汪榮華，劉文波

(1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210000)

飛機(jī)雙層或多層金屬鉚接或螺接結(jié)構(gòu)是飛機(jī)常見(jiàn)的航空結(jié)構(gòu)，某型飛機(jī)中央翼、中機(jī)身為翼身融合結(jié)構(gòu)，外翼通過(guò)高強(qiáng)螺栓對(duì)接到機(jī)身，同時(shí)中外翼對(duì)接帶板為鋁合金加鈦合金疊加結(jié)構(gòu)的雙層螺栓孔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。飛機(jī)在反復(fù)的飛行和停放過(guò)程中，螺栓孔長(zhǎng)期受到循環(huán)拉、壓、扭等應(yīng)力的作用，對(duì)接帶板螺栓孔極易產(chǎn)生徑向疲勞裂紋，裂紋達(dá)到一定限度后最終將導(dǎo)致嚴(yán)重的航空事故[1]。

圖1 某型飛機(jī)對(duì)接帶板結(jié)構(gòu)形式

據(jù)無(wú)損檢測(cè)學(xué)術(shù)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，在航空航天領(lǐng)域中渦流檢測(cè)使用率甚至已經(jīng)達(dá)到50%。隨著現(xiàn)代航空航天產(chǎn)業(yè)中飛機(jī)老齡化問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，該產(chǎn)業(yè)對(duì)渦流無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。針對(duì)螺栓孔的檢測(cè)方法，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了大量的研究。宋凱等[2]針對(duì)高鎖螺栓緊固件孔邊缺陷研發(fā)放置式陣列遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器，能有效檢測(cè)出埋深4 mm、長(zhǎng)度5 mm的緊固件孔邊隱藏缺陷，但相對(duì)接觸式檢測(cè)，靈敏度較低；吳昊等[3]針對(duì)復(fù)合材料螺栓連接件不卸載情況下采用超聲紅外熱波檢測(cè)法，研究表明，當(dāng)螺栓孔損傷區(qū)域超出螺帽覆蓋的范圍，能夠快速有效檢測(cè)螺栓緊固件損傷，缺點(diǎn)是檢出閾值必須大于螺帽覆蓋；后雪冰等[4]針對(duì)平面多層金屬鉚接結(jié)構(gòu)鉚釘孔周邊裂紋設(shè)計(jì)并制作了線性陣列矩形探頭，采用旋轉(zhuǎn)式掃描的檢測(cè)方法對(duì)試塊進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)式掃描方法對(duì)鉚釘孔周缺陷具有顯著的檢測(cè)效果，但該方法僅限于鉚釘孔周邊表面缺陷。

某型飛機(jī)在開(kāi)展基地級(jí)維修過(guò)程中，外翼與中機(jī)身為分離且螺栓為分解狀態(tài)，對(duì)于鋁鈦疊加的雙層螺栓孔內(nèi)壁裂紋的檢測(cè)，為快速直觀檢出裂紋分布狀態(tài)和展現(xiàn)空間位置，勢(shì)必需開(kāi)展新的有效檢測(cè)技術(shù)研究。

1 檢測(cè)原理

法拉第電磁感應(yīng)定律和電渦流效應(yīng)等革命性理論構(gòu)成了渦流檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)。當(dāng)變化的磁場(chǎng)作用在被測(cè)導(dǎo)電試塊周?chē)鷷r(shí)，試塊上會(huì)產(chǎn)生沿圓周方向漩渦電流，該電流也叫渦流(見(jiàn)圖2)，這種產(chǎn)生渦流的現(xiàn)象又稱渦流效應(yīng)[5-7]。

圖2 渦流檢測(cè)原理示意圖

在電磁感應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，導(dǎo)電體內(nèi)部產(chǎn)生渦流效應(yīng)，根據(jù)這種效應(yīng)可對(duì)導(dǎo)電試塊進(jìn)行渦流檢測(cè)。其基本原理為：當(dāng)激勵(lì)線圈通上交變電流Ia時(shí)，激勵(lì)線圈周?chē)a(chǎn)生變化的一次磁場(chǎng)B1，該磁場(chǎng)接近導(dǎo)電試塊時(shí)，渦流Ib會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生且大小不斷變化，由于電流的磁效應(yīng)，二次磁場(chǎng)B2會(huì)在Ib的作用下在被測(cè)試塊周?chē)a(chǎn)生，探頭接收信號(hào)的檢測(cè)線圈會(huì)接收B2和B1兩者相互疊加的磁場(chǎng)，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)電試塊的性質(zhì)發(fā)生變化，比如磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、缺陷等，會(huì)使被測(cè)試塊中渦流分布強(qiáng)度發(fā)生變化，影響線圈的電阻和阻抗，以此來(lái)分析試塊中有無(wú)缺陷的存在[8]。

2 試塊設(shè)計(jì)

對(duì)比試塊應(yīng)與被檢件具有相同的合金成分、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和電磁性能，并無(wú)干擾人工缺陷檢測(cè)的自然缺陷或本底噪聲。對(duì)比試塊上的人工缺陷可采用機(jī)械加工、電火花加工或化學(xué)腐蝕等方法制作。也可根據(jù)需要，制作或選用帶有自然缺陷的對(duì)比試塊。針對(duì)鋁鈦結(jié)構(gòu)雙層螺栓孔，優(yōu)先選取同部位同材質(zhì)毛料，按對(duì)接帶板處螺栓孔規(guī)格加工和裝配試件。在鋁合金和鈦合金不同方位設(shè)計(jì)2種或以上深度類(lèi)型尺寸缺陷，驗(yàn)證阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)技術(shù)和渦流C掃描成像檢測(cè)技術(shù)在2種材質(zhì)狀態(tài)下缺陷檢出靈敏度和缺陷分布部位分辨能力。

將鋁合金、鈦合金疊加狀態(tài)下鉆制6個(gè)螺栓孔，其中1號(hào)孔～3號(hào)孔外徑為10，4號(hào)孔～6號(hào)孔外徑為12。疊加裝配后同編號(hào)的螺栓孔軸線一致。對(duì)于1#鋁合金試塊，1號(hào)孔、4號(hào)孔12點(diǎn)鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，2號(hào)孔、5號(hào)孔12點(diǎn)鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm；對(duì)于2#鈦合金試塊，1號(hào)孔、4號(hào)孔6點(diǎn)鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，2號(hào)孔、5號(hào)孔6點(diǎn)鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，試塊缺陷設(shè)計(jì)圖樣如圖3所示，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖3 鋁鈦雙層螺栓孔試塊設(shè)計(jì)圖

表1 對(duì)比試塊技術(shù)要求參數(shù)表

3 阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

在國(guó)內(nèi)外大量螺栓孔檢測(cè)研究的基礎(chǔ)上，愛(ài)德森(廈門(mén))電子有限公司針對(duì)鋁材質(zhì)單層螺栓孔內(nèi)壁缺陷采用阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)，能有效檢測(cè)出0.76 mm深缺陷，取得了較好的檢測(cè)效果，但受限于國(guó)產(chǎn)硬件和軟件水平，信號(hào)響應(yīng)阻抗受表面狀態(tài)干擾較大，信噪比差，缺陷檢出率低。Ameco根據(jù)波音和空客民航客機(jī)維修手冊(cè)，針對(duì)雙層鋁結(jié)構(gòu)采用阻抗型渦流檢測(cè)，取得了一定的效果。實(shí)驗(yàn)決定嘗試采用阻抗型渦流旋轉(zhuǎn)槍檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)鋁鈦雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔。

采用阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)技術(shù)按表2設(shè)置參數(shù)，雙層孔鋁、鈦層均無(wú)缺陷時(shí)，信號(hào)穩(wěn)定在平衡原點(diǎn)。以表2參數(shù)標(biāo)定鋁層0.76 mm深缺陷信號(hào)幅值達(dá)20%時(shí)，檢測(cè)鈦層0.76 mm深缺陷無(wú)信號(hào)(見(jiàn)圖4a)；增加主增益10 dB，使鋁層0.76 mm深缺陷信號(hào)幅值達(dá)100%，檢測(cè)鈦層0.76 mm深缺陷幅值信號(hào)較低，相位角較小，檢測(cè)效果如圖4b所示。

表2 阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)鋁鈦雙層孔參數(shù)

a) 標(biāo)定參數(shù)狀態(tài)下的鋁、鈦層阻抗幅值信號(hào)

由圖4a和圖4b雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔阻抗旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可知，在鋁、鐵材質(zhì)疊加狀態(tài)下，能有效檢測(cè)出鋁層孔壁缺陷，鈦層孔壁缺陷檢測(cè)較為困難，無(wú)阻抗幅值信號(hào)；當(dāng)提高主增益時(shí)，鋁層缺陷阻抗幅值明顯增大，鈦層阻抗幅值輕微顯現(xiàn)，檢測(cè)過(guò)程噪聲信號(hào)明顯放大，提高主增益后的參數(shù)不適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。綜上所述，阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)技術(shù)不適用于鋁、鈦雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用。

4 渦流C掃描3D成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

4.1 檢測(cè)系統(tǒng)

鋁鈦雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔渦流C掃描3D成像檢測(cè)技術(shù)采用雙頻渦流采集掃查信號(hào)，能有效區(qū)分雙層結(jié)構(gòu)的不同電導(dǎo)率層及缺陷，經(jīng)三維C掃描軟件處理后，可根據(jù)3D影像直觀判斷缺陷長(zhǎng)度、深度等信息，信噪比更高，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、直觀識(shí)別缺陷空間分布狀態(tài)。飛機(jī)雙層結(jié)構(gòu)螺檢孔C掃描3D成像檢測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)由陣列渦流檢測(cè)儀、旋轉(zhuǎn)掃查器、鋁鈦合金雙層結(jié)構(gòu)對(duì)比試塊、系列規(guī)格掃查探頭和三維C掃描軟件組成。

a)陣列渦流檢測(cè)儀 b)三維C掃描軟件

陣列渦流檢測(cè)儀MIZ-21C是高性價(jià)比的手持式渦流儀，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、石油、天然氣、制造及電力行業(yè)。其工效學(xué)設(shè)計(jì)理念、長(zhǎng)時(shí)間電池待電和直觀的觸摸屏顯示操作能夠提供更為優(yōu)質(zhì)的檢測(cè)效果。ZM-5是一款專(zhuān)用小徑孔(如螺栓孔以及緊固件孔)快速檢測(cè)的手持便攜式掃查器，實(shí)現(xiàn)了難以觸及區(qū)域的掃查，保證了高質(zhì)量渦流信號(hào)。

4.2 試塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)

按表3實(shí)驗(yàn)參數(shù)調(diào)試陣列渦流檢測(cè)儀MIZ-21C，鋁鈦雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔固定安裝，鋁合金層在上，鈦合金層作下層。調(diào)整濾波等參數(shù)，旋轉(zhuǎn)探頭無(wú)接觸狀態(tài)采集界面呈均勻，無(wú)C掃描和3D影像(見(jiàn)圖6a)。當(dāng)掃查無(wú)缺陷的3號(hào)孔或6號(hào)孔時(shí)，采集界面基本呈現(xiàn)均勻(見(jiàn)圖6b)；當(dāng)探頭掃查1號(hào)孔或4號(hào)孔時(shí)，C掃描圖像顯示裂紋缺陷，且鋁合金層缺陷與鈦合金層缺陷影像呈180°對(duì)角位置，符合試塊缺陷設(shè)計(jì)指標(biāo)，3D影像缺陷波峰凸起(見(jiàn)圖7a)；當(dāng)探頭掃查2號(hào)孔或5號(hào)孔時(shí)，C掃描圖像顯示明顯裂紋缺陷狀態(tài)，同孔內(nèi)鋁層鈦層缺陷影像180°對(duì)角，3D影像缺陷波峰高聳(見(jiàn)圖7b)。采集影像后，調(diào)整3D影像視角，轉(zhuǎn)動(dòng)觀察分析缺陷空間位置、大小、分布狀態(tài)以及缺陷形態(tài)。旋轉(zhuǎn)C掃描在鋁鈦2種材質(zhì)疊加狀態(tài)下缺陷檢出靈敏度較高，缺陷分布部位分辨能力較強(qiáng)。

表3 對(duì)比試塊C掃描3D檢測(cè)工藝參數(shù)表

a)空采 b)無(wú)缺陷掃查

a)0.2 mm b)0.76 mm

5 結(jié)語(yǔ)

某型飛機(jī)基地級(jí)維修對(duì)接帶板為脫卸螺栓的鋁鈦結(jié)構(gòu)的雙層螺栓孔，受交變應(yīng)力作用容易在不同層產(chǎn)生疲勞裂紋。通過(guò)模擬缺陷形式，設(shè)計(jì)不同技術(shù)指標(biāo)缺陷，開(kāi)展孔壁阻抗型渦流旋轉(zhuǎn)檢測(cè)和渦流C掃描3D成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，阻抗型旋轉(zhuǎn)渦流檢測(cè)技術(shù)能有效檢出鋁層缺陷，無(wú)法有效檢出鈦層缺陷，不適用于鋁鈦雙層結(jié)構(gòu)螺栓孔的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用；渦流C掃描3D成像檢測(cè)技術(shù)能有效過(guò)濾試件表面粗糙度引起的噪聲，0.2 mm和0.76 mm模擬裂紋檢測(cè)效果明顯。調(diào)整采集圖像，通過(guò)分析，能清晰獲知缺陷空間分布位置，精準(zhǔn)定位缺陷所在孔層及方位。