飛機多層結構內層腐蝕損傷的遠場渦流檢測與評估

李小麗，陳新波，時建云2，王 莉

(1.海軍航空大學 青島校區(qū) 航空機械工程與指揮系，青島 266041;2.91599部隊， 煙臺 264000)

飛機多層結構內層腐蝕的損傷位置比較隱蔽，很難及時發(fā)現(xiàn)，存在安全隱患。因此，有必要研究一種針對多層金屬結構隱形損傷的無損檢測方法，用于及時發(fā)現(xiàn)損傷并對其進行評估，以便采取有效措施，避免結構失效，提高飛行安全。

筆者主要對某型飛機機身、機翼蒙皮多層搭接結構內層損傷檢測方法進行了研究，探索了飛機多層結構內層缺陷的檢測方法。結果表明，遠場渦流檢測的靈敏度高，可以實現(xiàn)對腐蝕缺陷的定位檢測和定量檢測。

1 飛機多層結構損傷特點與遠場渦流檢測技術

1.1 飛機多層結構損傷的特點

某型飛機由于常年停放，且飛行在高濕度、高溫、高鹽分的大氣環(huán)境中，所以構成飛機主要結構的鋁合金件受損嚴重，其中以腐蝕和腐蝕疲勞產生的斷裂最為嚴重。

普查發(fā)現(xiàn)，在某機場服役的大部分該型飛機均存在著較為嚴重的腐蝕問題。腐蝕嚴重的部位主要集中在鉚釘孔周圍、接縫及其他連接件的結合面；通常機身、機翼和尾翼的下表面蒙皮的腐蝕比上表面蒙皮的腐蝕更嚴重。該型飛機的機翼壁板為3層鋁合金復合結構，而腐蝕缺陷(見圖1)一般出現(xiàn)在第3層與鋼結構框架的結合面，平時維護中很難發(fā)現(xiàn)，給飛行安全帶來了極大隱患。

圖1 機翼壁板腐蝕缺陷外觀

1.2 遠場渦流檢測技術

金屬構件檢測常用的檢測方法有超聲檢測和渦流檢測。其中，超聲檢測需要使用耦合劑才能實現(xiàn)超聲波在工件中的傳播，因此無法對多層搭接結構的內層缺陷進行檢測。渦流檢測不需要對工件進行直接接觸就可以檢測缺陷，且不同的檢測頻率可以實現(xiàn)不同埋深缺陷的檢測，檢測靈敏度較高，故選用渦流檢測方法。

由于趨膚效應，目前常規(guī)渦流只能檢測工件表面及近表面缺陷[1]。為了實現(xiàn)多層結構下內層缺陷的檢測，筆者研究了低頻遠場渦流檢測技術在多層結構中的應用。

遠場渦流檢測技術利用處于遠場區(qū)的檢測線圈拾取由激勵線圈激發(fā)的，經由工件中的間接耦合通道所獲得的電磁能量的變化來識別缺陷。遠場渦流檢測技術通過設計一個電磁屏蔽結構(該結構將直接耦合通道的能量屏蔽)，有效抑制了檢測線圈的趨膚效應，從而實現(xiàn)了對內層缺陷的檢測[2]。

相比于普通渦流傳感器，遠場渦流傳感器檢測的是檢測線圈中的感應電壓同激勵電流之間的相位差。遠場渦流特征曲線如圖2所示。

圖2 遠場渦流特征曲線

由幅值特征曲線可知：當檢測線圈靠近激勵線圈時，幅值以較大的速率衰減，該區(qū)域稱為近場區(qū)；當檢測線圈遠離激勵線圈時，幅值以較小的速率衰減，該區(qū)域稱為遠場區(qū)，在近場區(qū)和遠場區(qū)之間的一段區(qū)域稱為過渡區(qū)；在過渡區(qū)有一個明顯的幅值拐點。由相位特性曲線可以看出，在過渡區(qū)出現(xiàn)了90°相位的急劇變化。幅值拐點和90°相位變化都是遠場渦流現(xiàn)象的重要特性。

在遠場區(qū)的相位滯后可以近似用一維趨膚效應公式來計算。

(1)

式中：θ為檢測線圈感應電壓的相位滯后；h為板的厚度；f為激勵頻率；μ為被檢測材料的磁導率；σ為被檢測材料的電導率。

因此，只要測出相位滯后，由式(1)就可以計算出板層的厚度，像裂紋、腐蝕減薄等缺陷都可以看作是厚度的減小，這樣就可以得出缺陷的相關信息。

2 試驗方法

2.1 標準試樣的制作

為了建立缺陷位置和深度信息與渦流檢測信號之間的關系，設計加工了標準試樣。試樣采用與飛機蒙皮材料一樣的硬鋁合金板。

在尺寸為200 mm×200 mm×2 mm(長×寬×高)的硬鋁合金板的下表面預制不同深度、不同直徑的圓形平底孔來模擬不同大小的腐蝕缺陷。預制平底孔的直徑分別為10，15，40 mm，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0 mm，其余部分表面平整無損傷，標準試樣結構示意及實物如圖3所示，標準試樣模擬缺陷尺寸如表1所示。

表1 標準試樣模擬缺陷尺寸 mm

2.2 檢測與評估方法

2.2.1 檢測頻率的影響

在渦流檢測中，檢測頻率是決定渦流檢測效果的關鍵因素[3]。為了確定檢測頻率，以標準試樣為檢測對象，將探頭依次放置在試件表面，對不同大小、不同深度的缺陷進行掃查，并記錄檢測信號。通過對不同頻率下的檢測效果進行對比，確定最優(yōu)化檢測頻率及相應的工藝參數(shù)。

圖3 標準試樣結構示意及實物

圖4 檢測頻率與信號幅值之間的關系

2.2.2 缺陷深度的影響

在最優(yōu)化檢測頻率及工藝參數(shù)的條件下，以φ15 mm平底孔為研究對象，分別檢測深度為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0 mm的模擬缺陷，并記錄檢測信號，研究缺陷深度與檢測信號之間的關系。

2.2.3 缺陷面積的影響

在最優(yōu)化檢測頻率及工藝參數(shù)的條件下，以深度為0.2 mm的平底孔為研究對象，分別檢測直徑為10，15，40 mm的模擬缺陷，并記錄檢測信號，研究缺陷面積與檢測信號之間的關系。

2.2.4 腐蝕缺陷的檢測定位

分別以φ15 mm，深度為0.2，0.6 mm的模擬缺陷為檢測對象，通過在缺陷上方分別不加蓋(缺陷埋深0 mm)、加蓋一層(缺陷埋深1 mm)、加蓋兩層(缺陷埋深2 mm)完好的硬鋁合金板，分析不同埋深缺陷的檢測信號，研究缺陷埋深對檢測結果的影響。

3 試驗結果與討論

3.1 檢測頻率選擇試驗結果

檢測頻率是決定渦流檢測效果的關鍵因素，為了確定檢測頻率，以3層板下表面0.2 mm深的腐蝕模擬缺陷為檢測對象，研究檢測頻率。首先，由式(1)計算可得檢測頻率f=424 Hz。以此頻率為參考，在頻率范圍100 Hz1 kHz之間研究最佳的檢測頻率。檢測頻率與信號幅值之間的關系如圖4所示。

試驗發(fā)現(xiàn)，當檢測頻率大于400 Hz時，能夠識別出3層板下0.2 mm深的模擬缺陷，且隨著頻率的增加，信號幅值逐漸增大，但當達到1 000 Hz時，信號的穩(wěn)定性變差。由此可得，當檢測頻率為800 Hz時，檢測信號的幅值、信噪比和相位分離度等各方面均達到最佳。遠場渦流檢測工藝參數(shù)如表2所示。

表2 遠場渦流檢測工藝參數(shù)

檢測步驟：將探頭放置在平衡點，點擊“一鍵設置”，設置后前放增益為20 dB，查看并調整提離信號方向(調整方法：將探頭放置在平衡點，點擊“平衡”，提起探頭并保持提離信號1 000 mV左右不變，按下“智能提離”)，設置XY增益為11，再次平衡，開始檢測。

3.2 缺陷深度試驗結果

在最佳檢測頻率下，試驗主要研究多層結構下，檢測靈敏度和缺陷深度與信號幅值之間的線性關系。以直徑為15 mm，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mm的模擬缺陷為檢測對象，得到缺陷深度與信號幅值之間的關系(見圖5)。由圖5可知，在800 Hz的檢測頻率下，該方法能夠檢測出的最小缺陷為3層板下0.1 mm深的缺陷。

以x軸代表缺陷深度，y軸代表信號幅值，對檢測數(shù)據(jù)進行分析，得到缺陷深度與信號幅值關系曲線(見圖6)。試驗發(fā)現(xiàn)，當缺陷深度在0.2 mm以上時，檢測信號幅值與被檢測缺陷深度之間呈線性遞增關系，信號幅值與缺陷深度函數(shù)為

y=2 374.4x+196.29y

(2)

擬合方差為0.990 7，擬合效果較好，該函數(shù)關系可以作為對缺陷進行缺陷定量分析的依據(jù)。

圖5 缺陷深度與信號幅值之間的關系

圖6 缺陷深度與信號幅值關系曲線

3.3 缺陷面積試驗結果

主要研究了多層結構下缺陷面積對檢測結果的影響。以深度為0.2 mm，直徑分別為10，15，40 mm的模擬缺陷為檢測對象進行檢測，得到缺陷面積與信號幅值之間的關系(見圖7)。試驗發(fā)現(xiàn)缺陷面積越大，缺陷信號越明顯。

為了研究缺陷信號幅值與缺陷大小之間的關系，令橫軸代表缺陷直徑，縱軸代表信號幅值與缺陷直徑的乘積，對檢測數(shù)據(jù)進行分析，得到缺陷直徑與信號幅值關系曲線(見圖8)。利用數(shù)據(jù)分析軟件，得到該曲線的擬合函數(shù)為

圖7 缺陷面積與信號幅值的關系

圖9 不同埋深與信號幅值的關系(φ15 mm,0.2 mm深)

y=970.48xy-3 780.7

(3)

擬合方差為0.998 4，擬合效果較好。在1層板下表面缺陷檢測和2層板下表面缺陷檢測中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。

圖8 缺陷直徑與信號幅值關系曲線

1層板下表面信號的幅值-缺陷直徑函數(shù)為

y=2 439.2xy-11 942

(4)

2層板下表面信號的幅值-缺陷直徑函數(shù)為

y=1 652.6xy-7 967.2

(5)

擬合方差分別為0.999 0和1.000 0，擬合效果較好。該函數(shù)關系可以作為對缺陷進行定量分析的依據(jù)。

3.4 腐蝕缺陷檢測定位探究

主要研究缺陷埋深對檢測結果的影響，以φ15 mm，深度為0.2 mm的缺陷作為檢測對象，通過在缺陷上方分別不加蓋(缺陷埋深0 mm)、加蓋一層(缺陷埋深1 mm)、加蓋兩層(缺陷埋深2 mm)完好的硬鋁合金板，實現(xiàn)對不同埋深缺陷的檢測信號研究，檢測結果如圖9所示。

由圖9可知，缺陷埋深與檢測信號的相位有關。當缺陷位于表層蒙皮時，檢測信號相位接近135°；當缺陷位于第二層蒙皮時，檢測信號相位接近90°；當缺陷位于第三層蒙皮時，檢測信號相位接近45°。由此可見，通過相位可以實現(xiàn)對腐蝕缺陷的定層判別。

為了進一步探究檢測信號相位、蒙皮層數(shù)以及缺陷埋深的關系，以φ15 mm，深度為0.6 mm的模擬缺陷為檢測對象，對不同埋深下的缺陷進行檢測，分析判斷相位與蒙皮層數(shù)、缺陷埋深的對應關系。不同埋深與信號幅值的關系(φ15 mm,0.6 mm深)如圖10所示。

圖10 不同埋深與信號幅值的關系(φ15 mm,0.6 mm深)

令橫軸代表缺陷埋深， 縱軸代表信號相位，分析檢測數(shù)據(jù)，得到缺陷埋深與信號相位角的關系曲線(見圖11)。利用數(shù)據(jù)分析軟件，得到該曲線的擬合函數(shù)為

圖11 缺陷埋深與信號相位角的關系曲線(φ15 mm,0.6 mm深)

y=-22x+130.08

(6)

擬合方差為0.977 3，值在0.951.00之間，擬合關系非常好。由此，可以總結出埋深-相位公式，用于對腐蝕缺陷的定位檢測和定量分析。

4 結語

(1) 遠場渦流檢測方法能有效避免趨膚效應的影響，采用合適的檢測頻率可以實現(xiàn)對多層結構內層腐蝕的檢測。

(2) 采用遠場渦流檢測方法可以檢測3層板下的最小缺陷為0.1 mm深的缺陷，且缺陷深度和面積與信號幅值之間呈線性關系。

(3) 研究獲得了缺陷埋深與檢測信號之間的線性關系，并推導出對應的線性公式。

由以上結論可以看出，遠場渦流檢測技術可以實現(xiàn)對多層結構內層腐蝕缺陷的定位檢測和定量檢測。檢測時通過對相位的分析，判斷缺陷的埋深，結合飛機蒙皮的單層厚度確認缺陷所在蒙皮層數(shù)，然后再根據(jù)埋深和層數(shù)調用相應的公式，從而獲得缺陷位置的準確信息。