陳新波,張海兵

(海軍航空工程學院青島分院,青島 266041)

某型飛機空速管位于機頭罩下方,主要用于感受飛機行進氣流、測量飛行速度。近幾年來,空速管在使用中在R弧處(如圖1)多次發(fā)現(xiàn)沿周向的疲勞裂紋,這些疲勞裂紋一旦產(chǎn)生便會迅速擴展,給飛行安全帶來極大隱患,為此,飛機空速管的探傷對保證飛行安全是極為重要的。目前,常用的滲透檢測方法需分解空速管,但由于空速管與固定座之間屬于過盈配合,分解時容易損壞零部件。為保證飛行安全,滿足快速原位檢測的需要,急需一種可行、可靠、不需要分解空速管就可進行探傷的原位檢測方法。

圖1 某型飛機空速管檢測部位示意圖

1 檢測方法

由于空速管的材料為鋁合金,不能用磁粉探傷法;而且由于檢測部位不可達,所以也不能采用渦流和滲透探傷。超聲波傳播距離遠,便于在飛機維修窗口處檢測卡箍、拐角及接頭喇叭口處的裂紋,其探傷靈敏度高、經(jīng)濟性好、費用低且無污染等[1]。綜合考慮空速管的形狀、檢測部位和缺陷類型等因素,選擇超聲表面波有利于檢測R處的表面裂紋。

2 檢測原理

如圖2(a)所示,如果R處無裂紋,超聲表面波在空速管表面上傳播遇到R處時,部分聲波會返回,在R處會出現(xiàn)一個反射波。由于 R處拐角＞90°,且 R處臺階的厚度很小,約為0.5 mm,所以部分超聲波能量越過R處,繼續(xù)向前傳播,到達B處,從而在熒光屏上還會出現(xiàn)一個反射波B;如果R處有裂紋,如圖2(b),超聲波大部分能量被裂紋反射返回,此時R處(即裂紋處)的回波高度升高,而B處的波高降低甚至消失。由此分析可知,可以根據(jù)R處和B處波高的變化判斷R處有無裂紋。

圖2 超聲表面波檢測空速管原理圖

3 試塊的制作

為了使試塊狀態(tài)與被檢空速管一致,從退役的空速管上截取一部分作為試塊,在R處加工一長5 mm、深1 mm的人工裂紋,外表面漆層和內(nèi)表面處理狀況保持不變。

4 探頭主要參數(shù)的確定

根據(jù)表面波探頭的結(jié)構(gòu)及探傷原理,再結(jié)合探傷要求,由探測面的形狀及尺寸給出表面波探頭的幾個重要參數(shù)。

4.1 工作頻率的選擇

探頭工作頻率的高低對檢測靈敏度、分辨力、缺陷的定位及聲波的衰減等都有很大影響,且表面波傳播時振幅隨深度增加衰減很快,傳播深度增至一個波長時,其振幅幅值減小至最小[2]。由于表面波在鋁合金中(如Al2024-T4)的傳播速度cR=2.95×103m/s[3],而航空維修中常用的工作頻率f為2,2.5,3和5 MHz。當工作頻率選取2.5 MHz時,可得相應(yīng)波長λ為：

而根據(jù)該型飛機維護規(guī)程,空速管要發(fā)現(xiàn)長5 mm、深1 mm當量大小的裂紋,且考慮到空速管的材料為鋁合金,晶粒大小相對適中,R處臺階的厚度為0.5 mm,當工作頻率選取2.5 MHz時,表面波的檢測深度為表面下1.18 mm,對1 mm深處的裂紋檢測靈敏度較高。

4.2 入射角的確定

表面波探頭的縱波入射角α由下式求出：

式中cL為有機玻璃中縱波的傳播速度,cL=2.7×103m/s[3]。由以上計算可知,所選擇的探頭入射角α應(yīng)滿足α≥66.2°。確切的入射角主要是通過現(xiàn)場試驗得出,分別用α值為67°,69°和71°的三種探頭對R處長5 mm、深1 mm的人工裂紋進行探傷,最終發(fā)現(xiàn)入射角為69°時的靈敏度較高,因此α值選定為69°。

4.3 晶片尺寸的確定

晶片尺寸的大小決定了超聲波的發(fā)射功率,由θ0=sin-11.22(λ/D)可知,晶片尺寸越大,半擴散角越小,發(fā)射功率越大,聲束指向性好,信噪比優(yōu)于小晶片探頭,相對掃查的范圍較大,能夠提高工作效率。但晶片尺寸越大,近場區(qū)長度就越大,對檢測不利,所以探頭晶片不宜過大。對于該空速管來說,為了確保耦合效果,在保證超聲強度足夠的前提下盡量選擇晶片尺寸小一些的探頭,而且方形晶片相對長方形晶片發(fā)射能量更為集中,故選擇方形晶片。根據(jù)空速管被檢面的尺寸及檢測距離,確定晶片尺寸為5 mm×5 mm的方形晶片。

綜合上述超聲工作頻率與各項性能特征之間的關(guān)系,經(jīng)過性能測試,選用頻率為2.5 MHz,尺寸為5 mm×5 mm的方形晶片,入射角為69°的表面波探頭,可最大限度地滿足探傷靈敏度、缺陷定量和定位及耦合等方面的性能要求。

5 實際應(yīng)用

5.1 儀器的調(diào)試

選用CTS-26A型超聲波探傷儀,將探頭放置在試塊無缺陷部位,如圖2(a),探頭前沿距R處約為80 mm左右,左右移動探頭,始波調(diào)在熒光屏水平刻度0處,使B處底波出現(xiàn)在滿刻度10處,保持探頭前沿與B處距離不變,將探頭移動到人工裂紋處,如圖2(b),此時缺陷處的回波出現(xiàn)在水平刻度8.2處,調(diào)整衰減器旋鈕,使缺陷回波高度達到80%,如雜波過高,可適當打開抑制,儀器調(diào)整完畢。

5.2 檢測操作

由于R處離空速管固定座前沿的距離為10 mm,探傷時探頭前沿離空速管固定座前沿應(yīng)為70 mm左右,左右移動探頭,使B處底波出現(xiàn)在滿刻度10處,保持探頭等距離沿空速管圓周方向移動掃查一周。

5.3 波形分析

掃查過程中,若空速管R處無裂紋,則熒光屏上水平刻度10處的底波高度基本保持不變;若探頭移動過程中底波高度突然降低或消失,熒光屏上水平刻度8.2處的波高也降低或消失,可能是由于耦合不良引起的;若探頭移動過程中底波高度突然降低或消失,且熒光屏上水平刻度8.2處的波高升高,則可判斷為裂紋。

5.4 可靠性驗證

用超聲表面波法對空速管的原位檢測過程中,如發(fā)現(xiàn)疑似裂紋波,為增加檢測結(jié)果的可靠性,可分解空速管,用熒光滲透法來進行驗證。

6 結(jié)語

根據(jù)某型飛機空速管的形狀與裂紋特點,結(jié)合實際情況,特別是考慮了裂紋產(chǎn)生的特殊部位及工件形狀對超聲波傳播的影響,采用超聲表面波法檢測空速管R處的裂紋,確定了專用探頭的主要參數(shù),檢測速度快、效果好,解決了我部對某型飛機空速管無法原位探傷的問題。一年來,對在役的32架次某型飛機上的空速管進行了檢查,發(fā)現(xiàn)6起裂紋故障,并用滲透法得到了驗證。提高了飛行的安全可靠性。

[1]許占顯,潘衛(wèi)國.飛機導管檢測工藝研究[J].無損探傷,2002(2)：6-8.

[2]孫金立.無損檢測及在航空維修中的應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2004：15.

[3]李家偉,陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2002：218-223.