徐鏡洲 張涵茹

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,陜西 西安 710089）

隨著我國(guó)航空科技水平的不斷提高，對(duì)于飛機(jī)的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)提出了越來(lái)越高的性能要求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓氣機(jī)和渦輪等核心部件中包含了許多形狀弧面各不相同的葉片，其不僅承受著巨大的氣動(dòng)載荷和機(jī)械載荷，同時(shí)還會(huì)受到高溫燃?xì)獾难趸透g[1-2]，因此極易發(fā)生失效現(xiàn)象。事實(shí)上，如何科學(xué)地檢測(cè)葉片的缺陷一直是一項(xiàng)技術(shù)難題。

渦流檢測(cè)對(duì)表面疲勞裂紋和亞表面腐蝕缺陷非常敏感[3]，探頭可根據(jù)實(shí)際檢測(cè)環(huán)境設(shè)計(jì)成不同樣式，且無(wú)須耦合，較易實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)自動(dòng)化。

隨著科技水平的不斷提高，渦流檢測(cè)技術(shù)得到了持續(xù)改進(jìn)，新型檢測(cè)方法不斷涌現(xiàn)，如脈沖渦流檢測(cè)（PET）[1]、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)、陣列渦流檢測(cè)[5]、多頻渦流檢測(cè)等[4-5]。

本文基于常規(guī)渦流檢測(cè)原理，并結(jié)合新型渦流檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)并分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)原理

1.1 常規(guī)渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)的本質(zhì)是檢測(cè)線圈與被檢工件之間的互感耦合，其原理圖如圖1所示。激勵(lì)線圈流過(guò)某一頻率的交變信號(hào)，其周圍會(huì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)并進(jìn)入工件。工件相當(dāng)于帶有一定內(nèi)阻的次級(jí)線圈，其與激勵(lì)線圈相互耦合，產(chǎn)生感生渦流，受耦合效果及工件內(nèi)部參數(shù)變化的影響激發(fā)出新的感生磁場(chǎng)傳遞給檢測(cè)線圈，以電壓的形式送回檢測(cè)儀。探頭在無(wú)缺陷處掃查接收到的是一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，當(dāng)移動(dòng)到缺陷處時(shí)，缺陷處的感生渦流發(fā)生畸變，其激發(fā)的感生磁場(chǎng)也相應(yīng)改變，相當(dāng)于接收到了一個(gè)突變信號(hào)。

圖1 渦流檢測(cè)原理圖

磁場(chǎng)強(qiáng)度（即渦流密度）總是集中于導(dǎo)體表面，隨著深度的增加渦流也很快地衰減，而這種衰減是按照一定的指數(shù)關(guān)系衰減，這一現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。根據(jù)半無(wú)限平面導(dǎo)體中的電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組出發(fā)可以得到一個(gè)滲透深度的公式：

式（1）中：δ——滲透深度，單位為m；

μ——導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，單位為H/m；

σ——導(dǎo)體的電導(dǎo)率，單位為S/m；

f——激勵(lì)的頻率，單位為Hz。

應(yīng)用點(diǎn)式探頭檢測(cè)時(shí)，線圈與工件之間的距離變化會(huì)引起檢測(cè)線圈阻抗的變化，這種現(xiàn)象被稱為提離效應(yīng)；當(dāng)探頭移至工件邊緣時(shí)，渦流流動(dòng)的路徑會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致工件邊緣處的渦流密度急劇增加，這種現(xiàn)象叫作邊緣效應(yīng)。這兩種效應(yīng)是檢測(cè)中常見(jiàn)的干擾來(lái)源。

1.2 多頻渦流檢測(cè)

常規(guī)渦流檢測(cè)的核心是由福斯特提出的阻抗分析法[3]，即分析檢測(cè)線圈的等效阻抗，通過(guò)阻抗平面圖中工作點(diǎn)的變化反映缺陷的存在。多頻渦流檢測(cè)技術(shù)是由美國(guó)科學(xué)家利比（Libby）于1970年首先提出的，其目的是有效抑制多個(gè)干擾因素，盡可能多地提取所需要的信號(hào)[3]。信號(hào)發(fā)生器首先產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的激勵(lì)，分別傳送到信號(hào)輸出電路和相敏檢波器。線圈接收到激勵(lì)信號(hào)，將檢測(cè)試件得到的反饋信號(hào)送回信號(hào)輸出電路，經(jīng)選頻放大器對(duì)兩個(gè)頻率的信號(hào)分別放大，再分別送至各自的相敏檢波器。相敏檢波器采用實(shí)時(shí)檢波，將接收到的單頻調(diào)制放大信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器提供的激勵(lì)信號(hào)相互比對(duì)，由此得出對(duì)應(yīng)的兩個(gè)正交矢量系數(shù)C1，C2與C3，C4。最后將這幾個(gè)系數(shù)送給轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)加權(quán)、加減等計(jì)算后實(shí)現(xiàn)參數(shù)分離，得到各參數(shù)獨(dú)立影響下的信號(hào)q1、q2、q3、q4。如圖2 所示。

圖2 雙頻渦流檢測(cè)原理圖

2 發(fā)動(dòng)機(jī)葉片多頻渦流檢測(cè)平臺(tái)的搭建

2.1 試塊的制備

本文主要研究對(duì)象為帶有自然缺陷的鋁合金壓氣機(jī)一級(jí)轉(zhuǎn)子葉片。圖3為葉片表面缺陷草圖，具體參數(shù)如表1所示。

表1 缺陷參數(shù)及類型

圖3 葉片表面缺陷草圖

2.2 檢測(cè)探頭的選擇

渦流檢測(cè)中常見(jiàn)的探頭包括穿過(guò)式探頭和放置式探頭。穿過(guò)式探頭適合于管、棒、線材的檢測(cè)；對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片這類非規(guī)則形狀零件，顯然應(yīng)該選用放置式探頭進(jìn)行檢測(cè)[2-6]。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片多頻渦流檢測(cè)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)選用EEC-35+多頻渦流檢測(cè)儀對(duì)試塊上的缺陷進(jìn)行測(cè)試。

被測(cè)試塊表面存在弧度，且厚度不均，因此，探頭沿不同路徑掃查同一缺陷時(shí)靈敏度往往會(huì)有所不同，為了更好地對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，采用了不同的檢測(cè)路徑（見(jiàn)圖4），每條路徑分別對(duì)應(yīng)了不同的干擾因素，具體路徑及其對(duì)應(yīng)的干擾因素如表2所示。

表2 探頭掃查路徑及其對(duì)應(yīng)的干擾因素

圖4 探頭掃查路徑

試驗(yàn)所檢測(cè)的葉片為非鐵磁性材料，因此可以選擇較高的頻率以提高缺陷的檢測(cè)靈敏度。采用放置式探頭時(shí)具體的特征頻率計(jì)算公式[7-8]如下：

式（2）中σ為葉片電導(dǎo)率，rb為線圈半徑。鋁合金的電導(dǎo)率范圍在25～65 mS/m以內(nèi)。試驗(yàn)所用的兩種探頭檢測(cè)線圈半徑均為5 mm。因此可計(jì)算得出特征頻率為（33～86）kHz。

表面裂紋的最佳頻率比為10～50 MHz[4]，因此檢測(cè)頻率大致可以取0.33～4 MHz。

探頭沿各條路徑掃過(guò)試塊，調(diào)節(jié)合適的頻率，使缺陷信號(hào)與干擾信號(hào)有足夠的相位差，再調(diào)節(jié)相位將干擾信號(hào)旋轉(zhuǎn)至水平位置，最后調(diào)節(jié)增益使缺陷信號(hào)達(dá)到一定的幅度。

（1）1、2號(hào)路徑掃查結(jié)果（見(jiàn)圖5）。

圖5 1號(hào)路徑（左）和2號(hào)路徑（右）單頻掃查信號(hào)

檢測(cè)參數(shù)如表3所示。

表3 沿1、2號(hào)路徑單頻掃查參數(shù)

由圖5左圖可以看出，葉片的弧面和提離效應(yīng)所引起的阻抗變化基本重合，缺陷信號(hào)可以明顯得到區(qū)分，因此無(wú)須混頻。同時(shí)可以看到信號(hào)增益達(dá)到了37 dB，在單頻檢測(cè)中該增益值偏高，這表明該路徑下差動(dòng)式探頭對(duì)c缺陷的檢測(cè)靈敏度較低。

由圖5右圖可以看出，2號(hào)路徑存在一定的厚度變化，但這一變化并沒(méi)有在阻抗圖上很好地體現(xiàn)出來(lái)。圖中的水平信號(hào)是探頭左右擺動(dòng)造成的提離效應(yīng)，其與缺陷信號(hào)在相位上有明顯的區(qū)分，同樣無(wú)須再混頻。將圖5左右圖進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在缺陷幅度較小的情況下2號(hào)路徑所需的增益反而更大，這也表面探頭沿裂紋方向的掃查靈敏度略低于垂直方向的靈敏度。

（2）3號(hào)路徑掃查結(jié)果（見(jiàn)圖6）。

圖6 3號(hào)路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號(hào)（右）

檢測(cè)參數(shù)如表4所示。

探頭沿3號(hào)路徑掃查到葉尖處容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，由圖6左圖可知，邊緣效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重影響了缺陷的判斷，而且開(kāi)口極大，即使調(diào)整相位將其旋轉(zhuǎn)到水平位置依然有可能觸碰警報(bào)線，因此需首先采用混頻對(duì)其進(jìn)行抑制。將S2頻率設(shè)置為208 kHz，波門框住時(shí)基圖中的邊緣效應(yīng)部分，點(diǎn)擊混頻按鈕，儀器中的轉(zhuǎn)換電路將對(duì)S1、S2通道下的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行矢量相加減，使邊緣效應(yīng)部分正好達(dá)到幅度相等，相位相反?；祛l后的信號(hào)如圖6右圖所示。

混頻后圖中只剩下缺陷信號(hào)和提離信號(hào)，邊緣效應(yīng)基本被濾除。對(duì)比S1和MIX的檢測(cè)信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)缺陷達(dá)到同樣幅值時(shí)混頻信號(hào)所需的增益更大，這是因?yàn)閷?shí)際檢測(cè)中邊緣效應(yīng)和缺陷信號(hào)并非完全獨(dú)立互不影響，缺陷信號(hào)中往往也會(huì)包含一些邊緣信號(hào)分量，邊緣信號(hào)的變化同樣也會(huì)對(duì)缺陷信號(hào)產(chǎn)生微小的影響。試驗(yàn)儀轉(zhuǎn)換電路的混頻計(jì)算一般采用線性算法，觀察圖6左圖中的邊緣信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)圖像呈寬8字形，里面包含了相當(dāng)多的線性分量，其中一部分與缺陷信號(hào)的線性分量重合。因此混頻后也會(huì)有少量的缺陷信號(hào)被抵消，使缺陷信號(hào)幅度有所減小。

（3）4號(hào)路徑掃查結(jié)果（見(jiàn)圖7）。

圖7 4號(hào)路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號(hào)（右）

檢測(cè)參數(shù)如表5所示。

表5 4號(hào)路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

4號(hào)路徑采用從上到下的掃查方式，探頭移動(dòng)過(guò)程中弧面變化明顯，始終靠近葉尖，也容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。圖7左圖中水平方向?yàn)榛∶娓蓴_信號(hào)，其與兩個(gè)缺陷信號(hào)可以較為清晰地分離開(kāi)來(lái)，但邊緣效應(yīng)超過(guò)了報(bào)警域，容易被誤認(rèn)為缺陷信號(hào)，需要通過(guò)混頻來(lái)抑制。圖7右圖為抑制后的阻抗平面圖。

混頻后兩個(gè)缺陷信號(hào)基本上被分離了出來(lái)，同3號(hào)路徑一樣，混頻后缺陷信號(hào)的幅度有所下降，但可以發(fā)現(xiàn)這一次圖中的邊緣效應(yīng)雖然有所減弱，但并沒(méi)有被完全濾除，這主要是因?yàn)?號(hào)路徑始終貼近葉尖，探頭在移動(dòng)過(guò)程中無(wú)時(shí)無(wú)刻不受到邊緣效應(yīng)的影響，且由于弧面的存在以及厚度的微小變化，探頭在不同位置受到的邊緣干擾會(huì)有所不同，因此一次混頻很難將所有邊緣干擾全部消除。3號(hào)路徑只有探頭最后滑至葉尖的瞬間會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，因此更容易被消除。

（4）5號(hào)路徑掃查結(jié)果（見(jiàn)圖8）。

圖8 5號(hào)路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號(hào)（右）

檢測(cè)參數(shù)如表6所示。

表6 5號(hào)路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

由圖8左圖可知，探頭沿5號(hào)路徑從右向左滑動(dòng)時(shí)除了會(huì)受到提離效應(yīng)的干擾，在探頭到達(dá)最左端的一瞬間也很有可能存在榫頭效應(yīng)的影響。圖8右圖很好地證明這一點(diǎn)，圖中的c缺陷信號(hào)、榫頭信號(hào)和提離信號(hào)均存在一定的相位差。為了更好地分辨出缺陷信號(hào)，采用混頻對(duì)榫頭信號(hào)進(jìn)行抑制，由圖8可以看出，混頻后榫頭效應(yīng)基本被抑制，缺陷信號(hào)可以明顯地分辨出來(lái)。

（5）6號(hào)路徑掃查結(jié)果（見(jiàn)圖9）。

檢測(cè)參數(shù)如表7所示。

表7 6號(hào)路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

由圖9左圖可知，缺陷e位于葉背貼近榫頭處，沿6號(hào)路徑葉片的曲率變化較大，理論上會(huì)出現(xiàn)榫頭信號(hào)、提離效應(yīng)等干擾，實(shí)際上在圖中并未發(fā)現(xiàn)明顯的榫頭信號(hào)，這可能是因?yàn)殚绢^在縱向上屬于緩變信號(hào)。對(duì)于差動(dòng)式探頭，當(dāng)其沿著縱向移動(dòng)時(shí)，兩檢測(cè)線圈始終會(huì)接收兩個(gè)相近的榫頭信號(hào)，因此抵消后的差動(dòng)信號(hào)很小，很難在圖像上反映出來(lái)。與4、5號(hào)路徑一樣，需要通過(guò)混頻消除探頭移至進(jìn)氣邊時(shí)產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)?；祛l后缺陷信號(hào)如圖9右圖所示。

圖9 6號(hào)路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號(hào)（右）

可以看到邊緣干擾基本被濾除。需要注意的是在探頭剛開(kāi)始移動(dòng)的地方出現(xiàn)了一個(gè)疑似榫頭信號(hào)，可能是因?yàn)榇颂庨绢^形變較大引起了阻抗突變，這一干擾總體上不影響缺陷的判斷。

4 未來(lái)展望

在飛機(jī)制造過(guò)程中，為了提高檢測(cè)效率，往往直接進(jìn)行原位檢測(cè)，而傳統(tǒng)的筆式探頭檢測(cè)時(shí)必須要有足夠大的操作空間，否則難以實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)部位的完全耦合。目前使用得最普遍的原位檢測(cè)方法是內(nèi)窺鏡檢測(cè)法，可以仿照內(nèi)窺式檢測(cè)探頭的設(shè)計(jì)，將檢測(cè)線圈裝在探頭前端，然后通過(guò)操作控制手柄使探頭前端深入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部檢測(cè)。在設(shè)計(jì)時(shí)可以保留原有的內(nèi)窺鏡，其不僅能夠確定探頭和檢測(cè)線圈目前的位置，也可以與線圈同時(shí)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。為提高檢測(cè)效率，甚至實(shí)現(xiàn)批量檢測(cè)，可以增加檢測(cè)儀的檢測(cè)通道，在上面連接多個(gè)檢測(cè)探頭，對(duì)多個(gè)葉片并行檢測(cè)。還可將操作控制手柄改為機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過(guò)編程規(guī)定好探頭的行進(jìn)路線，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化檢測(cè)。

整個(gè)試驗(yàn)中僅僅對(duì)缺陷進(jìn)行了定位分析，對(duì)于裂紋深度、寬度對(duì)缺陷信號(hào)的影響也僅僅局限于定性的認(rèn)識(shí)，難以對(duì)其實(shí)現(xiàn)定量。要實(shí)現(xiàn)缺陷的定量，必須要制作刻有不同深度缺陷的對(duì)比試樣，并繪制標(biāo)定曲線。這也是今后試驗(yàn)中可以具體研究的內(nèi)容。