Development of electromagnetic-based approaches for non-destructive evaluation and health monitoring of aerospace structural joints

Abstract

The increasing use of lightweight materials such as aluminium alloys and carbon fibre reinforced polymers (CFRP) in the aerospace industry has created a need for advanced, reliable non-destructive evaluation (NDE) and structural health monitoring (SHM) techniques. These materials are widely used in critical structural applications, where their performance, durability, and integrity directly impact safety. Consequently, the ability to monitor and assess the quality of aerospace joints, both during the manufacturing process and throughout their service life, is essential. This research focuses on the development of electromagnetic-based approaches for monitoring aerospace structural joints, specifically friction stir welded (FSW) aluminium alloys and thermoplastic welded CFRP laminates. The thesis is divided into two main applications, each representing a distinct case where an electromagnetic-based approach was developed and optimized for a specific type of joint. The first application addresses the real-time process monitoring of FSW aluminium joints (CASE I). Through a series of parametric studies and numerical simulations, the optimal design for an Eddy Current Testing (ECT) probe was identified, aimed at detecting subsurface defects, such as wormholes. Experimental results demonstrated the probe’s ability to accurately detect these defects, particularly on the lower surface of the joint, while establishing significant correlations between electrical conductivity, microhardness, and mechanical properties such as ultimate tensile strength (UTS). This highlights the potential of ECT as an effective method for real-time process monitoring in the manufacturing of aerospace joints. The second application focuses on the structural health monitoring of thermoplastic induction welded CFRP laminates (CASE II). In this context, two electromagnetic sensors were developed: the PM (Purely Magnetic) sensor, based on a purely magnetic approach, and the H (Hybrid) sensor, which integrates both magnetic and electric field measurements. While the PM sensor showed limitations in detecting dielectric variations within the weld, the H sensor exhibited superior sensitivity, particularly in capturing changes related to dielectric permittivity, making it highly effective for defect detection and localization in CFRP laminates. This work contributes to the advancement of electromagnetic NDE and SHM methods, with findings that pave the way for future integration of these techniques in real-time monitoring systems.

El creciente uso de materiales ligeros como las aleaciones de aluminio y los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) en la industria aeroespacial ha generado la necesidad de desarrollar técnicas avanzadas y fiables de evaluación no destructiva (NDE) y monitorización de la salud estructural (SHM). Estos materiales se utilizan ampliamente en aplicaciones estructurales críticas, donde su rendimiento, durabilidad e integridad tienen un impacto directo en la seguridad. Por lo tanto, la capacidad de supervisar y evaluar la calidad de las uniones aeroespaciales, tanto durante el proceso de fabricación como a lo largo de su vida útil, es esencial. Esta investigación se centra en el desarrollo de enfoques basados en el uso de técnicas electromagnéticas para la monitorización de uniones estructurales aeroespaciales, específicamente en aleaciones de aluminio unidas mediante soldadura por fricción-agitación (FSW) y laminados de CFRP soldados mediante soldadura por inducción. La tesis se divide en dos aplicaciones principales, cada una representando un caso específico donde se desarrolló y optimizó un enfoque electromagnético para un tipo de unión concreto. La primera aplicación aborda la monitorización en tiempo real del proceso de soldadura por fricción-agitación en uniones de aluminio (CASO I). A través de una serie de estudios paramétricos y simulaciones numéricas, se identificó el diseño óptimo de una sonda de Corrientes de Eddy (ECT), orientada a detectar defectos subsuperficiales, como los "wormholes". Los resultados experimentales demostraron la capacidad de la sonda para detectar estos defectos con precisión, especialmente en la parte inferior de la unión, mientras se establecieron correlaciones significativas entre la conductividad eléctrica, la microdureza y las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción (UTS). Esto destaca el potencial del ECT como un método eficaz para el monitoreo en tiempo real del proceso de fabricación en uniones aeroespaciales. La segunda aplicación se centra en la monitorización de la salud estructural de laminados de CFRP soldados por inducción (CASO II). En este contexto, se desarrollaron dos sensores electromagnéticos: el sensor PM (Purely Magnetic en inglés), basado en un enfoque puramente magnético, y el sensor H (Hybrid en inglés), que integra mediciones de campo magnético y eléctrico. Mientras que el sensor PM mostró limitaciones para detectar variaciones dieléctricas dentro de la soldadura, el sensor H exhibió una sensibilidad superior, particularmente en la detección de cambios relacionados con la permitividad dieléctrica, lo que lo hace altamente efectivo para la detección y localización de defectos en laminados de CFRP. Este trabajo contribuye al avance de los métodos de NDE y SHM basados en técnicas electromagnéticas, y los hallazgos obtenidos abren el camino para la futura integración de estas técnicas en sistemas de monitoreo en tiempo real.