Infrared Thermography as a Potential Inspection Method for the CF-188 Inner Wing Stepped-Lap Joint

Abstract

The CF-188 Inner Wing Stepped-Lap Joint (IWSLJ) is a titanium (Ti-6Al-4V) and Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) bonded joint that serves as the principle structural member, transferring loads between the fuselage and wing. Research over the last two decades by allied nations has highlighted the IWSLJ’s vulnerability to disbond areas. This vulnerability can be linked to prolonged exposure to high temperatures, moisture ingress, and fatigue. Of specific concern is a special type of disbond area called a “kissing bond” which is generally caused by surface contamination during the manufacturing process rather than in-service exposure factors. A kissing bond is difficult to detect by conventional methods such as ultrasonic testing. Large disbond areas under operational loads have the potential to initiate a wing-fuselage structural failure and separation, with the consequent loss of a wing. Presently a Quality Engineering and Test Establishment (QETE) ultrasonic Non-Destructive Testing (NDT) technique, serves as the latest IWSLJ inspection method, and has proven to be highly successful in detecting disbond areas. However, since infrared thermography has emerged as a relatively rapid and inexpensive means of inspecting for disbond and delaminated areas, it may be the ideal method for this situation. Hence, this thesis presents an experimental investigation to evaluate both flash and induction thermography as potential means to rapidly inspect the IWSLP for disbond areas. The results are compared to those of the current ultrasonic inspection technique for the IWSLJ by QETE. The following four studies were conducted: Study 1, A parametric study to determine the optimal parameters for induction thermography; Study 2, the detection and dimensioning of artificial disbond areas; Study 3, the detection depth of each methods; and Study 4, the sensitivity of detection. It was determined that flash thermography had a greater rate of detection and defect detail in comparison to induction thermography. Although induction thermography was not able to detect the artificial kissing bonds, it was the fastest method of inspection. Furthermore, induction thermography provided higher accuracy in terms of defect dimensions, and both thermography methods were only able to penetrate to the fourth step of the nine step IWSLJ. Ultimately, ultrasonic testing remained the superior inspection method by out-performing thermography in terms of detection and dimensioning for the studies perform in this thesis. However, ultrasonic testing had a longer setup and scan time. Also, very few people nationwide are authorized to carry out the technique. Although thermography is not ideal for this application, it could still be a complementary inspection method.

Le CF-188 joint à recouvrement étagé de l'aile intérieure est un joint collé en titane (Ti-6Al-4V) et de polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) qui sert de principal élément structurel, transférant les charges entre le fuselage et l'aile. Les recherches menées au cours des deux dernières décennies par les nations alliées ont mis en évidence la vulnérabilité du joint à recouvrement étagé de l'aile intérieure aux zones de dislocation. Cette vulnérabilité peut être liée à une exposition prolongée à des températures élevées, à la pénétration d'humidité et à la fatigue. Une préoccupation particulière est un type spécial de zone de décollement appelée « liaison de baiser » qui est généralement causée par une contamination de surface pendant le processus de fabrication plutôt que par des facteurs d'exposition en service. Un lien de baiser est difficile à détecter par des méthodes conventionnelles telles que les tests par ultrasons. De grandes zones de décollement sous des charges opérationnelles ont le potentiel d'initier une défaillance structurelle et une séparation aile-fuselage, avec la perte conséquente d'une aile. Actuellement, une technique d'essais non destructifs par ultrasons d'un établissement d'ingénierie et d'essais de qualité sert de dernière méthode d'inspection du joint à recouvrement étagé de l'aile intérieure et s'est avérée très efficace pour détecter les zones de décollement. Cependant, étant donné que la thermographie infrarouge est devenue un moyen relativement rapide et peu coûteux d'inspecter les zones décollées et décollées, elle peut être la méthode idéale pour cette situation. Par conséquent, cette thèse présente une enquête expérimentale pour évaluer à la fois la thermographie flash et par induction comme moyen potentiel d'inspecter rapidement l'IWSLP pour les zones de décollement. Les résultats sont comparés à ceux de la technique actuelle d'inspection par ultrasons pour la joint à recouvrement étagé de l'aile intérieure. Les quatre études suivantes ont été menées: Etude 1, Une étude paramétrique pour déterminer les paramètres optimaux pour la thermographie par induction; Etude 2, la détection et le dimensionnement des zones artificielles de décollement; Etude 3, la profondeur de détection de chaque méthode; et l'étude 4, la sensibilité de détection. Il a été déterminé que la thermographie flash avait un taux de détection et de détail des défauts supérieur à celui de la thermographie à induction. Bien que la thermographie par induction n'ait pas été en mesure de détecter les liens de baiser artificiels, c'était la méthode d'inspection la plus rapide. De plus, la thermographie par induction a fourni une plus grande précision en termes de dimensions des défauts, et les deux méthodes de thermographie n'ont pu pénétrer que jusqu'à la quatrième étape des neuf étapes du joint à recouvrement étagé de l'aile intérieure. En fin de compte, le contrôle par ultrasons est resté la méthode d'inspection supérieure en surpassant la thermographie en termes de détection et de dimensionnement pour les études menées dans cette thèse. Cependant, les tests par ultrasons avaient une configuration et un temps de balayage plus longs. De plus, très peu de personnes dans tout le pays sont autorisées à pratiquer la technique. Bien que la thermographie ne soit pas idéale pour cette application, elle pourrait tout de même être une méthode d'inspection complémentaire.