意子范围，诸如5至25mm或5至15mm。感测区域可取决于传感器与所述部件的距离(例如，工作距离)。例如，光斑尺寸可随着工作距离的增大而减小。光斑尺寸可对应于一个区域的尺寸。

因此，为了分析纤维复合材料部件10，可通过在部件10附近的磁场源22产生不断变化的磁场28。磁场28可强大到足以在部件10的纤维14内感应出电流。在施加磁场28时，一个或更多个非接触式温度传感器32可测量部件10的温度。在一个实施例中，温度传感器32可以是红外温度传感器。可存在多个传感器32，使得每个传感器测量所述部件的一个区域(例如，光斑尺寸)。可选地，一个或更多个非接触式温度传感器32可以移动，使得它们测量部件10的多个区域(例如，多个光斑尺寸)的温度。一个或更多个非接触式温度传感器32可安装到轨道或导轨并可沿着轨道/导轨移动以测量整个部件。可选地，一个或更多个非接触式温度传感器32可安装到一个或更多个机器人臂并且所述机器人臂可沿着编程路径移动以测量整个部件。虽然温度传感器32在图2中被示出为在部件10与磁场源22的相同侧，但是温度传感器32可以在相对侧(或以任何其它可行的构造)。一个或更多个非接触式温度传感器32可产生示出每个区域30的温度的部件的温度映射(temperaturemap)34。在一个实施例中，一个或更多个非接触式温度传感器32可连接到一个或更多个计算机，所述计算机可分析来自温度传感器32的数据并产生温度映射34。

参照图5，示出了温度映射34的示例。与上面的示例类似，温度映射34包括成10x5个网格的50个区域30。每个区域30示出从非接触式温度传感器读取的温度。在该示例中，温度传感器是来自Omega公司的固定红外温度发射器，其具有5mm(工作距离为200mm)至15mm(工作距离为100mm)的光斑尺寸。3安培(A)的电源被连接到复合材料的端部并被用于模拟由变化的磁场所产生的电流。制作一个75mm x 150mm的碳纤维复合材料试样(coupon)以对本技术进行验证。所述传感器安装在具有100mm的工作距离的机器人臂上。机器人被配置为以15mm/s的速度沿着试样移动。测量第一行，随后所述传感器移动到第二行，以此类推直到整个复合材料都被测量为止。行间距和列间距为15mm。总扫描时间约为50秒。来自温度传感器的数据被发送给计算机，该计算机产生图5中的温度映射。

区域R₂₂(第2行，第2列)被有目的地制成为具有较低的碳纤维含量(20％)，并且区域R₃₈(第3行，第8列)被有目的地制成为具有较高的碳纤维含量(60％)(质量分数)，同时其它区域被制成为具有40％的碳纤维含量。因此，R₂₂比其它区域具有较高的电阻并且R₃₈比其它区域具有较低的电阻。如图5中的温度映射34所示，第1列、第3至7列和第9至10列(未改变的列)中的区域全部具有35℃的温度，除了两个区域为34℃之外。在第2列中，R₂₂相比于第2列中的其它区域的温度(46至47℃)具有明显较低的温度(29℃)，而第2列中的其它区域反过来处于比未改变的列中的区域的温度(～35℃)更高的温度。在第8列中，R₃₈相比于第8列中的其它区域的温度(32℃)具有明显较高的温度(39℃)，而第8列中的其它区域反过来处于比未改变的列中的区域的温度(～35℃)更低的温度。

因此，该试样数据证实能够利用非接触式温度传感器以非破坏性的方式检测出缺陷(诸如纤维含量的改变)。所述数据与上面描述的数学近似紧密对应。除非破坏性和非接触式之外，本技术还满足上面公开的条件中的大多数(如果不是全部)。本技术易于操作并且不需要极度的安全警惕性。本技术能够适于非技术人员操作并能够被自动化(例如，利用机器人)。它能够容忍包括灰尘、噪音、振动等的车辆生产环境，这是由于它是非接触式的并且依赖于温度读数。本技术相对快速并具有匹配制造生产循环时间的潜力。用于所述系统的设备相对廉价并且能够以成本效益好的方式实施。

图5中针对温度映射34所产生的数据是示例并且其中的温度和试验参数不意在具有限制性。待测试的部件可具有任意尺寸和/或形状。所述部件可以是诸如行李箱或后备箱盖、车门板或其它部件的车辆部件。在分析期间，所述部件可附连或以其它方式连接到车辆的其它部件。例如，系统20可并入到装配工艺中，使得部分装配或完全装配的车辆的部件可被测试。可具有单个非接触式温度传感器或多个传感器。传感器的数量可取决于被分析的部件的尺寸和/或期望的总扫描时间。所述部件可相对平坦或可具有复杂的几何形状。温度传感器可附连到机器人臂，该机器人臂被配置为与所述部件的表面保持一定的工作距离。

在一个实施例中，温度传感器和磁场源可(直接地或间接地)连接到计算机或计算机网络。计算机可控制或可被配置为产生不断变化的磁场并从温度传感器接收温度数据。计算机还可被配置为分析所述数据并生成温度映射(诸如图5所示的温度映射)。计算机可被配置为识别比平均温度或预定目标温度高或低特定公差或阈值的区域。例如，计算机可被配置为检测和/或识别比平均温度或预定目标温度低或高至少3℃的区域。所述公差或阈值可根据期望的复合材料的均匀性、磁场强度或其它因素而改变。在一个实施例中，所述阈值可为至少2℃、3℃、4℃或5℃。计算机还可被配置为如果一个或更多个区域高于/低于目标温度，则产生警告或警报。例如，可触发音频和/或视觉警报和/或可使生产线停止。与温度公差类似，触发警报/警告所需的识别出的不合格区域的数量可取决于期望的复合材料的均匀性或其它因素。

除使用上面公开的技术和系统之外或代替使用上面公开的技术和系统，可使用表面电阻率或电阻来分析纤维复合材料部件的缺陷。表面电阻可被定义为与表面接触的两个电极之间的电压与流动的电流的比值。表面电阻率可被定义为每单位长度的电压降与每单位宽度的电流的比值。表面电阻/电阻率仪表可以包括具有两个电极的探针。所述仪表可向电极提供恒定的电压并测量在电极之间流动的电流。基于电极的构造，仪表随后可计算表面电阻和表面电阻率两者。可使用不同的电极构造。在一个示例中，所述电极可以是同心环。在另一示例中，可存在多于两个的电极，诸如四个电极。

如上所述，缺陷可影响纤维复合材料的电阻。因此，表面电阻/表面电阻率仪表和探针可能能够检测所述复合材料中不同区域的电阻的差异。与磁感应技术类似，所述部件可被划分为多个区域并且可利用电阻仪表来测试每个区域的表面。具有均匀的或“正常的”纤维载荷的区域的电阻值应当相对一致，而具有缺陷的区域可取决于缺陷类型而具有较高或较低的电阻。

相比于纤维复合材料部件的主体(bulk)，纤维复合材料部件的表面可相对富含树脂。相应地，在一些情况下，表面电阻测量工具可能难以在包括缺陷的区域与不包括缺陷的区域之间进行区分。在一个实施例中，所述工具的探针可包括被构造为刺穿所述复合材料的表面的突起以在低于该表面的深度分析所述复合材料。该测量可允许所述工具对更靠近主体并有可能具有较高纤维含量的部件区域进行分析。所述突起可以非常小，使得产生的孔或开口在移除探针时不可见或几乎不可见。

在一个实施例中，可独立地使用表面电阻/表面电阻率技术来确定部件中的潜在缺陷。在另一实施例中，表面电阻/表面电阻率技术可与上面描述的温度感测技术结合使用。例如，温度感测技术可应用于沿装配线移动的一些部件或全部部件。与图2中的系统类似的系统可被实施并被自动化以测试所述部件。如果部件由所述系统进行分析并且一个或更多个区域被检测到具有高于/低于阈值的温度，则可将所述部件标识为需要额外的测试。随后可利用表面电阻/表面电阻率技术来测试所述部件，以确认来自磁感应系统的发现或对来自磁感应系统的发现进行二次检查。例如，可仅分析之前的系统识别出的区域或者可测试整个部件。类似地，表面电阻/表面电阻率技术可用于校准或测试磁感应系统，反之亦然。当然，还能实施上述方法的逆向方法，其中，首先利用表面电阻/表面电阻率技术测试部件，随后可通过磁感应系统对该分析进行确认或二次检查。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (11)

1.一种用于纤维复合材料部件的质量控制系统，包括：

线圈，接近所述部件；

电源，连接到所述线圈；

控制器，连接到所述电源并被配置为持续地改变流经所述线圈的电流以产生不断变化的磁场；和

温度传感器，被配置为检测所述部件的多个区域的温度。

2.如权利要求1所述的质量控制系统，其中，所述电源是交流(AC)电源。

3.如权利要求1所述的质量控制系统，其中，所述电源是直流(DC)电源。

4.如权利要求1所述的质量控制系统，其中，所述温度传感器是相对于所述部件的非接触式温度传感器。

5.如权利要求4所述的质量控制系统，其中，所述非接触式温度传感器被安装到机器人臂并被配置为扫描所述部件的表面。

6.如权利要求1所述的质量控制系统，还包括处理器，所述处理器被配置为从所述温度传感器接收温度数据，并被配置为形成所述部件的所述多个区域的温度映射。

7.如权利要求6所述的质量控制系统，其中，所述处理器还被配置为：如果所述多个区域中的至少一个具有高于阈值或低于阈值的温度，则产生警告。

8.一种方法，包括：

在碳纤维复合材料附近产生不断变化的磁场，从而在碳纤维复合材料中感应出电流；和

测量碳纤维复合材料的多个不同区域的温度，以确定是否存在缺陷。

9.如权利要求8所述的方法，其中，通过持续改变流经线圈的电流而产生不断变化的磁场。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述电流由AC电源提供。

11.一种方法，包括：

持续改变流经线圈的电流以在碳纤维复合材料附近产生不断变化的磁场，从而在碳纤维复合材料中感应出电流；和

测量碳纤维复合材料的多个不同区域的温度，以确定是否存在缺陷。