雷美玲，付躍文

(無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

0　引言

多層金屬鉚接結(jié)構(gòu)是飛機(jī)部件中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，在飛機(jī)服役過(guò)程中此結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生層間裂紋、腐蝕以及周邊裂紋，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，消除影響飛機(jī)安全的隱患就變得尤為重要[1-2]。

目前，對(duì)于多層金屬鉚接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的缺陷檢測(cè)主要是渦流檢測(cè)。Joubert等[3-4]在檢測(cè)航空鉚接接頭時(shí)利用傳統(tǒng)的渦流陣列傳感器，利用主成分分析和獨(dú)立分量?jī)煞N源分離技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，表明這兩種數(shù)據(jù)處理的方法對(duì)檢測(cè)出鉚釘周邊裂紋是有一定適用性的；Buzz Wincheski等[5]設(shè)計(jì)了SDT(Spin-dependent Tunneling)傳感器，通過(guò)試驗(yàn)與仿真相結(jié)合，證明該探頭用于從外表皮層進(jìn)行鉚釘周邊裂紋檢測(cè)具有實(shí)用性；Desjardins等[6]提出一種耦合驅(qū)動(dòng)和差動(dòng)線圈來(lái)檢測(cè)鋁結(jié)構(gòu)中緊固件的螺栓孔產(chǎn)生的疲勞裂紋；Yang等[7]發(fā)明了一種具有90°相移的激勵(lì)電流的正交平面線圈的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)EC-GMR傳感器系統(tǒng)，結(jié)合仿真模型來(lái)證實(shí)了該系統(tǒng)在檢測(cè)多層鉚接結(jié)構(gòu)中的裂紋有良好效果。

脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)是近幾年來(lái)快速發(fā)展起來(lái)的一種新型的渦流檢測(cè)技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)渦流檢測(cè)的集膚效應(yīng)和信號(hào)單一的局限性，脈沖渦流是具有一定占空比的方波信號(hào)，包含豐富的頻譜信息，一次掃描可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置、不同深度下的缺陷的檢測(cè)，大大提高了檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)效率，在檢測(cè)鉚釘周邊裂紋中得到了廣泛的應(yīng)用[8]。楊賓峰等[2,9]基于脈沖渦流設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)圓柱線圈，霍爾傳感器作接收探頭，對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)周邊裂紋進(jìn)行檢測(cè)定量；鄒國(guó)輝等[10-13]在此基礎(chǔ)上對(duì)探頭進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化處理，試驗(yàn)表明該探頭能夠有效的檢測(cè)出鉚釘周邊的裂紋。

本研究設(shè)計(jì)一種基于脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的探頭，對(duì)探頭參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)一種使探頭能夠圍繞鉚釘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測(cè)的裝置，該裝置使探頭與鉚釘中心距離一定，以抑制純手動(dòng)檢測(cè)過(guò)程中探頭與鉚釘距離變化造成的偽缺陷，繞鉚釘中心進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。

1　脈沖渦流檢測(cè)原理

脈沖渦流檢測(cè)方法是利用載有一定占空比的方波激勵(lì)檢測(cè)線圈，當(dāng)檢測(cè)線圈接近被檢試件時(shí)在被檢試件內(nèi)部感應(yīng)出瞬變的渦流。當(dāng)被檢試件中出現(xiàn)缺陷，感應(yīng)產(chǎn)生的渦流及其相應(yīng)的磁場(chǎng)與無(wú)缺陷時(shí)相比會(huì)發(fā)生擾動(dòng)。圖1是圓柱形探頭放在完好鉚釘和有裂紋鉚釘正上方產(chǎn)生的渦流示意圖,由圖可見(jiàn)，探頭產(chǎn)生的渦流在遇到裂紋時(shí)會(huì)產(chǎn)生畸變。通過(guò)傳感器檢測(cè)這種擾動(dòng)，就可以檢測(cè)出是否存在缺陷以及對(duì)缺陷進(jìn)行定量。在檢測(cè)的過(guò)程中一般利用線圈或者傳感器來(lái)拾取磁場(chǎng)信號(hào)，本研究設(shè)計(jì)的探頭采用隧道磁電阻(TMR)傳感器來(lái)拾取變化的磁場(chǎng)，通過(guò)磁傳感器感應(yīng)出的電壓與無(wú)缺陷處磁傳感器感應(yīng)出的電壓作比較來(lái)判斷缺陷是否存在。

圖1　鉚釘周邊渦流圖Fig.1　Eddy current distribution around rivet

2　試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)

2.1　試驗(yàn)平臺(tái)

建立脈沖渦流檢測(cè)平臺(tái)，主要包括脈沖信號(hào)發(fā)生器、檢測(cè)探頭、被檢試塊、數(shù)據(jù)采集卡，以及利用Labview虛擬儀器開(kāi)發(fā)的采集模塊與顯示模塊。本研究使用的脈沖信號(hào)發(fā)生器是一種雙極性直流電源,用來(lái)產(chǎn)生方波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)幅值為0.7 A，占空比為50%。

2.2　探頭的制作

采用圓柱形單探頭，在圓柱形絕緣酚醛樹(shù)脂材質(zhì)的骨架上繞制線圈，放入與之配套的鐵氧體磁罐中，激勵(lì)線圈是用直徑為0.41 mm的漆包線繞制而成，為了能夠找到圓柱形探頭的最佳靈敏度，分別繞制60、80、100、180、200、220、250匝的激勵(lì)線圈做探頭。接收傳感器TMR置于鐵氧體磁罐中心。圓柱形單探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Probe structure diagram

2.3　試驗(yàn)試塊的制作

試塊材料為2024航空鋁合金板，每層板厚1.5 mm，共10層，用鉚釘鉚接組成。試塊上分別加工長(zhǎng)度為1、2、3、4、5、6、7、8、9 mm的裂紋，深度均為1.5 mm，寬度均為1 mm。鉚釘上加工長(zhǎng)度為2 mm、深度為1.5 mm、寬度為1 mm的裂紋。可人為拆卸鉚釘改變?nèi)毕蒌X板放置的位置，模擬不同深度和不同長(zhǎng)度的鉚釘周邊裂紋缺陷。試塊缺陷位置及形狀如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)試塊 Fig.3　Test block

2.4　檢測(cè)結(jié)果的信號(hào)處理方法

脈沖渦流方法檢測(cè)過(guò)程中，在被檢試件無(wú)缺陷處采集的參考信號(hào)以及缺陷處采集的缺陷信號(hào)的時(shí)域圖形如圖4所示。利用labview程序，對(duì)實(shí)時(shí)采集到的信號(hào)與在被檢試件完好處采集的參考信號(hào)進(jìn)行差分處理并且顯示。如果被檢區(qū)域存在缺陷，則差分信號(hào)不為0。根據(jù)差分信號(hào)的峰值時(shí)間可判斷缺陷深度，根據(jù)峰值大小則可判斷該深度處缺陷的大小。

圖4　脈沖渦流檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理Fig.4　Processing of pulsed eddy current detection data

試驗(yàn)中檢測(cè)靈敏度定義為：

(1)

其中：VP為差分信號(hào)最大幅值；VS為參考信號(hào)最大幅值。

2.5　旋轉(zhuǎn)裝置制作及使用方法

該旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由底座、定位圓盤、檢測(cè)圓盤組成。為減少試驗(yàn)過(guò)程中摩擦、擠壓等影響，選用耐磨性以及透明性好的亞克力材料做試驗(yàn)裝置。其中，底座是一個(gè)90 mm×90 mm的正方形板，中間加工大圓孔用于放置定位圓盤，同時(shí)四周標(biāo)示角度用于指示旋轉(zhuǎn)度數(shù)。定位圓盤的中心位置加工一個(gè)直徑5 mm的圓(與鉚釘大小一致)，該圓用于使整個(gè)裝置的中心與鉚釘中心重合。檢測(cè)圓盤的大小與定位圓盤一致，在上面加工不同形狀的缺口以適應(yīng)于不同形狀，以及與鉚釘距離不同的檢測(cè)探頭的放置。在檢測(cè)圓盤正前方做個(gè)標(biāo)示點(diǎn)，用來(lái)指示旋轉(zhuǎn)起止點(diǎn)，控制旋轉(zhuǎn)角度。

檢測(cè)時(shí)探頭以鉚釘為中心沿著鉚釘周圍旋轉(zhuǎn)，接收信號(hào)的TMR探頭到鉚釘?shù)母鱾€(gè)邊緣等距。在鉚釘周圍某處選取參考信號(hào)(本試驗(yàn)采集的參考信號(hào)位置為鉚釘裂紋的對(duì)面無(wú)裂紋處)，在旋轉(zhuǎn)掃查的過(guò)程中經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)渦流會(huì)產(chǎn)生變化，接收傳感器TMR接收到變化的信號(hào)，通過(guò)labview程序處理得到差分信號(hào)，識(shí)別鉚釘周邊缺陷。

3　試驗(yàn)研究

3.1　檢測(cè)參數(shù)優(yōu)化分析

試驗(yàn)先研究激勵(lì)線圈匝數(shù)、檢測(cè)頻率、接收傳感器距鉚釘距離等因素對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響，優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)，以提高整個(gè)檢測(cè)裝置的檢測(cè)靈敏度。

將缺陷板放在多層鉚接結(jié)構(gòu)的第二層和第三層，在其他檢測(cè)條件一樣的情況下分別用不同線圈匝數(shù)的探頭和頻率來(lái)檢測(cè)8 mm裂紋。圖6a為檢測(cè)頻率100 Hz，激勵(lì)線圈分別為60、80、100、180、200、220、250匝的檢測(cè)靈敏度圖，由圖可看出，激勵(lì)線圈為180匝時(shí)檢測(cè)靈敏度最高。圖6b是用激勵(lì)線圈180匝的圓柱形單探頭，在激勵(lì)頻率分別為10、50、100、150、200、250 Hz的檢測(cè)靈敏度，從圖中可知，激勵(lì)頻率在10～100 Hz時(shí)，檢測(cè)靈敏度呈上升趨勢(shì)，激勵(lì)頻率大于100 Hz時(shí)，靈敏度呈下降趨勢(shì)。因此，檢測(cè)時(shí)選取靈敏度最高的激勵(lì)頻率100 Hz。

圖5　旋轉(zhuǎn)裝置Fig.5　Rotating device

圖6　圓柱形探頭檢測(cè)靈敏度Fig.6　Detection sensitivity of cylindrical probe

圖7為接收傳感器距鉚釘不同距離的示意圖。接收傳感器分別在離鉚釘中心4、10、13 mm時(shí)設(shè)定位置1、2和3，用于檢測(cè)多層金屬板第三層的鉚釘周邊裂紋。檢測(cè)探頭外封裝大小為32 mm×32 mm×40 mm的長(zhǎng)方體，檢測(cè)圓盤根據(jù)這3個(gè)位置和檢測(cè)探頭大小，分別加工32 mm×32 mm的正方形且中心位置離檢測(cè)圓盤中心位置為4、10、13 mm，分別標(biāo)記為1#、2#、3#檢測(cè)圓盤。

檢測(cè)時(shí)使用相同探頭和100 Hz檢測(cè)頻率，只改變接收傳感器距鉚釘?shù)木嚯x，檢測(cè)效果如圖8所示。由圖8可見(jiàn)：對(duì)檢測(cè)長(zhǎng)度為2、3 mm的裂紋，接收傳感器接收位置距離鉚釘中心4 mm位置，即用1#檢測(cè)圓盤檢測(cè)效果較好；檢測(cè)其他長(zhǎng)度時(shí)，接收傳感器接收位置在距離鉚釘10 mm位置，用2#檢測(cè)圓盤檢測(cè)效果較好。因此，進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)該選擇不同的鉚釘與探頭距離進(jìn)行檢測(cè)。

圖7　接收傳感器距鉚釘不同距離Fig.7　Different distances between the receiving sensor and the rivet

圖8　接收傳感器距鉚釘不同距離檢測(cè)效果圖Fig.8　　　　Detection sensitivity with different distance between the receiving sensor and the rivet

由以上參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在檢測(cè)時(shí)，圓柱形單探頭選取以下參數(shù)：激勵(lì)線圈180匝、檢測(cè)頻率100 Hz、接收傳感器距鉚釘4、10 mm。

3.2　手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)對(duì)比

根據(jù)圖8可知，接收傳感器距鉚釘10 mm時(shí)檢測(cè)效果最佳。在沒(méi)有旋轉(zhuǎn)裝置的情況下，利用圓柱形單探頭進(jìn)行檢測(cè)，在接收傳感器距離鉚釘中心10 mm的地方靠目測(cè)手動(dòng)繞著鉚釘旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。同樣的圓柱形單探頭利用旋轉(zhuǎn)裝置在相同鉚釘位置進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其檢測(cè)靈敏度進(jìn)行對(duì)比。

圖9為兩種檢測(cè)方式分別對(duì)鉚釘周邊2、3、4、5、6、8 mm裂紋進(jìn)行1次檢測(cè)的檢測(cè)靈敏度對(duì)比圖，可以看出，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)裝置相比并沒(méi)有確定的規(guī)律。利用這兩種檢測(cè)方式分別對(duì)鉚釘周邊裂紋各進(jìn)行20次檢測(cè)后，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9　手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)與旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)效果對(duì)比圖Fig.9　　　　Detection sensitivity comparison between manual rotation detection and device rotation detection

從圖10a可以看出，在檢測(cè)同一鉚釘周邊的裂紋20次時(shí)，旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)出的數(shù)據(jù)基本都在一條直線上，波動(dòng)范圍較小，檢測(cè)效果較好；圖10b中手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，檢測(cè)效果較差。

圖10　2種旋轉(zhuǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.10　Detection data for two types of rotation

為了能更加詳細(xì)對(duì)比兩種檢測(cè)方式的檢測(cè)效果和穩(wěn)定性，對(duì)這兩種裝置檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與均值差的絕對(duì)值大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的視為偽缺陷，處理結(jié)果整理見(jiàn)表1。由表可知，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)因距離和提離等變化所產(chǎn)生的偽缺陷信號(hào)數(shù)量較多，而旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)中偽缺陷基本沒(méi)有，檢測(cè)效果較穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)圖10、表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：

1)在圖10中可以看出兩種檢測(cè)方式采集數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍，圖10a中旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)出的數(shù)據(jù)比圖10b手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍小，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置檢測(cè)穩(wěn)定；

2)由表1中的偽缺陷百分比結(jié)果可看出，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)比旋轉(zhuǎn)裝置檢測(cè)的檢測(cè)正確率低，即誤判率要高；

3)在檢測(cè)過(guò)程中利用旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置，旋轉(zhuǎn)距離一定，無(wú)需手動(dòng)目測(cè)旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)距離，檢測(cè)效率可大大提高，且手動(dòng)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)人為因素較大。

表1　不同旋轉(zhuǎn)方法檢測(cè)20次數(shù)據(jù)比較Table 1　Experimental data comparison for 20 detections with different rotation methods

4　結(jié)論

1)利用本研究研制的旋轉(zhuǎn)裝置可以檢測(cè)鉚釘孔周裂紋，當(dāng)激勵(lì)線圈為180匝、檢測(cè)頻率為100 Hz、接收傳感器距鉚釘10 mm時(shí)，整個(gè)檢測(cè)裝置的檢測(cè)靈敏度最高。

2)該旋轉(zhuǎn)裝置的探頭繞鉚釘旋轉(zhuǎn)，在檢測(cè)多層板下鉚釘周邊裂紋時(shí)檢測(cè)穩(wěn)定性強(qiáng)，檢測(cè)效率高，而且能夠減少偽缺陷，提高檢測(cè)效率；對(duì)探頭進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，檢測(cè)靈敏度提高，能夠檢測(cè)到3層板下的1 mm鉚釘周邊裂紋。

[1] 武新軍,張卿,沈功田. 脈沖渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)綜述[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào),2016,37(8):1698-1712.

[2] 楊賓峰,羅飛路,張玉華,等. 脈沖渦流在飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究[J]. 測(cè)量與設(shè)備,2005(12):15-17.

[3] Joubert P Y, Vourc’H E, Tassin A, et al. Source separation technique applied to the detection of subsurface defects in the eddy current NDT of aeronautical lap-joints[J]. NDT & E International,2010,43(7):606-614.

[4] Ramakrishnan R, Jury D. Characterization of defects and damage in rivet holes in a crown lap joint of a commercial aircraft at design service goal[C]//In: Proceedings of the ninth joint FAA/DoD/NASA aging aircraft conference,Atlanta,USA,2006.

[5] Wincheski B, Yu F, Simpon J, et al. Development of SDT sensor based eddy current probe for detection of deep fatigue cracks in multi-layer structure[J]. NDT & E International,2010,43(8):718-725.

[6] Desjardins D R, Vallières G, Whalen P P, et al. Advances in transient (pulsed) eddy current for inspection of Multi-layer aluminum structures in the presence of ferrous fasteners[J]. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation,2012,31:400-407.

[7] Yang G, Dib G, Udpa L, et al. Rotating Field EC-GMR Sensor for Crack Detection at Fastener Site in Layered Structures[J]. IEEE Sensors Journal,2015,15(1):463-470.

[8] Hagemaier D. Eddy current depth of pentration[J]. Materials Evaluation,2004,62(10):1024-1029.

[9] Sophian A, Tian G Y, Taylor D, et al. Design of a pulsed eddy current sensor for detection of defects in aircraft lap-joints[J]. Sensors and Actuators A Physical,2002,101(1-2):92-98.

[10] 鄒國(guó)輝. 飛機(jī)多層鉚接結(jié)構(gòu)脈沖渦流檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 南昌:南昌航空大學(xué),2015:28-38.

[11] 張斌強(qiáng),田貴云,王海濤,等. 脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)的研究[J]. 無(wú)損檢測(cè),2008,30(10):750-753.

[12] 周德強(qiáng),閆向陽(yáng),尤麗華,等. 脈沖渦流矩形傳感器參數(shù)的仿真優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2013,32(5):13-16.

[13] 曹愛(ài)松，付躍文，楊浩. 小徑管周向裂紋脈沖渦流檢測(cè)仿真和試驗(yàn)研究[J]. 失效分析與預(yù)防，2017，12(2)：71-77.