張邦杰

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中機(jī)身是極其復(fù)雜的裝配薄壁件，通常采用鉚接形式將蒙皮、桁梁、隔框等形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)裝配在一起，形成復(fù)雜的多層金屬鉚接結(jié)構(gòu)，該鉚接結(jié)構(gòu)件中常存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致飛機(jī)在服役過(guò)程中易誘發(fā)疲勞裂紋，從而危及飛機(jī)的飛行安全。為此，必須對(duì)飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)件的可靠性、穩(wěn)定性、安全性進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)件的隱藏裂紋進(jìn)行定期有效無(wú)損檢測(cè)與合理評(píng)估，以保證多層鉚接結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。由于超聲檢測(cè)需要耦合劑，且多層鉚接結(jié)構(gòu)間存在間隙，聲波衰減較大，無(wú)法對(duì)其檢測(cè)；射線(xiàn)具有放射性，存在安全隱患，不適應(yīng)于在役檢測(cè)；渦流具有無(wú)需耦合、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但常規(guī)渦流檢測(cè)技術(shù)只適用于金屬表面缺陷的檢測(cè)，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)是近些年發(fā)展的一種無(wú)損檢測(cè)方法，它具有檢測(cè)深度深、檢測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部隱藏缺陷并對(duì)其定量評(píng)價(jià)。

安剛等[1]提出利用應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)全尺寸飛機(jī)疲勞裂紋的方法，已在多個(gè)型號(hào)全尺寸飛機(jī)疲勞試驗(yàn)中得到應(yīng)用，但存在應(yīng)變片粘貼位置與方向極為敏感的現(xiàn)象，且需要大量使用應(yīng)變片。田云飛等[2]將紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)蒙皮搭接結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，利用溫度場(chǎng)的異常來(lái)識(shí)別搭接構(gòu)件內(nèi)部缺陷，但需要較強(qiáng)的激勵(lì)熱源?？到ㄖ械萚3]針對(duì)飛機(jī)發(fā)生多起鉚釘脫落打壞發(fā)動(dòng)機(jī)故障問(wèn)題，采用常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)鉚釘內(nèi)部故障缺陷，但存在不同情況波形差異較大，使得缺陷的判斷較為復(fù)雜。彭智偉等[4]開(kāi)展了鉚接結(jié)構(gòu)孔邊超聲原位檢測(cè)試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了縱波斜探頭和對(duì)比試塊，分析了裂紋走向和有效寬度會(huì)對(duì)超聲波信號(hào)產(chǎn)生影響。王丹等[5]通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)飛機(jī)金屬鉚接部件的疲勞斷裂過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，成功監(jiān)測(cè)到了疲勞裂紋的產(chǎn)生，獲得了疲勞裂紋萌生的重要參數(shù)。徐矛等[6]采用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)飛機(jī)蒙皮鉚釘孔進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了在機(jī)身A框外蒙皮鉚釘孔邊出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋，但對(duì)于多層金屬鉚接構(gòu)件的隱藏缺陷難以被檢出。劉兆江[7]根據(jù)激勵(lì)頻率與滲透深度的關(guān)系曲線(xiàn)，進(jìn)而利用低頻渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)出長(zhǎng)桁構(gòu)件的近表面裂紋缺陷。鄒國(guó)輝等[8-9]采用雙激勵(lì)線(xiàn)圈激勵(lì)隧道磁阻傳感器接收的脈沖渦流檢測(cè)新型探頭對(duì)多層金屬鉚接構(gòu)件隱藏缺陷實(shí)施檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)激勵(lì)線(xiàn)圈繞制 180匝、兩激勵(lì)線(xiàn)圈間距為20～30 mm、單個(gè)線(xiàn)圈水平夾角為60°～90°探頭的檢測(cè)靈敏度最大。Palanisamy等[10-11]將有限元技術(shù)應(yīng)用到RFECT的研究中，利用有限元數(shù)值分析技術(shù)驗(yàn)證了T.R.Schmidt的假說(shuō)，預(yù)測(cè)了不同軸對(duì)稱(chēng)試驗(yàn)幾何形狀、材料特性和激勵(lì)頻率下傳感器線(xiàn)圈輸出的幅值和相位。Reimche等[12]對(duì)接焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，獲得了深層裂紋缺陷的信號(hào)。張武波[13]將常規(guī)渦流與遠(yuǎn)場(chǎng)渦流相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了常規(guī)/遠(yuǎn)場(chǎng)復(fù)合式渦流檢測(cè)系統(tǒng)，利用系統(tǒng)對(duì)板類(lèi)材料進(jìn)行檢測(cè)，成功的檢測(cè)出了平板背面的不同類(lèi)型的缺陷。張超等[14]從仿真的角度研究了不同結(jié)構(gòu)的低頻平面遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭模型，比較了空芯、聚磁板、連通磁路3種磁路的聚磁效果，同時(shí)計(jì)算了過(guò)渡區(qū)、遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的遠(yuǎn)近，得出了采用連通磁路結(jié)構(gòu)的探頭的檢測(cè)靈敏度較高，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)距激勵(lì)線(xiàn)圈較近。以上研究雖開(kāi)展了飛機(jī)蒙皮鉚釘孔缺陷探索性研究，但對(duì)于多層金屬鉚接構(gòu)件隱藏缺陷檢測(cè)效果尚不理想，需要進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化研究。

本研究以多層金屬鉚接構(gòu)件隱藏缺陷為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并優(yōu)化遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器的激勵(lì)/檢測(cè)線(xiàn)圈匝數(shù)、距離等參數(shù)，研究檢測(cè)模塊屏蔽層間隙對(duì)傳感器頻率特性的影響，利用搭建的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鉚接件試塊進(jìn)行檢測(cè)，分析不同埋深缺陷的信號(hào)特征，根據(jù)試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果，可對(duì)埋深缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

1 環(huán)形遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理

環(huán)形遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器是激勵(lì)/檢測(cè)線(xiàn)圈同軸傳感器，檢測(cè)線(xiàn)圈位于激勵(lì)線(xiàn)圈內(nèi)部有效檢測(cè)區(qū)域，且嵌套在激勵(lì)線(xiàn)圈內(nèi)，使之激勵(lì)/檢測(cè)線(xiàn)圈在同一個(gè)環(huán)形上，當(dāng)激勵(lì)線(xiàn)圈激發(fā)磁場(chǎng)后，電磁場(chǎng)能量從激勵(lì)線(xiàn)圈到檢測(cè)線(xiàn)圈的傳輸通道有2個(gè)：一是直接耦合通道，渦流場(chǎng)經(jīng)圖1所示導(dǎo)體的上表面和近表面?zhèn)鲗?dǎo)到達(dá)檢測(cè)線(xiàn)圈，此為常規(guī)渦流檢測(cè)；二是間接耦合通道，渦流場(chǎng)先穿過(guò)圖1所示導(dǎo)體的內(nèi)部和下表面向前傳導(dǎo)并再次穿過(guò)導(dǎo)電平板被檢測(cè)線(xiàn)圈拾取，此為遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)，屏蔽直接耦合通道能量，接收間接耦合能量，檢測(cè)原理如圖1所示，檢測(cè)線(xiàn)圈通過(guò)接收蘊(yùn)含缺陷信息的感應(yīng)電壓即可評(píng)價(jià)構(gòu)件缺陷。

圖1 環(huán)形遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)原理Fig.1 Principle of far field eddy current testing of flat conductor

2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器參數(shù)的優(yōu)化

2.1 激勵(lì)/檢測(cè)單元

檢測(cè)線(xiàn)圈的放置位置對(duì)檢測(cè)靈敏度有較大的影響，檢測(cè)線(xiàn)圈采用上下差動(dòng)，2個(gè)線(xiàn)圈采用差動(dòng)反接，對(duì)于缺陷感應(yīng)較高，檢測(cè)靈敏度也相應(yīng)提高（圖2a）。差動(dòng)線(xiàn)圈的距離影響著渦流場(chǎng)的分布，在線(xiàn)圈匝數(shù)、線(xiàn)徑相同的條件下，保持頻率為300 Hz，在工件厚度為5 mm的條件下，同一個(gè)缺陷檢測(cè)，檢測(cè)線(xiàn)圈放置不同距離的檢測(cè)信號(hào)如圖2b所示。

圖2 檢測(cè)信號(hào)對(duì)比Fig.2 Excitation/detection of coils schematics

由圖2b可以看出：在檢測(cè)線(xiàn)圈距離為0～6 mm時(shí)，隨著距離的增大，檢測(cè)幅值的初值和終值都在減小，檢測(cè)變化量同時(shí)也在減小；當(dāng)檢測(cè)線(xiàn)圈距離為6～7 mm時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的終值、初值急劇下降，減小的幅度分別為1.68%、0.96%，而檢測(cè)幅值的變化量在增大，增大的幅度為0.72%；當(dāng)檢測(cè)線(xiàn)圈距離為7～9 mm時(shí)，檢測(cè)幅值的變化量、初值在減小，檢測(cè)線(xiàn)圈的終值在增大。分析試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)線(xiàn)圈間距為7 mm時(shí)，檢測(cè)效果最佳。

由于傳感器檢測(cè)線(xiàn)圈接收的是遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)信號(hào)，獲取的線(xiàn)圈電壓比較微弱，通過(guò)增大激勵(lì)的線(xiàn)圈的匝數(shù)進(jìn)而使渦流場(chǎng)增大，從而檢測(cè)信號(hào)也隨之增大，保持激勵(lì)頻率為300 Hz，當(dāng)激勵(lì)線(xiàn)圈的匝數(shù)分別為500、800、1 000、1 200，檢測(cè)信號(hào)如圖3所示。

由圖3可知，隨著線(xiàn)圈匝數(shù)的增加感應(yīng)電壓進(jìn)一步增大，這是由于線(xiàn)圈匝數(shù)的增加可以感生出更強(qiáng)的渦流場(chǎng)，進(jìn)而增強(qiáng)間接耦合的能量，因此，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，線(xiàn)圈的匝數(shù)應(yīng)盡可能越大越好，對(duì)于提高檢測(cè)靈敏度起著重要作用。激勵(lì)線(xiàn)圈的匝數(shù)分別為500、800、1 000、1 200時(shí)，檢測(cè)信號(hào)分別為 3.04、3.20、3.36、3.52 V，線(xiàn)圈匝數(shù)越多，則感應(yīng)的磁場(chǎng)越大，考慮到傳感器結(jié)構(gòu)以及激勵(lì)電流的影響，優(yōu)選線(xiàn)圈匝數(shù)為1 000。

圖3 檢測(cè)幅值Fig.3 Shielding layer

2.2 檢測(cè)模塊屏蔽層間隙對(duì)傳感器頻率特性的影響

激勵(lì)、檢測(cè)線(xiàn)圈保持相對(duì)不變，由信號(hào)發(fā)生器提供激勵(lì)信號(hào)，設(shè)置激勵(lì)電壓峰值為10 V，將傳感器放置于厚度為5 mm的鋁板上，改變檢測(cè)模塊屏蔽層之間的間隙，研究屏蔽層間隙與激勵(lì)頻率的關(guān)系，檢測(cè)線(xiàn)圈輸出的電壓信號(hào)如圖4所示。

由圖4可知：當(dāng)激勵(lì)頻率在0～200 Hz、屏蔽模塊間隙為4 mm時(shí)，檢測(cè)幅值變化最大；而激勵(lì)頻率在200～1 000 Hz、屏蔽模塊的間隙為5 mm時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈的電壓幅值最大。綜合檢測(cè)傳感器的性能，當(dāng)檢測(cè)模塊間隙為5 mm時(shí)，相應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器性能最佳。

圖4 檢測(cè)幅值變化量Fig.4 Detection amplitude change

3 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)鉚接件隱藏缺陷試驗(yàn)研究

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、優(yōu)化后的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器、濾波器、前置放大器、鎖相放大器、功率放大器、計(jì)算機(jī)組成。激勵(lì)頻率為300 Hz，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，輸出激勵(lì)信號(hào)的幅值電壓為10 V，輸入到鎖相放大器中實(shí)現(xiàn)檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位的提取，試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)圖Fig.5 Detection system diagram

設(shè)計(jì)并制作鉚接結(jié)構(gòu)試塊，在材料為6065的鋁板上加工裂紋缺陷。鋁板共 13 層，每層的尺寸為（長(zhǎng)×寬×厚）460 mm×360 mm×1 mm，在最底層的鋁板上加工長(zhǎng)20 mm、寬0.5 mm、深1 mm的裂紋缺陷，且裂紋穿透鋁板，其埋深分別為8、10、13 mm，裂紋傾斜角度為45°。多層板結(jié)構(gòu)層間裂紋缺陷示意圖如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，研究不同深度裂紋缺陷信號(hào)變化規(guī)律。

圖6 實(shí)物圖Fig.6 Physical picture

由圖7可知，當(dāng)傾斜角度為45°時(shí)，檢測(cè)探頭經(jīng)過(guò)缺陷，幅值特性、相位特性呈現(xiàn)出單峰信號(hào)，可根據(jù)幅值特性或相位特性特性準(zhǔn)確定位缺陷。在2～6 s的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)埋深為8 mm時(shí)，檢測(cè)電壓幅值從2 mV增大到14 mV，增大的幅度為12%，相位從0°降到?6°，減少的幅度為6%，說(shuō)明遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭檢測(cè)鉚接板隱藏裂紋的可行性。

圖7 裂紋傾斜角度為45°的檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Testing result of crack angle for 45°

在材料為6065的鋁板上加工盲孔缺陷。鋁板共 10 層，同樣每層的尺寸為（長(zhǎng)×寬×厚）460 mm×360 mm×1 mm，在其中1塊鋁板上加工圓孔缺陷，且圓孔穿透鋁板，多層金屬板結(jié)構(gòu)層間圓孔缺陷示意圖如圖8所示。為了研究不同孔徑缺陷信號(hào)變化規(guī)律，圓孔缺陷的孔徑分別為10、20 mm，深度均為1 mm，可以通過(guò)人工拆卸的辦法來(lái)將含缺陷鋁板置于不同的層次，用來(lái)模擬不同深度的盲孔缺陷。

在試樣上分別疊加4、5、7、9、10層的鋁板。檢測(cè)鋁板不同孔徑的盲孔缺陷，沿著掃查方向，激勵(lì)線(xiàn)圈在前、檢測(cè)線(xiàn)圈在后，進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，探頭移動(dòng)保持勻速，檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖8 盲孔鋁板試樣Fig.8 Aluminum plate sample with hole defects

圖9a、圖9b的試驗(yàn)結(jié)果表明，幅值特性、相位特性都呈現(xiàn)單峰信號(hào)，且隨著金屬鋁板厚度不斷增加，幅值和相位信號(hào)逐漸變小，當(dāng)缺陷埋深為10 mm時(shí)，檢測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)的渦流場(chǎng)較弱，相位的波動(dòng)較小，靈敏度低。由圖9a、圖9b可見(jiàn)，信號(hào)幅值所表現(xiàn)的檢測(cè)線(xiàn)圈感應(yīng)到渦流變化現(xiàn)象要強(qiáng)于相位。分析圖9c、圖9d可知，幅值呈現(xiàn)出向上的單峰信號(hào)，而相位僅在厚度為4、5、7 mm時(shí)出現(xiàn)單峰信號(hào)，隨著厚度增加，相位的變化逐漸變小。對(duì)于不同孔徑缺陷，渦流有不同的感應(yīng)信號(hào)，且孔徑越大，幅值相位越大，突變程度越明顯，較無(wú)缺陷處會(huì)存在明顯相位差，可清晰地區(qū)分出缺陷信號(hào)特征。利用該研制的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器成功檢測(cè)出厚度為10 mm金屬板下的盲孔，充分驗(yàn)證了研制的檢測(cè)傳感器的可行性與穩(wěn)定性。

圖9 盲孔缺陷檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Blind hole defect detection results

4 結(jié)論

1）激勵(lì)線(xiàn)圈匝數(shù)越多，感應(yīng)磁場(chǎng)越大，考慮到探頭結(jié)構(gòu)、激勵(lì)電流的影響，優(yōu)選線(xiàn)圈匝數(shù)為1 000匝，可實(shí)現(xiàn)較好的檢測(cè)幅值特性。當(dāng)線(xiàn)圈相距為7 mm的時(shí)候，檢測(cè)信號(hào)幅值變化較大，效果最佳，優(yōu)化了線(xiàn)圈的距離。

2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)隱藏缺陷的檢測(cè)，根據(jù)幅值或相位信號(hào)精確的定位缺陷，最終設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)10 mm 厚金屬板結(jié)構(gòu)下裂紋缺陷的定位檢測(cè)。缺陷定量化需要進(jìn)一步的研究。

3）研究多層金屬板試樣缺陷在幅值、相位信號(hào)的變化規(guī)律，不同孔徑、深度對(duì)于渦流信號(hào)的擾動(dòng)影響，有利于進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償調(diào)整，進(jìn)一步優(yōu)化缺陷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。