于霞，張衛(wèi)民，邱忠超，陳國(guó)龍，秦峰

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京100081;2.中國(guó)兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所，北京100089)

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的核心部件，它依靠葉片完成對(duì)氣體的壓縮和膨脹來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)大動(dòng)力，以推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn).葉片數(shù)量眾多且屬于高速旋轉(zhuǎn)件，所受載荷復(fù)雜、使用環(huán)境惡劣，是發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要和關(guān)鍵性零件之一［1-6］.

葉片在高溫、高壓等交變載荷下工作，容易因腐蝕、振動(dòng)等原因?qū)е缕诹鸭y產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而引發(fā)飛行事故.因此，研究葉片裂紋的有效檢測(cè)方法，早期預(yù)報(bào)和診斷葉片裂紋缺陷的產(chǎn)生，是十分必要的［7-9］.渦流檢測(cè)是一種重要的無(wú)損檢測(cè)方法，其工作原理是根據(jù)電磁感應(yīng)，將渦流傳感器的激勵(lì)線圈置于金屬基試件附近，這時(shí)試件中會(huì)感應(yīng)出渦流，借助傳感器的檢測(cè)線圈拾取缺陷附近渦流場(chǎng)變化，即可實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè).渦流檢測(cè)簡(jiǎn)便高效，可實(shí)現(xiàn)非接觸和自動(dòng)化檢測(cè)，其特點(diǎn)是對(duì)試件表面或亞表面缺陷敏感，和超聲等檢測(cè)方法有效組合，有望取代目前生產(chǎn)中效率低下、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的磁粉、滲透等檢測(cè)方法，滿足葉片零件自動(dòng)化批量生產(chǎn)的檢測(cè)需求［10-13］.

關(guān)于利用渦流方法進(jìn)行葉片檢測(cè)，已開(kāi)展了很多研究工作.有學(xué)者根據(jù)大型汽輪機(jī)的檢測(cè)要求，研制了專(zhuān)用渦流檢測(cè)傳感器，取得了較好檢測(cè)結(jié)果［14-16］;利用陣列式渦流傳感器，有效檢測(cè)出高壓渦輪葉片上的疲勞裂紋［17-18］;針對(duì)葉片檢測(cè)需求，研制了專(zhuān)用檢測(cè)傳感器［19］，滿足了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求等.

渦流傳感器從原理上說(shuō)主要分為兩種，即絕對(duì)式傳感器和差動(dòng)式傳感器［20］.其中差動(dòng)式傳感器利用差動(dòng)線圈對(duì)相同信號(hào)進(jìn)行抵消、差異信號(hào)進(jìn)行疊加的特點(diǎn)，可有效抑制溫度、提離效應(yīng)等共模干擾信號(hào)，更適于識(shí)別葉片中微小裂紋.本文根據(jù)葉片缺陷檢測(cè)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)并研制了一種新型小尺寸、差激勵(lì)式渦流傳感器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種傳感器抑制干擾能力較強(qiáng)、靈敏度高，較適于檢測(cè)葉片中的微小缺陷.

1 差動(dòng)式渦流傳感器工作原理

差動(dòng)式渦流傳感器可以分為差測(cè)量式和差激勵(lì)式，一般比較常見(jiàn)的是差測(cè)量式，如圖1(a)所示.它由一個(gè)激勵(lì)線圈和兩個(gè)測(cè)量線圈組成，激勵(lì)線圈在試件中感生渦流，當(dāng)試件中沒(méi)有缺陷時(shí)，由于兩個(gè)測(cè)量線圈反向連接，感應(yīng)電壓相互抵消，沒(méi)有輸出;一旦試件中出現(xiàn)缺陷，測(cè)量線圈中的感應(yīng)電壓便發(fā)生變化，有信號(hào)輸出.差激勵(lì)式渦流傳感器則是由兩個(gè)激勵(lì)線圈和一個(gè)測(cè)量線圈組成，如圖1(b)所示.當(dāng)試件中沒(méi)有缺陷時(shí)，兩個(gè)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流場(chǎng)能量相同，方向相反，相互抵消，測(cè)量線圈中沒(méi)有感應(yīng)電壓輸出;當(dāng)試件中存在缺陷時(shí)，兩個(gè)激勵(lì)渦流場(chǎng)能量平衡被破壞，測(cè)量線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓信號(hào).

圖1 差動(dòng)式渦流檢測(cè)Fig.1 Differential eddy current detection

由于葉片屬于復(fù)雜曲面零件，檢測(cè)時(shí)表面狀態(tài)差異、提離距離變化等干擾因素不可避免，葉片上微裂紋處渦流信號(hào)很微弱.采用差動(dòng)式渦流傳感器對(duì)于抑制干擾，增大靈敏度，甚至提高線性度，無(wú)疑是合理的選擇.與差測(cè)量式傳感器相比，差激勵(lì)式傳感器在試件上施加兩個(gè)相互耦合的電磁場(chǎng)，一旦試件中渦流場(chǎng)平衡被破壞，其變化量要比差測(cè)量式傳感器更大.所以在葉片缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，差激勵(lì)式傳感器比差測(cè)量式傳感器靈敏度更高.如圖2所示，兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的差動(dòng)式傳感器，在相同電源電壓激勵(lì)下，差激勵(lì)式傳感器輸出明顯高于差測(cè)量式傳感器，且信噪比顯著改善.

圖2 葉片試件裂紋兩種差動(dòng)式檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparing results of detecting cracks between two differential kinds

2 差激勵(lì)式渦流傳感器設(shè)計(jì)與研制

一般通用差動(dòng)式渦流傳感器尺寸較大，且均為差測(cè)量式結(jié)構(gòu).本文針對(duì)葉片微裂紋檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種尺寸小、靈敏度高的差激勵(lì)式傳感器，其殼體直徑為5 mm，差激勵(lì)探頭渦流檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖3所示，檢測(cè)線圈拾取的渦流信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，A/D數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由計(jì)算機(jī)保存、處理、輸出.差激勵(lì)傳感器中，為了增大電感量，提高檢測(cè)靈敏度，將線圈繞制在鐵氧體鐵芯上，為了減小傳感器體積，將鐵氧體磨制成0.2 mm的薄片，兩側(cè)的激勵(lì)線圈用0.09mm的漆包線纏繞鐵氧體薄片繞制兩層共300匝制作而成，兩個(gè)激勵(lì)線圈互為反向連接，而中間的測(cè)量線圈是由0.05 mm漆包線環(huán)繞鐵氧體外繞制一層400匝構(gòu)成.圖4為兩種結(jié)構(gòu)形式的差激勵(lì)式傳感器.

圖3 差激勵(lì)測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of difference incentive measurement system

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的自動(dòng)高效檢測(cè)，可將上述差激勵(lì)式傳感器安裝在數(shù)控多自由度掃查臺(tái)上，通過(guò)數(shù)控軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片曲面零件的快速掃查.

圖4 差動(dòng)式探頭及內(nèi)部線圈結(jié)構(gòu)Fig.4 Differential probe and internal coil structure

3 葉片裂紋缺陷渦流檢測(cè)仿真研究

應(yīng)用ANSOFT電磁場(chǎng)有限元分析軟件，通過(guò)位函數(shù)的選取和邊界定解條件的施加，可求得唯一數(shù)值解［21］.選取激勵(lì)和檢測(cè)線圈鐵芯為2 mm×0.2 mm的矩形鐵氧體薄片，激勵(lì)線圈導(dǎo)線線徑為0.05 mm，繞制300匝，檢測(cè)線圈采用同樣線徑繞制400匝.

利用渦流求解器求解時(shí)假設(shè):時(shí)變電磁場(chǎng)量做周期變化且所有量具有相同的角頻率，所有電流量與所研究導(dǎo)體的橫截面正交.采用直接方法求解磁場(chǎng)強(qiáng)度.邊界處強(qiáng)制H連續(xù)，在模型中產(chǎn)生連續(xù)的磁場(chǎng)解，之后將解進(jìn)行誤差分析，細(xì)化誤差較大位置的網(wǎng)格，連續(xù)求解直到滿足設(shè)定的終止條件［10］.

三維渦流場(chǎng)采用棱邊法將四面體單元棱邊上的場(chǎng)量作為待求自由度.磁場(chǎng)強(qiáng)度H描述為

式中:φ為標(biāo)量磁位;Hp為四面體剖分6條邊上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，該場(chǎng)量為待求場(chǎng)量.在三維非導(dǎo)電區(qū)域內(nèi)，采用式(1)，需計(jì)算節(jié)點(diǎn)上標(biāo)量磁位φ和棱邊上的矢量磁場(chǎng)強(qiáng)度Hp，因棱邊上的自由度是矢量，所以在x、y、z 3個(gè)方向上各對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)量.在導(dǎo)體區(qū)域，采用式(2)進(jìn)行計(jì)算，其中T是棱邊元其棱邊的矢量電位，需要在四面體單元10個(gè)自由度的基礎(chǔ)之上再增加矢量電位自由度.在導(dǎo)電區(qū)域和非導(dǎo)電區(qū)域的交界面上矢量電位T的切向分量置成0，并按所有激勵(lì)源頻率相同且固定進(jìn)行求解計(jì)算［22］.

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面為曲面，不同位置處曲率各異.利用正弦函數(shù)曲線建立了一個(gè)較為平緩的曲面來(lái)近似葉片葉尖部位的曲面進(jìn)行仿真.這種建模方式基于兩點(diǎn)考慮:①葉片曲面可看作變曲率正弦曲面;②在傳感器附近用規(guī)則曲面代替葉片曲面，誤差很小.部分結(jié)果如圖5所示，不同位置處不同尺寸的裂紋的磁密度云圖有所區(qū)別.仿真忽略了因?yàn)樽杩棺兓娏髀晕⒆兓挠绊?

圖5 不同位置不同尺寸裂紋磁密度Fig.5 Magnetic flux density of cracks with different positions and various sizes

仿真過(guò)程建立了差激勵(lì)渦流檢測(cè)三維探頭模型，由于4條裂縫(裂紋相對(duì)位置及尺寸見(jiàn)圖6(a))處能夠?qū)е聝蓚€(gè)激勵(lì)線圈在金屬板上的渦流畸變，造成感應(yīng)接收線圈的左右兩側(cè)磁場(chǎng)不相等，由此引起差分電壓并產(chǎn)生感應(yīng)電壓波形圖，如圖6(b)所示.

圖6 裂紋相對(duì)位置及感應(yīng)電壓仿真Fig.6 Relative positions of cracks and induced voltage simulation

圖7為寬度相同而長(zhǎng)度、深度不同的裂紋在缺陷處的渦流滲透深度密度云圖.從圖中可以看出，對(duì)于文中給定的傳感器結(jié)構(gòu)，隨著裂紋深度增加，渦流的滲透深度越深;隨著裂紋長(zhǎng)度增加，渦流的滲透深度也越深.

圖7 無(wú)裂紋與4種不同位置裂紋處的渦電流密度云圖Fig.7 Eddy current density counters without cracks and with cracks at four different positions

根據(jù)仿真結(jié)果，探頭在不同提離高度下的磁信號(hào)強(qiáng)度明顯不同，得到了從0～1.5 mm提離高度與檢測(cè)電壓峰值的關(guān)系曲線，如圖8所示.從曲線上可以看出，1 mm提離高度以后，電壓輸出很小，幾乎均為零值，說(shuō)明當(dāng)提離高度超過(guò)1 mm以后較難檢測(cè)出仿真中給定尺寸的裂紋.

圖8 提離高度與電壓峰值關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve of lift-off and voltage peak

渦流檢測(cè)過(guò)程中，除了探頭結(jié)構(gòu)、提離高度和激勵(lì)頻率對(duì)檢測(cè)會(huì)造成影響外，探頭在掃查過(guò)程中的姿態(tài)，即探頭掃查通過(guò)同一條裂紋時(shí)，探頭與裂紋所成的不同角度對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)有一定的影響.為了檢驗(yàn)其影響程度，通過(guò)仿真建立了3條尺寸相同均為長(zhǎng)3mm×寬0.1mm×深0.2mm的裂紋，設(shè)定掃查路徑分別為與裂紋長(zhǎng)度垂直方向成0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，如圖 9(a)所示，選取得到的探頭在0°，45°，60°三種不同掃查角度下的感應(yīng)電壓仿真如圖9(b)所示.上述結(jié)果說(shuō)明，傳感器在垂直于裂紋方向掃查有最大靈敏度，應(yīng)盡量避免順著裂紋方向掃查，此方向?yàn)閭鞲衅鳈z測(cè)盲區(qū)，在其他方向上，傳感器均有不同程度的輸出.

圖9 不同角度下的感應(yīng)電壓仿真Fig.9 Induced voltage simulation at different angles

4 葉片裂紋缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用設(shè)計(jì)的差激勵(lì)式傳感器探頭及其渦流檢測(cè)系統(tǒng)，該傳感器結(jié)構(gòu)和仿真模型相一致.對(duì)葉片試件上不同部位采用電火花加工方法預(yù)制不同尺寸的微裂紋.如圖6(a)所示，選取葉尖部位4條裂紋，其長(zhǎng)度、寬度、深度分別為 10 mm×0.1 mm×0.15 mm、10 mm ×0.1 mm ×0.3 mm、5 mm×0.1 mm ×0.15 mm、5 mm ×0.1 mm ×0.3 mm為例進(jìn)行說(shuō)明.在128 kHz激勵(lì)頻率、8 V輸出電壓和120°相位的情況下，分別改變探頭掃查角度和提離高度，進(jìn)行了多次檢測(cè)實(shí)驗(yàn).

改變差激勵(lì)探頭與被測(cè)試件表面的距離，由0 mm逐漸增加到1.0 mm沿試件長(zhǎng)度并垂直于裂紋方向進(jìn)行檢測(cè)，選取4個(gè)特征提離高度(h)的檢測(cè)結(jié)果如圖10(a)所示，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制了提離高度與檢測(cè)信號(hào)峰峰值曲線，如圖10(b)所示.

改變探頭相對(duì)裂紋的掃查方向，如圖9(a)所示，垂直裂紋的方向定為初始0°，依次沿逆時(shí)針掃查，得到0°～90°之間6個(gè)方向的掃查檢測(cè)結(jié)果.選取具有代表性的檢測(cè)曲線如圖11所示.

圖10 差激勵(lì)探頭葉尖4條裂紋缺陷提離檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Lift-off detecting results of four cracks at the tip of leaf using differential incentive probe

圖11 不同掃查方向檢測(cè)結(jié)果Fig.11 Detecting results along different scanning directions

5 結(jié)論

本文針對(duì)較難檢測(cè)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于配合葉片表面微裂紋檢測(cè)的數(shù)控多自由度掃查臺(tái)，并應(yīng)用設(shè)計(jì)制作的差激勵(lì)渦流傳感器，以葉尖部位的4條尺寸和位置不同的采用電火花加工方法預(yù)制的微裂紋為例，開(kāi)展了渦輪葉片表面微裂紋仿真和實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明:

1)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)論相互吻合，所設(shè)計(jì)的小尺寸且具有較高靈敏度和較高分辨率的差激勵(lì)傳感器能夠有效檢測(cè)識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的微裂紋缺陷.

2)為后續(xù)進(jìn)一步完善用于渦輪葉片表面微裂紋缺陷檢測(cè)的差激勵(lì)傳感器研究奠定了一定的基礎(chǔ).

3)為其他領(lǐng)域不規(guī)則金屬曲面工件的微裂紋檢測(cè)提供一些方法和技術(shù)借鑒.

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