楊卓君， 杜金強， 何宇廷， 武　衛(wèi)， 李培源

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

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研究與探討

陽極氧化膜對花萼狀渦流陣列傳感器裂紋監(jiān)測的影響*

楊卓君， 杜金強， 何宇廷， 武衛(wèi)， 李培源

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038)

摘要:針對飛機鋁合金結(jié)構(gòu)件表面具有陽極氧化膜的實際，制備具有不同厚度陽極氧化膜的2A12—T4鋁合金試件，搭建疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)，對花萼狀渦流陣列傳感器的裂紋監(jiān)測特性進(jìn)行了研究。研究表明：花萼狀渦流陣列傳感器可以對具有陽極氧化膜的鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞裂紋進(jìn)行有效監(jiān)測，監(jiān)測精度為1 mm；但陽極氧化膜的厚度會對花萼狀渦流陣列傳感器的裂紋監(jiān)測特性產(chǎn)生顯著影響，隨著陽極氧化膜厚度的增大，傳感器的輸出信號幅值增加，裂紋監(jiān)測能力明顯降低。

關(guān)鍵詞：陽極氧化膜； 厚度； 渦流陣列傳感器； 裂紋監(jiān)測

0引言

飛機結(jié)構(gòu)是飛機裝備的載體，若機體主承力結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的疲勞裂紋不能被及時發(fā)現(xiàn)并加以修復(fù)，將會導(dǎo)致災(zāi)難性事故。長期以來，無損檢測技術(shù)在飛機使用維護(hù)中發(fā)揮著極其重要的作用，但隨著飛機結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜、使用強度不斷增加、服役使用壽命不斷延長，僅依靠傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)難以保證飛機使用安全[1]。結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測技術(shù)可顯著提高飛機結(jié)構(gòu)安全性，開展飛機結(jié)構(gòu)疲勞損傷監(jiān)測技術(shù)研究對保證飛行安全具有重要意義[2]。目前,大部分飛機的主承力結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)，而電渦流檢測技術(shù)恰恰適用于金屬結(jié)構(gòu)損傷的檢測，具有易于與結(jié)構(gòu)集成、能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞裂紋檢測等優(yōu)點[3]，在飛機結(jié)構(gòu)疲勞損傷檢測領(lǐng)域具有巨大的研究價值和應(yīng)用潛力。

在文獻(xiàn)[4，5]中，丁華、焦勝博等人應(yīng)用花萼狀渦流陣列傳感器進(jìn)行了2A12—T4鋁合金疲勞損傷的在線監(jiān)測試驗，研究表明：該傳感器能夠進(jìn)行裂紋損傷在線監(jiān)測，監(jiān)測精度可達(dá)1 mm。然而，飛機鋁合金構(gòu)件表面普遍采用陽極氧化工藝制備了一層Al2O3保護(hù)膜，以增強結(jié)構(gòu)的耐腐蝕、抗磨損性能。圍繞2A12—T4鋁合金結(jié)構(gòu)表面陽極氧化膜是否會對裂紋監(jiān)測產(chǎn)生影響這一問題，本文制備具有不同厚度陽極氧化膜的2A12—T4鋁合金試件，開展了裂紋監(jiān)測試驗研究。

1花萼狀渦流陣列傳感器

花萼狀渦流傳感器是針對螺栓連接結(jié)構(gòu)的孔邊裂紋監(jiān)測需求而提出來的，如圖1所示[6，7]。激勵線圈從中心圓處呈輻射狀向四周螺旋展開，在激勵線圈的螺旋線間隔內(nèi)分布著環(huán)狀感應(yīng)線圈，激勵線圈中通激勵電流I，用于在傳感器監(jiān)測空間內(nèi)產(chǎn)生激勵磁場，環(huán)狀感應(yīng)線圈用于感應(yīng)激勵磁場在監(jiān)測空間內(nèi)的反射場，而反射場與傳感器監(jiān)測空間內(nèi)的電磁特性參數(shù)和空間邊界條件緊密相關(guān)，結(jié)構(gòu)的損傷伴隨著結(jié)構(gòu)電磁特性參數(shù)和邊界條件改變。在其它條件不變的情況下，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷到達(dá)感應(yīng)線圈I的檢測區(qū)域時，感應(yīng)線圈I輸出信號發(fā)生變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷到達(dá)感應(yīng)線圈II的檢測區(qū)域時，感應(yīng)線圈II的輸出信號相應(yīng)地發(fā)生變化，通過檢測各感應(yīng)線圈的信號變化情況，就可以實現(xiàn)裂紋的定量檢測。

圖1　花萼狀渦流陣列傳感器Fig 1　Calyx shape eddy current array sensor

當(dāng)裂紋損傷進(jìn)入某一感應(yīng)線圈的檢測區(qū)域時，其輸出信號幅值開始快速增加，隨著裂紋的擴展，幅值持續(xù)增加；當(dāng)裂紋穿過該感應(yīng)線圈時，其輸出信號將趨于穩(wěn)定，如圖2所示[8]。顯然通過算法撲捉A，B點這兩個特征點，就可以實現(xiàn)裂紋的定量檢測。但是在某些因素影響下，當(dāng)A，B點所對應(yīng)的輸出信號幅值差ΔU較小時，特征點的撲捉將變得相對困難，從而制約裂紋的檢測。因此，本文定義感應(yīng)線圈的裂紋檢測靈敏度Sc為

(1)

圖2　花萼狀渦流陣列傳感器輸出信號的特征Fig 2　Output signal characteristics of calyx shape eddycurrent array sensor

2試驗件的制備與裂紋監(jiān)測試驗系統(tǒng)設(shè)計

1)不同厚度陽極氧化膜鋁合金試件的制備

目前，航空工業(yè)中鋁合金常規(guī)陽極化方法主要有硫酸陽極氧化和鉻酸陽極氧化。由于鉻酸鹽會危害人體健康并污染環(huán)境，其應(yīng)用受到嚴(yán)格限制，因此，本文選用硫酸陽極氧化工藝來對試驗件進(jìn)行處理[9]。飛機結(jié)構(gòu)陽極氧化膜層厚度通常為5～15 μm，為研究陽極氧化層厚度對智能墊片裂紋監(jiān)測特性的影響，制備了氧化膜厚度約為8,12 μm的兩種試驗件。

2)疲勞裂紋監(jiān)測試驗系統(tǒng)設(shè)計

基于渦流陣列傳感器的疲勞裂紋監(jiān)測試驗系統(tǒng)主要包括激勵源、渦流陣列傳感器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號采集與處理軟件、被測試驗件、疲勞載荷加載系統(tǒng)等部分，其總體框圖如圖3所示。其中,激勵源由AFG3101信號發(fā)生器和寬帶功率放大器構(gòu)成；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用DPO4104示波器來實現(xiàn)；信號采集與處理軟件主要對高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，并從采集系統(tǒng)的緩存中讀取測試數(shù)據(jù)，然后對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和特征量提取，最后將結(jié)果進(jìn)行實時顯示。

圖3　裂紋監(jiān)測試驗系統(tǒng)組成Fig 3　Compositions of crack monitoring experiment system

裂紋監(jiān)測時，首先將試驗件安裝于疲勞試驗機上，并將傳感器安裝于螺栓孔處；然后啟動疲勞裂紋系統(tǒng)，歸一化激勵信號頻率為0.3，疲勞載荷譜為隨機譜，施加頻率為15 Hz；通過疲勞裂紋監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)采集、處理傳感器的輸出信號，直至試驗件斷裂時停止。試驗過程中以傳感器幅值信號開始快速增加的“拐點”作為特征量，得到裂紋長度與疲勞載荷加載次數(shù)之間的關(guān)系；并對試件斷口進(jìn)行判讀，得到裂紋長度與載荷加載次數(shù)之間的關(guān)系，最后對比這兩組關(guān)系來驗證傳感器監(jiān)測裂紋的準(zhǔn)確性。

3陽極氧化膜厚度對監(jiān)測性能影響分析

1)不同厚度陽極氧化膜試件的裂紋監(jiān)測結(jié)果

選用陽極氧化膜厚度分別為8,12 μm的2A12—T4鋁合金試件，應(yīng)用花萼狀渦流陣列傳感器進(jìn)行疲勞裂紋監(jiān)測試驗，并將裂紋監(jiān)測結(jié)果與斷口定量分析結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖4所示。

圖4　裂紋監(jiān)測結(jié)果與斷口定量分析結(jié)果對比Fig 4　Contrast between crack monitoring result andfracture quantitative analysis result of

可見，花萼狀渦流陣列傳感器的監(jiān)測結(jié)果與斷口定量分析結(jié)果吻合較好，傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)兩種厚度陽極氧化膜2A12—T4鋁合金試驗件裂紋的定量監(jiān)測，監(jiān)測精度能夠達(dá)到1 mm。

2)各感應(yīng)線圈幅值信號水平對比

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽極氧化膜的厚度不同時，傳感器輸出信號的幅值存在一定的差異，表1是各感應(yīng)線圈在沒有裂紋時的輸出信號幅值?？梢?，增加陽極氧化膜厚度，感應(yīng)線圈的幅值信號水平均增加，其中，感應(yīng)線圈II的增加幅度最大，為4.99 %。這主要是因為陽極氧化層的出現(xiàn)相當(dāng)于在傳感器與被檢試件之間引入了提離距離，膜層越厚，被檢材料中激發(fā)的反射場對感應(yīng)線圈的作用就越弱，感應(yīng)線圈的幅值信號水平就越高。

表1　各感應(yīng)線圈無裂紋時輸出信號的幅值水平

經(jīng)計算線圈Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的增幅分別為4.27 %，4.99 %，1.21 %。

3)各感應(yīng)線圈裂紋檢測靈敏度對比

兩種陽極氧化層厚度下的疲勞裂紋監(jiān)測試驗所得到的幅值信號變化趨勢也存在一定的差異，應(yīng)用式(1)計算了兩種情況下各感應(yīng)線圈的裂紋監(jiān)測靈敏度，如表2所示?？梢婈枠O氧化膜厚度的增加，會使傳感器裂紋監(jiān)測的靈敏度顯著降低，其中感應(yīng)線圈II的降低幅度最大，為22.19 %。

表2　各感應(yīng)線圈的裂紋監(jiān)測靈敏度

經(jīng)計算線圈Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ的降幅分別為20.67 %，22.19 %，7.44 %。

4結(jié)論

制備具有不同厚度陽極氧化膜的2A12—T4鋁合金試件，研究了陽極氧化膜厚度對花萼狀渦流陣列傳感器裂紋監(jiān)測特性的影響，研究結(jié)果表明：

1)當(dāng)陽極氧化膜厚度分別為8,12 μm時，花萼狀渦流陣列傳感器能夠?qū)ζ诹鸭y進(jìn)行有效監(jiān)測，監(jiān)測精度為1 mm；

2)增加陽極氧化膜的厚度，傳感器輸出信號的幅值增加，當(dāng)膜厚由8 μm增加至12 μm時，輸出信號幅值最大增幅為4.99 %；

3)增加陽極氧化膜的厚度會顯著降低傳感器的裂紋監(jiān)測能力，當(dāng)膜厚由8 μm增加至12 μm時，感應(yīng)線圈II的靈敏度降低了22.19 %。

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Influence of anodic film on crack monitoring of calyx shape eddy current array sensor*

YANG Zhuo-jun， DU Jin-qiang, HE Yu-ting, WU Wei, LI Pei-yuan

(College of Aeronautics and Astronautics Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China)

Abstract:As there are anodic films on acturel aircraft aluminium alloy structural parts,specimen of 2A12—T4 aluminium alloy with different thickness anodic films are prepared,fatigue crack monitoring system is built up,and the crack monitoring characteristics of calyx shape eddy current array sensor are researched.It’s shown that the sensor can effectively monitor on fatigue cracks aluminium alloy structural parts with precision of 1mm;but the thickness of anodic film has great influence on crack monitoring characteristics of sensor,as the thickness of film increasing,amplitude of output signal of sensor is increased and crack monitoring capiability is decreased.

Key words:anodic film; thickness; eddy current array sensor; crack monitoring

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0055—03

收稿日期：2015—05—11

*基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2009AA04Z406)

中圖分類號：V 215.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0055—03

作者簡介:

楊卓君(1978-)，男，上海人，碩士，講師，研究方向為飛機結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控。