張海兵，溫德宏

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041；2.海軍裝備部，北京 100071）

航空螺栓是飛機結(jié)構(gòu)的重要連接件，長期運行于高載荷的工作環(huán)境中，許多螺栓不可拆卸或者不便拆卸，只能看到螺栓首尾部分，以致于很多內(nèi)部損傷及裂紋無法直接發(fā)現(xiàn)，一旦螺栓在飛機機動過程中突然斷裂失效，或者在某些關(guān)鍵部位發(fā)生松脫，都將會造成重大的損失，甚至災(zāi)難性后果[1]。

根據(jù)超聲波的基本特性，當(dāng)聲波在傳播過程中遇到介質(zhì)突變面時會產(chǎn)生反射。對于沒有缺陷的螺栓，在檢測時依舊會有很少一部分聲波被螺紋的齒根部位給反射回來，在檢測儀器的顯示屏上可以看到被測螺栓對應(yīng)的螺紋部位會有一些幅值較低的波，適當(dāng)減小聲波增益（能量）后發(fā)現(xiàn)這些波會消失。而對于有缺陷的螺栓，聲波原先的傳播路徑由于缺陷產(chǎn)生的障礙而被切斷了，導(dǎo)致大量的聲波被反射回來，因此在顯示屏上會出現(xiàn)一個波幅遠(yuǎn)高于旁邊齒形波的缺陷波，并由此判斷裂紋是否存在[2]。

盡管超聲檢測技術(shù)已發(fā)展較為成熟，但是面對各種形狀結(jié)構(gòu)及材料的螺栓，超聲檢測過程中也容易出現(xiàn)裂紋波和假信號混淆的困擾。因此，如何準(zhǔn)確選擇檢測參數(shù)以及辨別螺栓檢測過程中的裂紋波和干擾波一直是研究熱點。

1 試驗試塊設(shè)計與制作

為分析航空螺栓超聲檢測中的參數(shù)和波形，本文選取飛機上較為典型的HB8033-14×52×4.5 MJ 螺紋六角頭階梯螺栓作為研究對象。螺栓的結(jié)構(gòu)和尺寸分別如圖1和表1所示。

為更準(zhǔn)確模擬螺栓工作中產(chǎn)生的疲勞裂紋，采用一個完好的螺栓加兩個帶缺陷的螺栓（上端缺陷距離端面約13mm，下端缺陷距離端面約28mm）進(jìn)行試驗比較，依據(jù)GJB 1580A—2004《變形金屬超聲檢驗方法》，當(dāng)平底孔埋藏深度在45～80mm 之間時，平底孔直徑為2mm，由此可計算模擬的缺陷面積為12.56mm2?？紤]到該航空螺栓與普通鋼件材料的差異，為嚴(yán)格檢測要求，制作的人工裂紋尺寸為深2mm，長5mm，相當(dāng)于缺陷面積為10mm2，如圖2所示。

表1 螺栓試驗件主要尺寸Table1 Main dimension of bolt test piece mm

2 檢測試驗參數(shù)設(shè)置

圖1 螺栓試驗件示意圖Fig.1 Schematic diagram of bolt test piece

圖2 試驗用螺栓試塊Fig.2 Test bolt block for test

對螺栓進(jìn)行超聲檢測試驗，選用聲束指向性好、無偏斜的縱波直探頭，分別在螺栓端部進(jìn)行檢測，如圖3所示。為更準(zhǔn)確可靠檢測缺陷，分別選用2MHz-D6mm、2.5MHz-D14mm、4MHz-D10mm、5MHz-D6mm、5MHz-D10mm、5MHz-D14mm、7MHz-D6mm的縱波直探頭對螺栓試塊進(jìn)行檢測，分析不同參數(shù)下的檢測結(jié)果，找出規(guī)律，從而確定最優(yōu)的檢測參數(shù)[3]。

相關(guān)檢測參數(shù)設(shè)置如下：選擇直探頭作為檢測探頭，探頭頻率及晶片尺寸與所用直探頭屬性一致，折射角度為0°/0°，根據(jù)螺栓的材料屬性將本試驗螺栓中的聲波傳播速度設(shè)為5920m/s，探頭前沿設(shè)為0，濾波頻帶設(shè)為5MHz，如圖4所示，此處設(shè)置的探頭頻率為7MHz，晶片尺寸（直徑）為6mm。

3 檢測試驗結(jié)果分析

對于航空螺栓上端缺陷的縱波檢測結(jié)果如圖5所示。其檢測數(shù)據(jù)記錄見表2。

圖3 檢測方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of detection method

圖4 相關(guān)檢測參數(shù)設(shè)置Fig.4 Related detection parameter settings

通過圖5中對試驗件上端缺陷的縱波檢測結(jié)果可看出來，各探頭都能檢測出缺陷的存在，在儀表上依次顯示的為始波（約0mm處）、近端裂紋缺陷波（約13.0mm處）、開口銷孔信號波（約48mm、52mm處）、底波（約56mm處）。通過表2中檢測數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，頻率為2MHz、晶片尺寸為6mm的探頭能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗件缺陷中心的精確定位，誤差僅有0.1mm，且波高占比為57%，說明該缺陷信號比較明顯。

對于試驗件下端缺陷的縱波檢測結(jié)果如圖6所示，其檢測數(shù)據(jù)記錄見表3。通過圖6中對試驗件下端缺陷的縱波檢測結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，各探頭都能檢測出缺陷的存在，在儀表上依次顯示的為始波（約0mm處）、遠(yuǎn)端裂紋缺陷波（約28.0mm處）、螺桿階梯處信號（約40mm處）、開口銷孔上下兩面信號波（約48mm、52mm處）、底波（約56mm處）。通過表3中檢測數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)探頭頻率為2MHz、晶片尺寸為6mm時，實現(xiàn)對試驗件缺陷中心位置的確定，且波高占比高達(dá)76.0%，該缺陷信號非常明顯。其中探頭頻率為5MHz、晶片尺寸為14mm時對裂紋缺陷定位誤差較大，且缺陷波波高占比只有33%，觀察該探頭下的檢測波形可以發(fā)現(xiàn)在0～12mm 都有較高回波信號，究其原因為該探頭尺寸較大，探頭的近場區(qū)較寬，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的雜波。

圖5 試驗件上端缺陷縱波檢測結(jié)果Fig.5 Longitudinal wave results of upper end defect of test piece

圖6 試驗件下端缺陷縱波檢測圖Fig.6 Longitudinal wave detection diagram of lower end defects of test piece

表2 試驗件上端缺陷縱波檢測數(shù)據(jù)結(jié)果表Table2 Tableof Longitudinal wave detection data of upper end defect of test piece

表3 試驗件下端缺陷縱波檢測數(shù)據(jù)結(jié)果表Table3 Tableof Longitudinal wave detection data of lower end defect of test piece

對于完好試驗件的縱波檢測結(jié)果如圖7所示。

圖7 完好試驗件縱波檢測圖Fig.7 Longitudinal wave detection diagram of intact test piece

通過圖7中對完好試驗件的縱波檢測圖像可以發(fā)現(xiàn)，各探頭下的檢測結(jié)果基本一致，儀表上依次顯示始波（約0mm處）、開口銷孔上下兩面信號波（約48mm、52mm處）、底波（約56mm處），其中4MHz-D10mm、5MHz-D6mm、5MHz-D10mm的探頭由于增益均調(diào)制50dB 以上后能顯示出螺桿階梯回波，而5～14mm的探頭由于晶片尺寸較大，探頭的近場區(qū)較寬，導(dǎo)致該區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的雜波，所以在0～12mm范圍內(nèi)出現(xiàn)了在檢測試驗件下端裂紋缺陷時雜波較多的現(xiàn)象。

4 變形波干擾及排除

在用常規(guī)超聲縱波對螺栓試塊進(jìn)行檢測時，經(jīng)常會在底波的前方出現(xiàn)一些異常反射波，一般情況下會輕易將其判斷為裂紋，但在檢測過程中發(fā)現(xiàn)，即使對完好的螺栓試塊檢測時也會存在這樣的反射波，對裂紋波的識別及判斷造成了干擾，由于能量的損失在一定程度上會對檢測結(jié)果造成一定的影響[4]。

從超聲縱波檢測的原理上來看，在彈性介質(zhì)中傳播的常規(guī)超聲縱波一旦在傳播路徑上遇到不同介質(zhì)時，便會由于該處的分界面而發(fā)生反射、折射等，當(dāng)探頭接收到傳回的反射波時，便將其轉(zhuǎn)換成電信號并將其傳輸給儀器，經(jīng)過儀器的內(nèi)部處理后，相應(yīng)的波形就可以顯示于熒光屏上。因此，初步分析該反射波為探頭發(fā)出的聲束進(jìn)入螺栓后擴散并與螺栓側(cè)壁相遇，并產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換成為變形橫波，部分變形橫波直接返回探頭基本上不會引起干擾，但部分變形橫波沿著原發(fā)射路徑回到探頭時，便會形成干擾波[5]，如圖8所示。

若變形橫波有機會直接返回探頭（圖2（a）），由于縱波直探頭對橫波不敏感，基本上不會引起干擾。若一旦變形橫波能由原來的路徑返回側(cè)壁，而再轉(zhuǎn)換為變形縱波返回探頭時（如圖8（b）），就會形成干擾波，該干擾波在熒光屏上所反映的縱波聲程可按式（1）計算：

圖8 變形橫波反射的兩種情況Fig.8 Two cases of variant T-wave reflection

式中，Wl為干擾波所相當(dāng)?shù)目v波聲程；b為縱波聲程；e為變形波的實際聲程；cl為工件中的縱波聲速；ct為工件中的橫波聲速?？v波探傷時，其擴散角一般不大，即擴散聲束對側(cè)壁的入射角接近于90°，可認(rèn)為：

由圖8可以導(dǎo)出：

則

經(jīng)推導(dǎo)可得：

對于上文提到的螺栓，代入縱波及橫波聲速計算，得：

通過以上分析，出現(xiàn)異常反射波是由縱波轉(zhuǎn)變成變形橫波而引起的。在熒光屏上，變形波往往出現(xiàn)在主檢區(qū)的后面，一般不會干擾對主檢區(qū)缺陷波的辨認(rèn)，但該處也易產(chǎn)生裂紋，因此，遇到此情況必需加以仔細(xì)分析才能獲得正確的檢測結(jié)果。

（1）根據(jù)超聲波的傳播特性和以上分析可知，適當(dāng)移動探頭變形波會消失，而裂紋波就不會變化明顯，由此可以判斷是變形波還是裂紋波。

（2）減小頻率，提高超聲聲束的指向性，聲束傳播不到螺栓側(cè)面，變形波不會出現(xiàn)。從試驗結(jié)果來看，在頻率較高時會出現(xiàn)變形波，使用5MHz和7MHz時，缺陷波后面出現(xiàn)了高度較低的變形橫波。