某飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓超聲波相控陣檢測(cè)方案

曾強(qiáng) 李戰(zhàn) 陳新波

摘 要：對(duì)于機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓這種螺栓類(lèi)零件，目前主要是采用磁粉檢測(cè)，但由于工件安裝的特殊性，需對(duì)機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓采用端部入射法進(jìn)行超聲波檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)一些行業(yè)采用常規(guī)超聲波檢測(cè)但檢測(cè)效果差。本次采用超聲波相控陣技術(shù)，通過(guò)對(duì)聚焦深度及掃查角度的精確控制，3D成像方法，獲得了很好的檢測(cè)效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓;常規(guī)超聲波檢測(cè);3D全聚焦超聲波相控陣成像

1 前言

對(duì)于螺栓類(lèi)零件，出于檢測(cè)靈敏度的原因，目前國(guó)內(nèi)外主流是采用磁粉檢測(cè)方法，超聲波方法極少使用。某些特殊情況（如無(wú)法拆卸）會(huì)使用超聲波檢測(cè)，但檢測(cè)靈敏度較低（航空行業(yè)如陜飛公司，檢測(cè)精度為5mm深的裂紋缺陷，而在國(guó)內(nèi)其他行業(yè)如電力行業(yè)，檢測(cè)最大精度為1mm深的裂紋缺陷）。本次采用超聲波相控陣技術(shù)，通過(guò)對(duì)聚焦深度及掃查角度的精確控制，3D成像法，可檢出寬0.2mm，槽深0.3mm的裂紋缺陷，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果直觀，易分辨，滿(mǎn)足航空產(chǎn)品控制要求。

2方法調(diào)研

某部隊(duì)有人機(jī)機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓，在300/600/800定點(diǎn)起落后需要進(jìn)行探傷無(wú)損檢測(cè)。螺栓為鐵磁性材料，材料牌號(hào)為30CrMnSiA。常規(guī)檢測(cè)手段為拆卸后進(jìn)行目視及磁粉檢測(cè)。但該螺栓絕大部位均安裝在其他構(gòu)件內(nèi)部，拆卸困難，常規(guī)檢測(cè)無(wú)法進(jìn)行。由于該彈性軸端頭部分露出在外，考慮采用超聲波方法從端頭進(jìn)行檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)螺栓的常規(guī)檢測(cè)均為拆卸后采用磁粉檢測(cè)，這是因?yàn)榇欧蹤z測(cè)靈敏度高，能發(fā)現(xiàn)微小的裂紋缺陷。采用超聲波檢測(cè)雖然不用拆卸，在效率上能大大提高，但很難達(dá)到磁粉檢測(cè)的靈敏度（零點(diǎn)幾毫米），且超聲波端頭入射法超聲波檢測(cè)機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)。目前螺栓檢測(cè)技術(shù)方法很少，國(guó)外有使用導(dǎo)波方法進(jìn)行研究。在螺栓頭安置導(dǎo)波探頭，然后采集一系列超聲波信號(hào)，這些信號(hào)來(lái)自螺紋，幾何體反射、波形轉(zhuǎn)換以及缺陷。這種方法只能根據(jù)已有在螺紋中的缺陷的聲波物理特性來(lái)進(jìn)行推斷有無(wú)缺陷，而且需要先了解螺栓的幾何形狀，所以這種方法的實(shí)用性還是未能實(shí)現(xiàn)。

今年3月份，海軍航空大學(xué)組織召開(kāi)《XX飛機(jī)無(wú)損檢測(cè)操作工藝卡編制》評(píng)審會(huì)。評(píng)審發(fā)現(xiàn)成飛、陜飛等公司采用常規(guī)超聲波檢測(cè)方法，但精度為5mm深的裂紋缺陷，檢測(cè)精度過(guò)低，難以保證螺栓的質(zhì)量，不能及時(shí)排除飛機(jī)的飛行風(fēng)險(xiǎn)，受到了現(xiàn)場(chǎng)評(píng)審專(zhuān)家的質(zhì)疑。而在國(guó)內(nèi)其他行業(yè)（如電力行業(yè)），檢測(cè)最大精度為1mm深的裂紋缺陷。但也難以滿(mǎn)足航空產(chǎn)品的檢測(cè)要求。為解決這一問(wèn)題，公司與海軍航空大學(xué)深入合作，共同研究解決方法。

由于檢測(cè)沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)，為保證飛機(jī)的飛行安全，從嚴(yán)把控檢測(cè)質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員，要求發(fā)現(xiàn)寬0.2mm，槽深0.3mm的裂紋類(lèi)缺陷。

3 對(duì)比試樣的制作

取一根對(duì)合螺栓，其牌號(hào)、熱處理狀態(tài)等與某有人機(jī)對(duì)合螺栓一致。在刻傷之前先對(duì)該試樣進(jìn)行超聲波、磁粉及射線(xiàn)檢測(cè)，以確定無(wú)影響判斷的缺陷。按設(shè)計(jì)所編《XX飛機(jī)無(wú)損檢測(cè)手冊(cè)》要求，需在螺栓螺帽（距檢測(cè)面5mm處）及退刀槽處（距檢測(cè)面18mm處）分別刻制周向人工缺陷。對(duì)比試樣的人工傷分布為：

缺陷1：在螺栓螺帽處（距檢測(cè)面5mm）刻一個(gè)寬0.2mm，槽深0.3mm，弧長(zhǎng)10mm的缺陷;

缺陷2：退刀槽處（距檢測(cè)面18mm）處一個(gè)寬0.2mm，槽深0.3mm，弧長(zhǎng)10mm的缺陷;

4 檢測(cè)方法的確定

陜飛公司采用常規(guī)超聲波檢測(cè)方法，但精度僅為5mm深的裂紋缺陷，對(duì)于本方法提出的0.3mm深的缺陷無(wú)法檢測(cè)。

相控陣技術(shù)采用多晶片探頭，具有聚焦功能，可以對(duì)焦柱的長(zhǎng)度、焦點(diǎn)的尺寸進(jìn)行優(yōu)化控制，提高了檢測(cè)的分辨率、信噪比。在理論上可以檢測(cè)因此，本次試驗(yàn)嘗試采用相控陣檢測(cè)技術(shù)。又因?yàn)楸痉椒ㄐ枰讲筷?duì)進(jìn)行帶教，而部隊(duì)的檢測(cè)人員超聲波檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)較少，對(duì)于螺栓的結(jié)構(gòu)回波難以分辨，因此本次試驗(yàn)采用CTS-PA22T實(shí)時(shí)3D全聚焦螺栓檢測(cè)技術(shù)。

5 CTS-PA22T實(shí)時(shí)3D全聚焦螺栓超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介

CTS-PA22T實(shí)時(shí)3D全聚焦螺栓超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)是運(yùn)用超聲波檢測(cè)原理。即通過(guò)調(diào)整激發(fā)晶片的序列、數(shù)量以及時(shí)發(fā)晶片的數(shù)量、時(shí)間來(lái)控制波束的形狀、軸線(xiàn)偏轉(zhuǎn)角度及焦點(diǎn)位置等。

對(duì)于螺栓檢測(cè)，相控陣超聲探頭安裝在螺栓的頂部。相控陣超聲可以形成縱波扇形掃查。可以采用如圖1的雙邊掃查形式，相控陣探頭可以沿著螺栓360度旋轉(zhuǎn)。所有的數(shù)據(jù)都可以被記錄，顯示，分析。

6 檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定

6.1 超聲波相控陣探頭設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外超聲波相控陣探頭設(shè)計(jì)一般采用線(xiàn)陣及面陣兩種形式。線(xiàn)陣相控陣探頭中晶片在直線(xiàn)方向上一維排布，只能實(shí)現(xiàn)晶片排列方向的波束偏轉(zhuǎn)。面陣相控陣探頭又有矩陣及環(huán)陣等類(lèi)型，能有2個(gè)方向的波束偏轉(zhuǎn)，同時(shí)環(huán)陣設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)不同深度的聚焦功能。本次方法采用環(huán)陣設(shè)計(jì)。

由于螺栓端面中心有頂針孔，中心鏤空狀態(tài)對(duì)超聲波能量及波束偏轉(zhuǎn)均有較大的影響。常規(guī)的環(huán)陣探頭難以滿(mǎn)足檢測(cè)要求，本次設(shè)計(jì)了新的超聲波相控陣探頭。

6.2 探頭頻率及尺寸：本試驗(yàn)采用的是外徑為Φ20mm的訂制探頭，型號(hào)為15M8×8-1×1-P2，頻率為15MHz。

6.3主要檢測(cè)參數(shù)：①檢測(cè)厚度：20mm;②聲速：5900m/s;③探頭頻率：15MHZ;④陣原間距：1×1;⑤法則配置：扇形掃查;⑥波型：縱波;⑦晶片數(shù)量：64;⑧聚焦深度：5mm（注：螺帽處聚焦）/18mm（注：退刀槽處聚焦）。

6.4 靈敏度調(diào)準(zhǔn)

連接探傷儀，探頭耦合對(duì)比試塊，找到埋深為5mm及18mm的人工傷的最大回波，將波高調(diào)至80%，取2處傷的最大增益作為檢測(cè)靈敏度。

7 檢測(cè)結(jié)果、缺陷辨識(shí)技巧

7.1 檢測(cè)結(jié)果

采用3D超聲波相控陣檢測(cè)法對(duì)螺栓對(duì)比試塊進(jìn)行檢測(cè)，缺陷波明顯直觀，靈敏度及分辨率很高，能達(dá)到檢測(cè)要求。

7.2缺陷辨識(shí)技巧

檢測(cè)5mm缺陷需要加楔塊，因此在判斷時(shí)應(yīng)注意楔塊反射回波的影響，缺陷會(huì)在一次楔塊反射回波后;檢測(cè)18mm缺陷時(shí)，應(yīng)注意輪廓回波的影響，但輪廓回波的波高不會(huì)超過(guò)40%（缺陷波高為80%時(shí)）;控陣縱波扇形掃查很適合檢測(cè)疲勞裂紋，3D成像顯示的圖像很清晰可靠。所以檢測(cè)人員很容易通過(guò)數(shù)圖形顯示的螺紋數(shù)直接能找到裂紋。也能通過(guò)圖像數(shù)據(jù)判讀出裂紋的位置和大小。

8 結(jié)論

8.1 采用超聲波相控陣技術(shù)能很好的對(duì)機(jī)翼機(jī)身對(duì)合螺栓進(jìn)行原位檢測(cè)，特別是對(duì)于0.3mm的微小缺陷，具有較好的靈敏度及分辨率;

8.2 此方法可以推廣到其他需進(jìn)行原位檢測(cè)的零件，如發(fā)電機(jī)彈性軸;

8.3 3D成像顯示的圖像很清晰可靠，對(duì)于檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)較少的檢測(cè)人員很容易通過(guò)數(shù)圖形顯示的螺紋數(shù)直接能找到裂紋。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘志明，梅德松.超聲相控陣技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J].無(wú)損檢測(cè)，2002，（2）：69-71