Development of Automated Pulsed Eddy Current for Inspection of F-35 Wing Structures at Lift-off

Abstract

The Royal Canadian Air Force's future F-35 fleet presents a significant inspection challenge due to composite wing skins and radar-absorbing materials (RAM), precluding direct access to critical structural components, such as the inner wing spars. These constraints necessitate the development of a non-contact Non-Destructive Testing (NDT) method capable of detecting stress corrosion cracking (SCC) adjacent to both ferrous and non-ferrous fasteners at large lift-off distances. To address this need, a pulsed eddy current (PEC) inspection system was developed, integrating custom probes, time-domain signal processing, and a modified principal component analysis (MPCA) classification framework. Four custom PEC probes, labelled ZEUS, ARES, THOR, and ODIN, were designed to explore trade-offs among magnetic sensitivity, lift-off tolerance, and modelling complexity. ZEUS, with its vertically differential pickup configuration and ferrite-cored pickup coils, demonstrated the most robust flaw separation, achieving accurate classification up to 17.7 mm above an angled aluminum surface. An analytical model, describing vertically differential PEC responses, was validated using ARES, which employs air-cored pickup coils for simplified modelling. THOR, with a ferrite-cored driver and axisymmetric pickups positioned on either side of the driver, performed well on titanium fasteners but showed sensitivity to geometric and edge effects. ODIN, featuring an air-cored driver and axisymmetric pickup coils, proved effective in ferromagnetic stainless steel, but exhibited elevated false positives near the 99 % confidence threshold in thicker titanium samples. Conventional Eddy Current Testing (ET) was assessed to benchmark performance under realistic aerospace conditions. While effective at identifying near-surface cracks and mapping fastener locations at low lift-offs, conventional ET performance degraded markedly beyond 11 mm of lift-off. Signal quality diminished due to broadened magnetic field distributions, limiting its ability to resolve flaws in high lift-off or through-layer inspection scenarios. To overcome the limitations of scalar signal features in PEC, such as peak amplitude or decay slope, gated signals were projected into a reduced eigenspace using MPCA, followed by linear discriminant analysis of the principal component scores. Family-based eigenvectors consistently improved generalization and reduced false positives. HLT265 samples showed the strongest class separation, while titanium-based HLT313 samples posed greater classification challenges. A rigorous thresholding strategy, based on discriminant score distributions, was developed, with 95 % and 99 % confidence levels enabling statistically grounded decisions for re-inspection or repair. ZEUS maintained clean class separation under elevated lift-off conditions, indicating strong potential for integration into automated or field-deployable systems. A time-domain modelling framework was developed using analytical derivation and finite element method (FEM) simulation. PEC excitation was modelled as a unipolar square wave via a truncated Fourier series, and frequency-dependent complex inductances were used to reconstruct coil-current responses through inverse harmonic summation. Simulated signals showed strong agreement with experimental data in waveform shape, polarity, and timing across various aerospace-relevant metals and lift-offs of up to 10 mm. Minor deviations at higher lift-offs were attributed to unmodelled boundary effects and surface imperfections. This work demonstrates the feasibility of a non-contact PEC inspection system for detecting subsurface flaws in aircraft with stealth coatings. The combined analytical, numerical, and experimental approach provides a robust platform for PEC probe development, signal interpretation, and implementation in aerospace maintenance environments, where conventional ET techniques fall short.

La future flotte de F-35 de l’Aviation royale canadienne présente un défi majeur en matière d’inspection en raison des revêtements d’aile composites et des matériaux absorbants les ondes radar (RAM), lesquels empêchent l’accès direct à des composants structuraux critiques tels que les longerons internes d’aile. Ces contraintes exigent le développement d’une méthode de contrôle non destructif (CND) sans contact capable de détecter la fissuration par corrosion sous contrainte (CSC) à proximité de fixations ferreuses et non ferreuses à grande distance de décollage. Afin de répondre à ce besoin, un système d’inspection par courants de Foucault pulsés (CFP) a été développé, intégrant des sondes personnalisées, un traitement des signaux dans le domaine temporel ainsi qu’un cadre de classification fondé sur une analyse en composantes principales modifiée (ACPM). Quatre sondes CFP personnalisées, désignées ZEUS, ARES, THOR et ODIN, ont été conçues afin d’explorer les compromis entre sensibilité magnétique, tolérance à la distance de décollage et complexité de modélisation. La sonde ZEUS, dotée d’une configuration de bobines réceptrices différentielles verticales et de noyaux en ferrite, a démontré la séparation de défauts la plus robuste, permettant une classification précise jusqu’à 17,7 mm au-dessus d’une surface d’aluminium inclinée. Un modèle analytique décrivant les réponses CFP différentielles verticales a été validé à l’aide de la sonde ARES, laquelle utilise des bobines réceptrices à noyau d’air afin de simplifier la modélisation. La sonde THOR, munie d’une bobine excitatrice à noyau en ferrite et de bobines réceptrices axisymétriques disposées de part et d’autre de celle-ci, a offert de bonnes performances sur des fixations en titane, mais a montré une sensibilité accrue aux effets géométriques et aux effets de bord. La sonde ODIN, équipée d’une bobine excitatrice à noyau d’air et de bobines réceptrices axisymétriques, s’est révélée efficace pour l’acier inoxydable ferromagnétique, bien qu’elle ait présenté un taux plus élevé de faux positifs à proximité du seuil de confiance de 99 % dans des échantillons en titane plus épais. Les essais conventionnels par courants de Foucault (CF) ont été évalués afin d’établir la performance de référence dans des conditions aérospatiales réalistes. Bien qu’efficaces pour l’identification de fissures de surface et la localisation des fixations à faible distance de décollage, les performances des CF conventionnels se sont nettement détériorées au-delà de 11 mm. La qualité du signal diminuait en raison de l’élargissement de la distribution du champ magnétique, limitant ainsi la capacité à résoudre les défauts dans des scénarios d’inspection à grande distance ou à travers plusieurs couches structurales. Afin de surmonter les limites des caractéristiques scalaires des signaux CFP, telles que l’amplitude maximale ou la pente de décroissance, les signaux fenêtrés ont été projetés dans un espace propre réduit au moyen de l’ACPM, puis analysés par une analyse discriminante linéaire appliquée aux scores en composantes principales. L’utilisation de vecteurs propres fondés sur des familles d’échantillons a systématiquement amélioré la capacité de généralisation et réduit le nombre de faux positifs. Les échantillons HLT265 ont présenté la séparation de classes la plus marquée, tandis que les échantillons HLT313 à base de titane ont posé davantage de défis en matière de classification. Une stratégie rigoureuse d’établissement de seuils, fondée sur les distributions des scores discriminants, a été élaborée. Des niveaux de confiance de 95 % et 99 % ont permis de formuler des décisions statistiquement fondées quant à la réinspection ou à la réparation. La sonde ZEUS a maintenu une séparation nette des classes à des distances de décollage élevées, démontrant un fort potentiel d’intégration dans des systèmes automatisés ou déployables sur le terrain. Un cadre de modélisation dans le domaine temporel a été développé au moyen d’une dérivation analytique et de simulations par la méthode des éléments finis (MEF). L’excitation CFP a été modélisée comme une onde carrée unipolaire à l’aide d’une série de Fourier tronquée, et des inductances complexes dépendantes de la fréquence ont été utilisées afin de reconstruire les réponses en courant des bobines par sommation harmonique inverse. Les signaux simulés ont présenté une forte concordance avec les données expérimentales en termes de forme d’onde, de polarité et de synchronisation, pour divers métaux pertinents en aérospatiale et pour des distances de décollage allant jusqu’à 10 mm. Les écarts mineurs observés à des distances plus élevées ont été attribués à des effets de frontière non modélisés ainsi qu’à des imperfections de surface. Ce travail démontre la faisabilité d’un système d’inspection CFP sans contact pour la détection de défauts sous-surface sur des aéronefs munis de revêtements furtifs. L’approche combinant modélisation analytique, simulation numérique et validation expérimentale constitue une plateforme robuste pour le développement de sondes CFP, l’interprétation des signaux et leur implantation dans les environnements de maintenance aérospatiale, où les techniques conventionnelles de CF atteignent leurs limites.