Trockene Ultraschallprüfung zum Rissnachweis an Lap Joints von Flugzeugkomponenten Erste Erfahrungen zur Anwendung geführter SH-Wellen und EMUS-Prüfköpfen an GLARE -Komponenten 1. Einleitung Gerhard Hübschen, IZFP, Saarbrücken Hans-Jürgen Salzburger, IZFP, Saarbrücken Theodor Meier, AIRBUS, Bremen Wolfgang Bisle, AIRBUS, Bremen Kontakt: Dr. Gerhard Hübschen Für die zerstörungsfreie Prüfung von Flugzeugkomponenten im Bereich von Nietverbindungen ist die Wirbelstrom- und Ultraschallprüftechnik seit langem eingeführt. Die Außenhaut bisheriger Flugzeuggenerationen besteht größtenteils aus monolithischen Aluminiumblechen. Für die neue Generation von Großraumflugzeugen wie die A 380 werden von AIRBUS vermehrt mehrlagige Aluminiumstrukturen mit Glasfaser-Epoxidharz- Zwischenschichten (Werkstoffbezeichnung: GLARE ) eingesetzt. Die konventionelle Ultraschallprüftechnik, die üblicherweise zur Verifikation von Wirbelstromanzeigen eingesetzt wird, ist durch die Vielzahl der Grenzflächen zwischen den einzelnen Lagen gegenüber dem homogenen Aluminiumblech durch Schallschwächung, Interferenzen und Verzerrungen stark gestört und hier nicht einsetzbar. Für die Rissprüfung an überlappenden Niet-Verbindungsbereichen der Außenhaut von Flugzeugen wurde erstmalig die Einsatzmöglichkeit der trockenen Ultraschallprüfung mit geführten horizontal polarisierten US-Wellen (SH-Plattenwellen) untersucht. Neben Komponenten aus homogenen Aluminiumplatten lag der Schwerpunkt der Untersuchungen bei mehrlagigen Aluminiumstrukturen. Ein für diese Prüfaufgabe ausgelegtes kompaktes EMUS- Handprüfgerät wird vorgestellt. 2. GLARE Bevor auf die neue Prüftechnik und die ersten Ergebnisse näher eingegangen wird, hier einige Bemerkungen zu dem Werkstoff GLARE [1,2]. Die Abkürzung GLARE bedeutet Glass-Fibre Reinforced Aluminium. Wozu wird GLARE im Flugzeugbau eingesetzt? Folgende Gründe sind anzuführen: Gewichtsersparnis Betriebsfestigkeitsverhalten besser als bei Aluminium Glasfaserkomponente als zweiter Lastpfad Hohe Schadenstoleranz Reduzierter Reparatur- und Inspektionsaufwand Hohe Feuerfestigkeit In der Abb. 1 sind der prinzipielle Aufbau und die unterschiedlichen Sorten von GLARE zusammengestellt.
Abb. 1: GLARE Sorten Die einzelnen Sorten unterscheiden sich in der Ausrichtung der Glasfasern bzgl. der Aluminium Walzrichtung und der Anzahl der Glasfaserlagen in den Zwischenschichten. Die Prepreg-Dicken liegen zwischen 0,25 und 0,375 mm. Im AIRBUS A 380 sind große Teile der Rumpfaußenhaut aus GLARE Komponenten gefertigt. 3. EMUS-Prüfsystem Für den Einsatz an Flugzeugkomponenten aus monolithischen Aluminiumblechen und mehrlagigen Aluminium/Glasfaserstrukturen (GLARE ) ist folgendes EMUS-Prüfsystem entstanden, das geführte SH-Wellen mittels elektromagnetischer Ultraschallprüfköpfe [3] nutzt (Abb. 2). Das transportable System besteht aus einer zweikanaligen Sende/Empfangselektronik mit integriertem Rechner und Bildschirm. Die Bediensoftware wird zur Geräteparametrisierung und zur Datenerfassung und -Darstellung genutzt. Das Gerät erlaubt die Darstellung des A- Scans als HF- wie auch als Video-Signal und die Aufnahme von Amplitudenortskurven von Echo-Signalen innerhalb parametrisierbarer Zeitbereiche des A-Scans. In der rechten Hälfte der Abb. 2 ist ein EMUS-Prüfkopf für SH-Wellen mit integriertem Vorverstärker zu sehen.
Abb. 2: EMUS-Prüfsystem mit EMUS-Prüfkopf und GLARE -Komponente 4. Ergebnisse an GLARE -Komponenten 4.1 DURCHSCHALLUNGSMESSUNGEN MIT GEFÜHRTEN SH-WELLEN Das vorrangige Ziel ist die Erfassung aller Lagen des mehrlagigen Laminates von der jeweils zugänglichen Seite/Oberfläche aus und der Nachweis von rissartigen Fehlern, unabhängig, in welcher Lage sie auftreten. Das Potenzial für diese Prüfaufgabe ergibt sich aus der Fähigkeit von geführten Wellen in plattenförmigen Komponenten den gesamten Bauteilquerschnitt mit Schallenergie auszufüllen. Daher wurde in ersten grundlegende Messungen das Ausbreitungs-verhalten von SH-Wellen in GLARE -Teilen untersucht. Mit Hilfe getrennter Sende- Empfangs-Wandler wurden Durchschallungs-Signalamplituden als Funktion der Entfernung zwischen Sender und Empfänger sowohl in monolithischem Aluminium als auch in GLARE aufgezeichnet. Die Wanddicke betrug jeweils 4 mm. In Abb. 3 sind die Ergebnisse für die SH-Moden SS0 und AS1 bei Frequenzen von 552 khz und 675 khz wiedergegeben. In GLARE ergibt sich eine ähnliche Entfernungsabhängigkeit der Empfangsamplitude wie in monolithischen Aluminium außer einer höheren Schwächung und etwas größeren Amplitudenschwankungen. Bei niedrigeren Arbeitsfrequenzen der SH-Moden SS0 und AS1 werden die Schwächungsunterschiede geringer (Abb. 4). Diese Ergebnisse mit einem relativ glatten Verlauf der gemessenen Durchschallungs-Signalamplituden deuten darauf hin, dass auch in GLARE eine geführte SH-Welle angeregt wird.
Abb. 3: Durchschallungsmessung an monolithischem Aluminium und GLARE, Frequenzen: 552 khz, 675 khz, SH- Moden: SS0, AS1
Abb. 4: Durchschallungsmessung an monolithischem Aluminium und GLARE, Frequenzen: 475 khz, 568 khz, SH- Moden: SS0, AS1 Um zu überprüfen, ob es sich bei der Ausbreitung einer SH-Welle in GLARE tatsächlich um eine geführte Welle handelt, wurden zusätzliche Messungen durchgeführt, wobei der Sender an der Oberseite und der Empfänger an der Unterseite angeordnet war.
Abb. 5: Durchschallungsmessung an GLARE, Frequenz: 552 khz, SH-Mode SS0
Abb. 6: Durchschallungsmessung an GLARE, Frequenz: 475 khz, SH-Mode SS0 Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die Ergebnisse für den SH-Mode SS0 bei Frequenzen von 552 khz und 475 khz. Im Mittel ergeben sich ähnliche Schalldruckverteilungen an der Oberund Unterseite der GLARE Platte. Es handelt sich also eindeutig um die Ausbreitung einer geführten Welle 4.2 NACHWEIS VON RISSARTIGEN REFLEKTOREN Die an verschiedenen Testkörpern durchgeführten Untersuchungen zum Fehlernachweis zeigten, dass die geführten SH-Plattenwellen die gewünschte Erfassung nicht zugänglicher Bereiche sowie aller Lagen des Laminates ermöglichen. Exemplarisch zeigen Abb. 7 und 8 die sehr positiven Resultate erster Untersuchungen und Anwendungen. An einem Testkörper aus dem Werkstoff GLARE (Wanddicke: 4mm, 5 Lagen Al, Lagendicke: 0,4 mm) mit einer von einer Nietbohrung ausgehenden Nut (Länge: 6 mm) in der oberen Lage des unteren Laminates wurde ein klares Echo dieses Ersatzfehlers bei Anregung der Welle nahe dem Überlappstoß erzielt. Die Restanzeigen der Niet liegen etwa 10 db unter der Nutanzeige (Abb. 7)
Abb. 7: Nachweis eines rissartigen Fehlers in GLARE in der unteren Lage des oberen Bleches im Bereich einer Längsnaht Nietverbindung Die konventionelle Ultraschall-Prüftechnik ist wegen der Vielzahl der Grenzflächen zwischen den einzelnen Lagen durch Schallschwächung, Interferenzen und Verzerrungen stark gestört und für diese Prüfsituation nicht einsetzbar. Abb. 8 belegt die Fähigkeit der geführten Welle zur Erfassung aller Lagen des Laminates. Eine ebenfalls von der Nietbohrung ausgehende Nut (Länge: 4 mm) in der unteren Schicht des 5-lagigen GLARE Laminates wird ebenso klar angezeigt wie in dem zuvor gezeigten Beispiel, obwohl der Prüfkopf auf der oberen Lage positioniert ist. Die gezeigten Ergebnisse wurden mit dem in Abb. 2 dargestellten für Handprüfungen ausgelegten EMUS-Prüfgerät erzielt.
Abb. 8: Nachweis eines rissartigen Fehlers in GLARE in der oberen Lage des unteren Bleches im Bereich einer Längsnaht Nietverbindung 5. Zusammenfassung und Ausblick Die vorgestellten Ergebnisse belegen das hohe Potenzial der SH-Wellen für die Ultraschallprüfung an GLARE -Komponenten. Im Gegensatz zu Standard-Ultraschalltechniken ist ein empfindlicher Rissnachweis, die Prüfung nicht zugänglicher Bereiche und eine großflächig abscannende Prüfung möglich. Darüber hinaus erfolgt die Prüfung trocken ohne Koppelmittel. Prüfköpfe und Gerätetechnik sind für manuelle und automatisierte Prüfung verfügbar. 1. Erste begleitende Grundlagen-Untersuchungen bestätigen ein ähnliches Verhalten der SH-Welle in GLARE wie in monolithischem Aluminium. Im Rahmen zukünftiger Arbeiten werden die Grundlagen der Ausbreitung in unterschiedlichen GLARE -Sorten systematisch untersucht und EMUS-Prüfköpfe für spezielle Prüfaufgaben optimiert und weiterentwickelt. 6. Literatur 2. A. Vlot, Gare: History of the Development of a New Aircraft Material, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Technology, Delft, Kluwer Academic Publishers 2001
3. C. Vermeeren, Around Glare: A New Aircraft Material in Context, Delft University of Technology, Faculty of Aerospace Technology, Delft, Kluwer Academic Publishers 2002 4. H.J. Salzburger, Guided Shear Horizontal (SH-) Waves-Examples of the Practical use of their Benefits for New NDE-Applications, Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 18