JP2019531484A - 接合されたアセンブリの超音波による非破壊検査方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、接合されたアセンブリ（１）の超音波による非破壊検査方法に関する。本方法は、接合されたアセンブリ（１）上の決定された位置に配列された超音波トランスデューサ（９）によって、接合されたアセンブリ（１）の接着ジョイント（７）の厚さを測定することと、前記決定された位置に維持された同じ超音波トランスデューサ（９）によって、接合されたアセンブリ（１）の部品の接着度を測定することとからなる、２つのステップを備え、接着度は、ＺＧＶラム波（１３）によって測定される。

Description

本発明は、異方性多層複合型媒体の非破壊検査（ＮＤＩ）方法に関し、特に、機械的力に耐えることを目的とした接合されたアセンブリの接着接合されたジョイントの接着度を検査する定量的方法に関する。

複合材料は、航空分野で従来から使用されている金属材料に関して多くの利点を有する。これらの複合材料の利点の中でも、それらの大きい剛性／質量比、それらの疲労および腐食に対する良好な耐性、ならびに使用中にそれらに加えられる特定の負荷に対するそれらの機械的性質の良好な適合性が挙げられることができる。

したがって、複合材料の使用は、結果として構造物の重量を減らすことを可能にする。例えば、民間航空では、複合材料の使用は、同じまたはさらに高い構造的剛性について部品の質量の２０％の削減ができる。これは、航空機の総質量の６％と推定される節約を引き起こし、高い燃料節約をもたらす。

しかしながら、複合材料は、その固有の特性のために、ボルト締めまたはリベット締めを容易にはサポートせず、溶接されることができない。したがって、それらは、接着接合によって組み立てられなければならない。密着されたアセンブリの機械的挙動が定量化されることができるような診断を用いて、安全基準を満たすためにこれらの構造を規則的且つ確実に検査することが可能でなければならない。これに関連して、接着接合によって組み立てられた構造物の状態を迅速に評価することに困難がある；いくつかの要素は、内部構造にアクセスするために部分的に分解されなければならず、それゆえに、検査される航空機を作業場に固定することが必要になる。多くの非破壊評価方法があるが、最も簡単なものは疑いなく目視検査であり、既存の従来の方法は、接合されたアセンブリの機械的強度の実際の定量化を可能にしない。

接着結合の質を定量的に検査する適切な方法がないと、これらの組み立てられた構造物の接着度を測定すること、そうしてその質および信頼性を検査し、証明し、保証することは困難である（不可能でさえもある）。これは、アセンブリ手段としての接合技術の一般化、したがって航空産業における複合材料製の構造部品の使用の一般化を妨げる。

この欠点を克服するために、超音波を用いたＮＤＴ技術が、例えば、Ｃｈｏ Ｈ．らの“Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｂｏｎｄ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｌａｙｅｒｅｄ Ｍｅｄｉａ ｕｓｉｎｇ Ｚｅｒｏ−Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｌａｍｂ Ｗａｖｅｓ”、またはＧｅｓｌａｉｎ Ａ．らの“Ｓｐａｔｉａｌ Ｌａｐｌａｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ”の文献のように数年間研究されてきた。これらの機械的波は、機械的強度（または接合度）を検査するのに最良である。近年、研究は、特に１つのカテゴリの超音波、すなわちゼロ群速度ラム波（ＺＧＶラム波）に焦点があてられている。

有限の厚さを伴う媒体（例えば、真空中のプレートの場合）では、プレートの厚さが表面波の波長

と比較して大きいならば、２つの表面波が各自由界面上で相互作用なしに伝播することができる。プレートの厚さが

と同程度の大きさである場合、プレートの固体／真空界面での異なる部分波の結合から生じる他の波が現れる。これらのプレート波、ラム波は、分散性であり、それらは、構造物の厚さ全体にわたって運動場を作り出すという特別な性質を有する。

漏洩ラム波という用語は、それらが発生した場所から構造物内を伝播するラム波の特定の場合を指す；これは、音響エネルギが音響発生の位置の下方に閉じ込められたままであるゼロ群速度（ＺＧＶ）ラム波とは似ていない。

従来のおよびそれ自体知られている方法で、ラム波の伝播の研究は、周波数−厚さ積に応じて、位相速度プロファイルによって表すことができる分散曲線の計算を要求する。

こうして、試験媒体中を伝播する漏洩ラム波を用いて、プレートおよび接着接合されたチューブアセンブリの非破壊検査を行うことができる。それ自体知られている方法では、与えられた材料に対して、ＺＧＶラム波の共鳴のセットがあり、その検出は、ポアソン比の絶対的および局所的な測定値を提供する。これらの非伝播モードはまた、多層構造を特徴付けるためにも使用されることができる。

Ｃｈｏ Ｈ．ら："Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ Ｂｏｎｄ Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｌａｙｅｒｅｄ Ｍｅｄｉａ ｕｓｉｎｇ Ｚｅｒｏ−Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｌａｍｂ Ｗａｖｅｓ" Ｇｅｓｌａｉｎ Ａ．ら："Ｓｐａｔｉａｌ Ｌａｐｌａｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ"

本出願は、特に漏洩ラム波またはＺＧＶラム波を使用した、接着接合の定量的非破壊検査のための新たな方法を提案する。

したがって、本発明の目的は、超音波によって接着接合されたアセンブリを検査するための非破壊的方法であって、
−接着接合されたアセンブリ上の決定された位置に配置された超音波トランスデューサを使用して、接合されたアセンブリの接合されたジョイントの厚さを測定することと、
−前記決定された位置に保持された同じ超音波トランスデューサを使用して、接合されたアセンブリの部品の接着度を測定することであって、接着度がＺＧＶラム波によって測定されることと、からなるステップを備え、
トランスデューサの少なくとも１つの放射素子が、接着接合されたジョイントにおいてＺＧＶラム波を放射するために使用され、周期的空間コームを作り出すように空間的に置かれ、そのうちの少なくとも１つの放射素子が各取得中に位置を変化させ、トランスデューサの少なくとも１つの他の素子が、放射されたＺＧＶラム波を取得するために使用されることを特徴とする、非破壊的方法である。

こうして、この方法は、単一のトランスデューサが、接合されたアセンブリ内の接着接合されたジョイントの厚さを測定し、その機械的強度（接着度）を定量化することを可能にすることができる。これら２つのパラメータは、接合されたアセンブリの優れた設計を保証するために不可欠である。これを達成するために、この方法は、トランスデューサの革新的な使用法を提案する；ＺＧＶラム波による接合されたアセンブリの機械的強度（接着度）は、接合されたアセンブリにおいて考慮される厚さ、特に接着接合されたジョイントの厚さが既知であるならば、特徴付けることができる。しかしながら、この方法の第１のステップは、この厚さを正確に測定することからなる。したがって、このようにトランスデューサを使用することは、実験デバイスに触れることなく２回連続して測定を行うことを可能にする。そして、検査は、工業環境において迅速且つ容易に遂行されることができる。

本発明による方法は、個別にまたは互いに組み合わせて使われる、以下の特徴のうちの１つ以上を備えることができる：
−本方法は、決定された位置で接合されたアセンブリ上に配置された超音波トランスデューサによって、接合された構造物の異なる層の厚さを測定することができる、
−超音波トランスデューサは、多素子トランスデューサである、
−反射における音響飛行時間を測定する方法を使用して、ジョイントの厚さが測定される、
−接着度のパラメータをモデル化するシミュレーションモデルとまたはアセンブリの厚さおよび機械的接合強度の定量化を考慮した分散曲線のモノグラムと比較することが意図された分散曲線を得るように、時空間的領域で取得が行われ、この比較は、接合されたアセンブリの機械的強度を定量化するために使用可能である、
−分散曲線は、Ｂｉ−ＦＦＴアプローチまたは特異値分解（ＳＶＤ）法を使用して検出波を反転することによって得られる、
−ＺＧＶラム波の超音波信号のＢスキャンタイプ画像を得るように、ＺＧＶラム波が特に時間領域で取得される、
−記録されたＢスキャンに関連するＺＧＶラム波の分散曲線は、Ｂスキャンの単純なＢＩ−ＦＦＦによってまたはいわゆる特異値分解（ＳＶＤ）アプローチによって得られる、
−こうして得られた分散曲線は、接着度のパラメータをモデル化することができるシミュレーションモデルと比較されることが意図されている、
−いくつかのスライディングコームが連続的に作り出されて、異なるＺＧＶモードを連続的に発生し、こうして測定された各接着度のパラメータが使用されて、実験上にシミュレーションを重ね合わせ、接着接合されたジョイントの接着度を、こうして測定する。

添付の図面を参照しながら、非限定的な例としてなされた以下の説明を読めば、本発明は最もよく理解され、本発明の他の特徴および利点は、より明確になるであろう。

図１は、反射における音響飛行時間を測定する方法を使用して実行される本発明による方法の第１のステップにおける手順を示す図である。 図２は、本発明による方法の第２のステップにおける手順を示す図である。 図３は、分散曲線を得て、考慮されたＺＧＶラム波モードを観察するために必要なスライディングコームを伴う取得の図である。

ここで図１を参照する。それは、説明された方法の第１のステップが使用される接着接合されたアセンブリ１のサンプルを示している。接着接合されたアセンブリ１は、接着ジョイント７によって一体に組み立てられた、第１の複合材料からなる第１の層３と、第２の複合材料からなることができるか、またはそうでなくてもよい第２の層５とからなるアセンブリである。

超音波デバイス９は、接着接合されたアセンブリ１のサンプルと接触して配置される。図示の例における超音波デバイス９は、接触して機能する多素子超音波１１トランスデューサ９である。トランスデューサ９の固有の特性（平坦なまたは可撓性の、素子１１の数、寸法、中心周波数など）は、関与する物理現象の発生／検出、特に放射される超音波信号１２の放射と取得を最適化するために、考慮される接合されたアセンブリ１に応じて異なることができる。方法全体は、接合されたアセンブリ１と接触している複数の素子１１を伴う単一のトランスデューサ９を使用することによって実行される。このトランスデューサ９は、方法全体（２つのステップ）に対して使用され、本方法の終了前には動かされない。

本方法の第１のステップは、超音波信号１２の放射および取得を使用して、接合されたアセンブリ１の接着接合されたジョイント７の厚さを測定する。この第１のステップは、飛行時間測定を伴う従来のパルス／エコー法を使用して実行される。

図１は、このステップを示している。それは、反射、ｔ１、ｔ２における音響飛行時間測定を行うことからなる。このアプローチは、ＣＯＳＡＣ ＵＴの手順において詳しく説明されている。それは、前進／後退音響経路に必要な時間ｔ１、ｔ２を測定することからなり、通過する材料３、５、７内の音速を知ると、トランスデューサ９の下の、材料３、５、７の厚さｅ１、ｅ２を定量化することは容易である。この方法は、複数の素子１１を伴うトランスデューサ９に適用可能である。

図２および図３は、本方法の第２のステップの動作を示している。この第２のステップは、ＺＧＶラム波１３を使用した接着力の測定である。ＺＧＶラム波１３は、構造物の超音波共鳴であり、励起源の下方に閉じ込められたままである。したがって、これらの波１３のエネルギは、ごくわずかにしか放散されず、これらの波１３は、長い寿命および材料との強い相互作用を有する。上述したように、これらの波１３は、接着接合されたアセンブリ１の異なる層の特徴的な厚さが既知であるならば、接着接合されたアセンブリ１の品質を調査することを可能にすることができることが実証された。したがって、接着接合されたジョイント７の厚さは、既知でなければならない。この厚さは、本方法の第１のステップのために既知である。

これらの波１３は、放射／検出するのが困難であり、今日まで、それらを検出する唯一の方法は、超音波レーザを使用することである。したがって、接合されたアセンブリ１内にＺＧＶラムモード１３を発生させるために、本方法は、本方法の第１のステップを実行するために使用されたのと同じ複数の素子１１を伴うトランスデューサ９を使用する。本方法の第２のステップは、接着接合されたジョイント７の厚さの測定が直後に実行され、トランスデューサ９は、本方法の２つのステップ間で影響されも動かされもしなかった。

トランスデューサ９の素子１１のいくつかは、放射素子１５として使用され、他の素子１１は、受信モードで使用される。

ＺＧＶラムモード１３の発生を最適化するために、放射モードで働くトランスデューサ９の素子１５は、図２および図３に示すように、それらが（接合されたアセンブリ１の異なる材料層３、５、７に平行な軸Ｚに沿って）空間的に周期的な励起を作り出すように空間的に置かれる。Ｚに沿ったこの空間的に周期的な励起は、「空間発生コーム」と呼ばれる。

コーム周期は、ＺＧＶラム波１３の所望のＺＧＶモードの波長に対応するように選択される。したがって、トランスデューサ９の放射素子１５は、トランスデューサ９の表面全体上に分布したコーム状の空間分布を有する。複数の素子１１を伴うトランスデューサ９の他の素子１１は、受信モードで動作し、時間的に分解された信号を記録する。

取得１７は、各素子１１について時間領域で行われ、超音波信号１９の伝播のＢスキャンモードで画像を得ることを可能にする。そして、放射素子１５によって放射されたＺＧＶラム波１３の分散曲線を得るために、逆空間（超音波波長および周波数）における数学的変換が行われる。変換は、数学的ＳＶＤ（特異値分解）アプローチを使用して行われることが好ましいが、Ｂｉ−ＦＦＴと呼ばれる単純な数学的アプローチを使用して行われることもできる。ＳＶＤアプローチを使用することによって反転を可能にするために、コームは、図５に示されるようにスライドしていなければならない、すなわち、放射素子１５は、各取得１７中に位置を変化させる。放射素子１５は、各放射／取得１７について斜線で示されている一方で、受信素子１１は、白色で示されている。

分散曲線は、Ｂｉ−ＦＦＴまたはＳＶＤの数学的アプローチを使用して、信号１３の逆変換を行うことによって、第１のステップ中と同じ方法で得られる。ＳＶＤアプローチを使用することによって反転を可能にするために、コームは、図３に示されるように、スライドしていなければならない、すなわち、放射素子１５は、各取得１７中に位置を変化させる。

そして、ＺＧＶラムモード１３の分散曲線は、界面剛性（接着度）がモデル化されているシミュレーションモデルと比較して解釈される。いくつかの異なるコームが連続的に作り出されて、異なるＺＧＶモードを連続的に発生させることができる。

界面剛性パラメータが使用されて、実験上にシミュレーションを重ね合わせ、作られた接合部の品質の、ならびに、したがって接着接合されたジョイント７の、およびしたがって接合されたアセンブリ１の信頼性の、シグネチャを含むこれらの接着度を、こうして測定する。

Claims (6)

1. 超音波によって接着接合されたアセンブリ（１）を検査するための非破壊的方法であって、
   −接合されたアセンブリ（１）上の決定された位置に配置された超音波トランスデューサ（９）を使用して、接着接合されたアセンブリ（１）の接合されたジョイント（７）の厚さを測定することと、
   −前記決定された位置に保持された同じ超音波トランスデューサ（９）を使用して、接合されたアセンブリ（１）の部品の接着度を測定することであって、接着度がＺＧＶラム波（１３）によって測定される、ことと、
   からなるステップを備え、
   トランスデューサ（９）の少なくとも１つの放射素子（１５）が、接着接合されたジョイント（７）においてＺＧＶラム波（１３）を放射するために使用され、周期的空間コームを作り出すように空間的に置かれ、そのうちの少なくとも１つの放射素子（１５）が各取得（１７）中に位置を変化させ、トランスデューサ（９）の少なくとも１つの他の素子（１１）が、放射されたＺＧＶラム波（１３）を取得（１７）するために使用されることを特徴とする、方法。
2. 超音波トランスデューサ（９）が多素子トランスデューサ（１１）である、請求項１に記載の方法。
3. 接着ジョイント（７）の厚さが、反射における音響飛行時間を測定する方法を使用して測定される、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
4. 取得（１７）が、接着度のパラメータをモデル化するシミュレーションモデルとまたは分散曲線のモノグラムと比較されることが意図された分散曲線を得るように、時空間領域で行われる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 分散曲線が、Ｂｉ−ＦＦＴアプローチまたは特異値分解（ＳＶＤ）法にしたがって検出波（１９、１３）を反転することによって得られる、請求項４に記載の方法。
6. いくつかのスライディングコームが連続的に作り出されて、異なるＺＧＶモードを連続的に発生し、こうして測定された各接着度のパラメータが使用されて、実験上にシミュレーションを重ね合わせ、接着接合されたジョイント（７）の接着度をこうして測定する、請求項５に記載の方法。

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