某型發動機螺樁超聲波檢測

撰文/謝小榮 孫法亮

■464000 空軍第一航空學院 河南 信陽

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某型發動機螺樁超聲波檢測

撰文/謝小榮 孫法亮

■464000 空軍第一航空學院 河南 信陽

針對某型發動機螺樁不能拆卸檢測，設計了一種超聲波雙晶探頭，采用超聲波進行原位檢測。通過計算分析，確定了雙晶探頭的結構型式、工作頻率、晶片入射角、尺寸等技術參數。通過研究與試驗，嘗試采用試塊法確定檢測靈敏度，從而完成了對發動機固定螺樁進行原位檢測。研究表明，該工藝操作方便、可靠，具有較大實際意義。螺樁；雙晶探頭；超聲波；檢測

某型飛機發動機固定螺樁在使用過程中容易產生裂紋出現斷裂，給飛機的飛行安全帶來嚴重威脅，因此需要加強對該發動機固定螺樁無損檢測。該型發動機固定螺樁的裝配要求較高，不允許進行拆卸，屬一次性使用零部件，因此只能采取原位檢測方式。綜合各方面因素研究確定，固定螺樁適合采用超聲波原位檢測，為保證檢測準確可靠，需要設計合適的超聲波探頭。

檢測方法

發動機固定螺樁是連接固定發動機缸體和缸蓋的部件。發動機工作時產生劇烈振動，螺樁受剪切力作用，容易在嚙合面下端第一或第二螺牙槽處產生裂紋。采用超聲縱波檢測原理如圖1所示。探頭發射超聲波在螺樁底部反射，儀器顯示始波T和底波B；有裂紋時，還會在裂紋處反射，產生裂紋波F。超聲波在螺紋處也會發生反射，因此儀器還會顯示一些草狀雜波。為減少雜波影響，決定采用雙晶探頭進行檢測，使大部分雜波不能接收，提高信噪比。

圖1　螺樁超聲縱波檢測方法

檢測探頭

螺樁呈長圓柱型，必須考慮聲束指向性和盲區問題，即盡量使聲束收窄，減小側面和螺紋回波影響。雙晶探頭雙晶片一發一收，超聲盲區落在延遲塊內，晶片背面超聲波被阻尼吸收，超聲波發射區與接收區有隔聲層分開，以免雜亂波干擾。

a探頭頻率

探頭頻率的確定要綜合考慮檢測靈敏度、分辨力、近場區、聲束角以及超聲波的衰減的影響。頻率越高，檢測靈敏度越高，分辨力也越高，但是衰減越大。螺樁長度不大，只有38mm，衰減影響不大。綜合考慮選取探頭頻率為5MHz。

雙晶探頭近場區落在有機玻璃延遲塊內，不對檢測造成影響，只需要計算聲束指向角。晶片尺寸按6mm×6mm計算，聲束指向角為22.5°。

b晶片傾斜角（入射角）

從晶片發射的超聲縱波波由有機玻璃進入螺樁中，縱波發生折射。為保證折射的縱波能夠覆蓋螺樁容易產生裂紋區域。折射角β經計算必須滿足

有機玻璃中聲速2700m/s，鋼中聲速5850m/s，縱波由有機玻璃折射到鋼螺樁中，根據斯奈爾定律，可求出晶片最小傾斜角（入射角）為7.1°。

c探頭尺寸

晶片尺寸越大，聲束能量越大，對檢測有利。限于螺樁直徑，雙晶探頭晶片尺寸為6mm×6mm。原位檢測時，檢測空間有限，否則探頭不能進入探測位置。晶片至探頭端面距離必須大于檢測盲區。按以上確定的頻率、晶片尺寸、傾斜角等參數試制探頭，經測試盲區為左右，即晶片到探頭端面距離必須大于7.7mm。

檢測應用

使用DPT-1002超聲波檢測儀。

a試塊制作

收集或加工螺樁2個，制作成參考試塊：完好螺樁1個，有人工刻槽模擬裂紋的螺樁1個。根據對自然斷裂螺樁端口電鏡放大分析，保證裂紋能被檢出，人工刻槽深度確定為0.5mm。

b靈敏度確定

靈敏度確定可采用試塊法。

將雙晶探頭分別放在2個螺樁參考試件頭部，耦合良好。當把探頭置于完好螺樁試件頭部時，儀器屏幕上只有界面波S和底波B（始波T已被置于屏幕以外）；當把探頭置于有人工裂紋螺樁試件頭部時，屏幕上監視閘門內出現缺陷波F，且缺陷波幅度超過閘門高度。

c原位檢測

將探頭置于飛機發動機待檢螺樁頭部，保持適當壓力，耦合良好，輕微轉動探頭。判斷耦合良好的方法是：儀器屏幕上底波具有超過確定靈敏度時底波幅度，除非閘門報警區出現缺陷波。觀察儀器屏幕，對波形進行判別， 如圖2。

圖2　現場檢測波形

如果閘門報警區出現新的波形，則可判斷該螺樁存在裂紋。發現裂紋時，可從儀器上直接讀出裂紋深度位置。

當裂紋較大時，螺樁的反射底波幅度可能顯著減小或消失。

注意排除雜波干擾。螺紋草波由螺紋產生，幅度較低，一般小于10%；二次界面回波由探頭端面反復反射引起，位于報警區鄰近左側。

結論

實踐證明，采用設計的雙晶探頭檢測發動機固定螺樁，操作方便，波形易于識別，對裂紋反應敏感，檢測效果好于普通單晶探頭，有效地保證了飛機飛行安全

參考：

［1］魏東斌，劉鳴娟.鎳基合金螺栓的超聲波檢測［J］.熱處理技術與裝備，2006，27（4）：56-58

作者簡介：

謝小榮（1973-），男，副教授，長期從事飛機無損檢測教學與科研工作。