(中航貴州飛機(jī)有限責(zé)任公司, 安順 561016)

某部隊(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)電機(jī)彈性軸(見圖1)在使用過程中發(fā)生斷裂，經(jīng)專家分析，該彈性軸在安裝時(shí)存在同軸度裝配誤差，從而發(fā)生了扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂(見圖2)。

圖1 發(fā)電機(jī)彈性軸實(shí)物圖片及尺寸示意

圖2 斷裂的彈性軸宏觀形貌

為及早檢查該彈性軸的缺陷情況，需要對(duì)該型在役飛機(jī)的彈性軸進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。但由于該彈性軸絕大部分均安裝在其他構(gòu)件內(nèi)部，僅端頭部分露在外面，拆卸困難，離位難度較大，部隊(duì)無(wú)能力對(duì)該軸進(jìn)行拆裝，因此只能進(jìn)行原位檢測(cè)。而正因?yàn)槠鋬H端頭部分露在外面，原位檢測(cè)無(wú)法采用目視和滲透檢測(cè)方式，故只能采用超聲波方法從端頭進(jìn)行檢測(cè)，超聲波聲束傳播路徑示意如圖3所示。

圖3 超聲波聲束傳播路徑示意

1 對(duì)比試樣的制作

根據(jù)該軸的失效頻次(4次)及斷口斷裂模式，金相專家分析認(rèn)為,該軸的失效方式為周向扭轉(zhuǎn)斷裂，因此周向裂紋應(yīng)當(dāng)是無(wú)損檢的測(cè)的重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。為確定超聲波檢測(cè)的相關(guān)檢測(cè)參數(shù)，須先制作相應(yīng)的試樣，制作時(shí)，取兩根彈性軸，其牌號(hào)、熱處理狀態(tài)等與無(wú)人機(jī)彈性軸的一致。在刻傷之前先對(duì)該試樣進(jìn)行超聲波、磁粉及射線檢測(cè)，以確定不存在影響判斷的缺陷。由于試驗(yàn)需對(duì)大約160 mm長(zhǎng)的螺桿部分進(jìn)行檢測(cè)，故為了保證檢測(cè)的靈敏度及分辨率，需在螺桿端頭(距檢測(cè)面15 mm處)、尾部(距檢測(cè)面160 mm處)及缺陷集中的位置(距檢測(cè)面90 mm處)分別刻制周向人工缺陷，而且為了防止缺陷反射信號(hào)的互相干擾，人工缺陷的相位應(yīng)不同。

由于此次檢測(cè)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員要求能檢測(cè)出寬0.2 mm，槽深1 mm的裂紋類缺陷。對(duì)比試樣上的人工缺陷的分布如圖4所示，具體為：

① 在距檢測(cè)面15 mm處刻一個(gè)寬0.2 mm，槽深1 mm的缺陷,標(biāo)為缺陷1；② 試樣偏轉(zhuǎn)120°，在距檢測(cè)面90 mm處刻同樣的缺陷，標(biāo)為缺陷2；③ 再 偏轉(zhuǎn)120°，在距檢測(cè)面160 mm處刻同樣的缺陷，標(biāo)為缺陷3。

圖4 對(duì)比試樣結(jié)構(gòu)示意

2 檢測(cè)方法的確定

由于該零件隱藏在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，僅端頭露出，因此，選擇縱波直探頭從端頭垂直入射。從圖3可知，端頭內(nèi)徑為φ7 mm，因此選擇直徑為φ6 mm的探頭進(jìn)行檢測(cè)，頻率選擇1 MHz～10 MHz。

常規(guī)探頭超聲波檢測(cè)效果如圖5所示，從圖5可以看出，其檢測(cè)效果不理想，難以發(fā)現(xiàn)缺陷,原因有以下幾點(diǎn)：① 端頭接觸面積小，小直徑探頭的半擴(kuò)散角大，聲能小，靈敏度低；② 由于彈性軸直徑小，側(cè)壁干擾嚴(yán)重，所以雜波較多，分辨率低；③ 單一晶片既發(fā)射又接收，盲區(qū)大，導(dǎo)致靠近端部的缺陷不能檢出。

圖5 常規(guī)探頭超聲波檢測(cè)效果圖

由于常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)存在以上弊端，而相控陣超聲技術(shù)采用多晶片探頭，具有聚焦功能,可以對(duì)焦柱的長(zhǎng)度、焦點(diǎn)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化控制,提高了檢測(cè)的分辨率和信噪比[1]。同時(shí)相控陣檢測(cè)儀可控制波束的偏轉(zhuǎn)，使聲束能與缺陷形成一定角度，而且不移動(dòng)探頭也能對(duì)零件進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，對(duì)該軸周向裂紋有很好的檢出率。因此，試驗(yàn)確定采用相控陣檢測(cè)技術(shù)。

3 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)能按照一定的規(guī)則和時(shí)序激發(fā)新的波束,波束的形狀、偏轉(zhuǎn)角度等可以通過調(diào)整激發(fā)晶片的數(shù)量、序列、以及激發(fā)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。而常規(guī)的超聲波檢測(cè)通常采用一個(gè)壓電晶片來產(chǎn)生超聲波,只能產(chǎn)生一個(gè)固定的波束 ,其波形是預(yù)先設(shè)計(jì)的且不能更改。

操作者按需要對(duì)儀器輸入波束角度、焦距、激活波晶片數(shù)量、掃查類型( 扇掃、線掃) 、扇掃的步進(jìn)角度等參數(shù)進(jìn)行采集，根據(jù)這些參數(shù)，利用采集與分析軟件計(jì)算時(shí)間的延遲，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果控制硬件模塊產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，完成完整的相控陣控制。根據(jù)以上原理 ,相控陣超聲技術(shù)能形成 3 種基本的波形進(jìn)行掃查,分別是電子掃查、波束偏轉(zhuǎn)掃查和變深度聚焦掃查(見圖6)。

圖6 相控陣超聲技術(shù)的3種基本波形掃查圖

4 檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定及距離-波幅曲線的制作

4.1 探頭頻率及尺寸

試驗(yàn)采用外徑為6 mm的訂制探頭，型號(hào)為10L16-CA,頻率為5 MHz(因?yàn)轭l率越高,靈敏度越高,分辨率越好；但頻率越高,聲能衰減及側(cè)壁干擾越嚴(yán)重，檢測(cè)盲區(qū)增大。試驗(yàn)采用了1 MHz～10 MHz 多個(gè)頻率的探頭逐一對(duì)比,發(fā)現(xiàn)5MHz探頭綜合效果更好)。

4.2 主要檢測(cè)參數(shù)

檢測(cè)參數(shù)有：檢測(cè)厚度,160 mm(螺桿最大長(zhǎng)度)；材料,鋼;材料中的聲速，5 890 m·s-1；法則配置，扇形掃查；波型，縱波；晶片數(shù)量，16；扇掃描角度，20°(檢測(cè)90 mm缺陷時(shí))/10°(檢測(cè)160 mm缺陷時(shí))/5°(檢測(cè)15 mm缺陷時(shí))；聚焦深度，15 mm/100 mm/160 mm(分段聚焦，保證靈敏度及分辨率)。

圖7 檢測(cè)時(shí)的超聲聲束覆蓋示意圖

4.3 靈敏度校準(zhǔn)

連接檢測(cè)儀，探頭耦合對(duì)比試塊，找到埋深為15,160 mm的人工缺陷的最大回波，將波高調(diào)至80%(相對(duì)滿屏)，取2處缺陷的最大增益作為檢測(cè)靈敏度；此外,彈性軸斷裂位置集中在90 mm處，因此在檢測(cè)時(shí)也要著重觀察90 mm處人工缺陷的靈敏度及分辨率。

5 缺陷判讀與辨識(shí)

各缺陷的A掃及C掃圖如圖810所示。

缺陷判讀與辨識(shí)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

圖8 15 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

圖9 90 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

圖10 160 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

(1) 在檢測(cè)15 mm深的缺陷時(shí)需要加楔塊，因此在判斷時(shí)應(yīng)注意楔塊反射回波的影響(見圖8)，缺陷會(huì)在一次楔塊反射回波后。

(2) 在檢測(cè)90，160 mm深的缺陷時(shí)，應(yīng)注意輪廓回波的影響(見圖9，10)，但輪廓回波的波高不會(huì)超過40%(缺陷波高為80%時(shí))。

(3) 根據(jù)設(shè)計(jì)人員的要求，彈性軸不應(yīng)有裂紋類缺陷，因此使用上述方案檢測(cè)時(shí)，只要有缺陷回波信號(hào)(波高超過80%或底波嚴(yán)重下降)即可認(rèn)定為超標(biāo)缺陷，即認(rèn)定該彈性軸為不能再使用的故障件。

6 結(jié)論

(1) 采用超聲波相控陣技術(shù)能很好地對(duì)彈性軸進(jìn)行原位檢測(cè)，具有較好的靈敏度及分辨率。

(2) 此方法可以推廣到其他需進(jìn)行原位檢測(cè)的零件檢測(cè)中，如機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓。