飛機鉚接構件PRFECT探頭的線圈夾角影響

宋凱，方志泓，崔西明，張麗攀，霍俊宏

南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063

鉚接是飛機裝配的主要連接方式，鉚接質量直接影響飛機結構抗疲勞性能與可靠性，據統計一架重型飛機需約150～200萬個鉚釘進行裝配連接[1-3]。飛機服役期間，機身結構連續承受惡劣自然環境和交變循環載荷作用，鉚接部位易產生嚴重應力集中進而萌生疲勞裂紋，導致結構失效甚至造成機體撕裂，發生災難性飛行事故[4-6]。為保證飛行安全，需及時對飛機金屬鉚接構件進行無損檢測。

目前針對飛機金屬鉚接構件的無損檢測已經開展了廣泛的研究，支文琪[7]利用超聲爬波檢測技術在非拆卸條件下實現緊固組合體圓柱通孔表面開口裂紋缺陷的檢測和成像，但超聲爬波對閉口裂紋檢測靈敏度較低，且裂紋缺陷形狀成像效果有待提高。周正干等[8]針對飛機復合材料結構緊固孔分層檢測問題，采用穿透法和脈沖反射法進行激光超聲C掃描檢測，可有效表征緊固孔區域分層缺陷特征，但脈沖反射法對于表面和近表面分層缺陷存在一定盲區。田云飛和曹宗杰[9]利用紅外檢測技術對飛機蒙皮搭接結構進行檢測，通過有限元分析模型表面溫度場差異來識別搭接構件內部缺陷，但對激勵熱源的選擇要求較高。Stott等[10]結合脈沖渦流檢測技術和改進后的主成分分析算法對缺陷相應信號進行分析，實現對緊固件的裂紋檢測和定量評價，但受集膚效應影響，檢測深度有限。盡管學者們已經開展了相關的試驗研究，但由于金屬鉚接構件結構復雜，常規檢測方法存在諸多問題，難以檢測鉚釘孔臨近區域的深層隱藏缺陷。

平面遠場渦流檢測(Plate Remote Field Eddy Current Testing，PRFECT)采用低頻激勵，利用二次穿透能量進行檢測，在原理上突破集膚效應限制，對金屬鉚接構件隱藏缺陷檢測具有巨大優勢[11-13]。Schmidt[14]提出遠場渦流能量通道說，表明電磁場能量沿直接耦合通道和間接耦合通道進行傳播，詳細闡述了管道遠場渦流檢測機理。張蕓等[15]針對管道缺陷的遠場渦流檢測，采用雙接收線圈結構去除偽峰信號影響，并通過強局部線性回歸和小波閾值去噪處理，實現管道局部缺陷的定量評估。徐志遠等[16]針對管道易腐蝕的彎頭部位，設計了一種管外放置的遠場渦流探頭，可實現對彎頭內壁或外壁缺陷深度的定量。然而，管道遠場渦流探頭采用激勵線圈與檢測線圈同軸放置的結構，檢測線圈放置于距離激勵線圈的2～3倍管內徑處，其探頭結構不適于鉚接構件隱藏缺陷的檢測。

曲民興和周連文[17]采用多種磁場導引和抑制方法在導電平板中產生遠場渦流效應，為導電板材遠場渦流檢測技術奠定了基礎。Sun等[18]設計了一種適用于飛機多層平板結構檢測的平面遠場渦流探頭，激勵線圈與檢測線圈呈異軸放置，激勵線圈位于鉚釘中心，雙檢測線圈環繞鉚釘形成差分，可檢測飛機裂紋及腐蝕坑等缺陷。楊賓峰和胥俊敏[19-21]采用激勵線圈位于鉚釘中心、檢測線圈環繞鉚釘旋轉的檢測方法，通過信號增強和磁場抑制的共同作用在鉚接結構中實現遠場渦流效應，驗證了鉚接結構缺陷檢測的可行性。然而，飛機機身鉚釘密集，檢測空間相對狹小，常規遠場渦流探頭尺寸較大容易受到相鄰鉚釘干擾，同時由于遠場渦流效應通過位于遠場區的檢測線圈拾取間接耦合通道能量實現，激勵線圈與檢測線圈存在一定間距，激勵線圈位于鉚釘中心，檢測線圈距離鉚釘則相對較遠，探頭尺寸亦隨之增大，并且鉚接構件隱藏缺陷一般沿鉚釘孔邊開裂，檢測線圈距離鉚釘較遠不利于鉚釘孔邊隱藏缺陷的檢測，缺陷檢測靈敏度較低。

針對上述問題，以飛機金屬鉚接構件為研究對象，建立了金屬鉚接構件隱藏缺陷檢測三維模型，優化屏蔽阻尼材料，采用激勵線圈與檢測線圈均環繞鉚釘旋轉檢測方法，研究激勵線圈-鉚釘-檢測線圈不同夾角位置的檢測靈敏度，并進行了試驗驗證，為飛機金屬鉚接構件遠場渦流檢測的實踐提供技術支撐。

1 檢測機理

平面遠場渦流檢測的激勵線圈與檢測線圈呈異軸放置，激勵線圈加載低頻正弦信號，產生交變電磁場，電磁場能量經由兩個傳輸通道進行傳播：一是直接耦合通道，電磁場能量經被檢工件表面到達檢測線圈，二是間接耦合通道，電磁場能量從被檢工件表面向其內部傳播，兩次穿過被檢工件后被檢測線圈拾取。通過在激勵線圈與檢測線圈之間加裝磁屏蔽材料，使得直接耦合通道能量迅速衰減，迫使激勵磁場能量向工件內部傳播，位于遠場區的檢測線圈拾取攜帶工件缺陷信息的間接耦合磁場，在被檢工件中實現遠場渦流效應，平面遠場渦流檢測原理如圖1所示。

圖1 平面遠場渦流檢測原理Fig.1 Testing principle for plate remote field eddy current

激勵線圈輸入低頻正弦信號，產生一個變化緩慢的時變磁場，根據法拉第電磁感應定律，時變磁場在周圍空間激發時變電場，該電場在被檢工件中感生出渦流場，遠場渦流的波動方程可由麥克斯韋方程組推導得出：

(1)

式中：H為磁場強度；J為電流密度；t為時間；D為電位移矢量。由于被檢工件為線性、各向同性材料，則：

(2)

引入矢量恒等式：

(3)

(4)

式中：μ為磁導率；σ為電導率。式(4)為各向同性線性介質中磁場強度H波動方程的一般形式。亥姆霍茲定理指出，需對矢量磁位的散度加以定義，則洛倫茲規范為

(5)

(6)

式中：j為虛數單位；ω為角頻率；A為矢量磁位；φ為標量電位函數。在圓柱坐標系下，矢量磁位A只有圓周方向分量，因此可將矢量磁位方程式(6) 簡化為

-J+jωσA

(7)

式中：r、z為圓柱坐標系的基向量。由法拉第電磁感應定律可知線圈感應電壓為

(8)

式中：ψ為通過線圈的磁通量；n為線圈匝數；s為線圈截面積；B為磁感應強度。由式(8)可以看出線圈的感應電壓U與磁感應強度B成線性關系，因此可通過檢測線圈感應電壓U的變化識別缺陷。

2 仿真模型

2.1 建立模型

仿真模型主要由鋁合金平板、鉚釘、遠場渦流檢測探頭及空氣構成，模型剖面圖如圖2所示。鉚接構件長×寬尺寸為300 mm×300 mm，總厚度為12 mm，模擬4層厚度為3 mm的鋁合金平板鉚接狀態，鉚釘沉頭直徑為3.2 mm。激勵線圈采用圓形結構，內徑為5 mm，壁厚為1 mm，高度為4 mm，匝數為1 000匝，檢測線圈采用矩形結構，內長×內寬尺寸為5 mm×2 mm，壁厚為1.5 mm，高度為2.5 mm，匝數為1 200匝，采用激勵線圈-檢測線圈同步環繞鉚釘旋轉的檢測方式，激勵頻率為500 Hz，激勵電流為100 mA，模型材料物理性能參數見表1。模型主要計算激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角分別為90°、135°和180°時的金屬鉚接構件隱藏缺陷遠場渦流檢測的檢測靈敏度，模型如圖3所示。

圖2 模型剖面圖Fig.2 Sectional view of model

表1 材料物理性能參數Table 1 Physical property parameters of material

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

2.2 屏蔽阻尼優化

加裝屏蔽阻尼可迅速衰減直接耦合通道磁場能量，縮短線圈間距，進一步減小探頭尺寸，因此為對比激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角不同時的檢測效果，需對屏蔽阻尼進行優化并確定線圈間距。保證激勵線圈參數不變，磁路采用罐形錳鋅鐵氧體，磁路厚度設為1 mm，屏蔽阻尼總厚度為2 mm，激勵線圈、磁路及屏蔽阻尼之間采用空氣填充，加裝屏蔽阻尼后剖面圖如圖4所示。在激勵信號為100 mA、500 Hz情況下，研究無屏蔽、鋁、銅、鋁+銅、 銅+鋁等屏蔽罩對磁場的屏蔽性能，沿激勵線圈徑向方向，提取鉚接構件表面磁場強度，結果如圖5所示。

圖4 加裝屏蔽阻尼后剖面圖Fig.4 Sectional view after installing shielding damping

圖5 屏蔽性能對比Fig.5 Comparison of shielding performance

由圖5可得，磁場沿著激勵線圈徑向方向不斷衰減，加裝屏蔽阻尼時衰減幅度較大，組合屏蔽阻尼比單一屏蔽阻尼的磁場屏蔽性能要好，當磁場穿過鋁+銅組合屏蔽阻尼后，磁場屏蔽性能達到最佳。進一步提取加裝不同屏蔽材料時金屬鉚接構件上表面水平分量實部和虛部磁場強度，得到不同屏蔽材料相應的幅值和相位特性曲線，結果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出，當屏蔽阻尼為鋁+銅時，幅值特性曲線在距激勵線圈中心14 mm處出現拐點，且曲線衰減速率較快，可更好抑制直接耦合通道能量；由圖6(b)可以看出，不同材料屏蔽阻尼相位特性曲線均發生突變，且在遠場區下降速率趨于平緩，當屏蔽阻尼為鋁+銅時，相位在距激勵線圈中心10 mm發生突變，在距激勵線圈中心30 mm后下降速率趨于平緩，相比之下遠場區距離激勵線圈中心最近，說明屏蔽阻尼為鋁+銅時對直接耦合通道能量屏蔽作用較好，此時遠場區位于距離激勵線圈中心30 mm處，后續研究激勵線圈與檢測線圈間距采用30 mm。

圖6 屏蔽阻尼遠場渦流特性曲線Fig.6 Characteristic curves of remote field eddy current of shielding damping

2.3 線圈夾角優化

建立激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角分別為90°、135°和180°時的金屬鉚接構件隱藏缺陷遠場渦流檢測模型。由于鉚釘孔邊疲勞裂紋擴展過程存在穿透裂紋和未穿透裂紋兩種狀態，根據缺陷體積當量計算，裂紋長度一致時穿透裂紋較易檢出，因此為進一步測試探頭檢測靈敏度，使用人工刻槽模擬未穿透狀態下的疲勞裂紋，并通過人工刻槽長×寬×深所得體積當量表征缺陷大小，模型中缺陷長×寬×深尺寸為10 mm×0.2 mm×2 mm， 埋深為6 mm，激勵線圈加載頻率為500 Hz， 電流為100 mA。設置激勵線圈和檢測線圈中心距為30 mm不變，激勵線圈和檢測線圈在一定角度內均以4°為步進同步環繞鉚釘進行旋轉掃查，對比激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角分別為90°、135°和180°時缺陷檢測效果，具體掃查方式如圖7所示，線圈夾角不同時缺陷檢測仿真結果如圖8所示。

圖7 掃查方式Fig.7 Scanning method

圖8 線圈夾角不同時缺陷檢測仿真結果Fig.8 Simulation results of defect detection with different coil angles

由圖8可得，當檢測線圈經過缺陷處時，檢測信號幅值和相位均達到峰值，且保持線圈中心距為30 mm不變，隨著激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角減小，旋轉檢測半徑增大，導致檢測信號幅值相位均呈下降趨勢，同時探頭尺寸變大，當線圈夾角為180°時檢測信號幅值和相位均達到最大，且探頭尺寸相對較小，其幅值和相位分別為8.17×10-7V、1.03°。

設置激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角為180°，仿真研究缺陷長度、深度不同時對檢測信號的影響，先保證寬×深為0.2 mm×2 mm不變，對長度分別為8、10 mm和12 mm的缺陷進行檢測，再保證長×寬為10 mm×0.2 mm不變，對深度分別為1、2 mm和3 mm的缺陷進行檢測，為縮短仿真計算時間，激勵線圈和檢測線圈同步環繞鉚釘在70°至110°內以2°為步進進行旋轉掃查，不同長度缺陷檢測信號變化如圖9所示，不同深度缺陷檢測信號變化如圖10所示。

圖9 不同長度缺陷檢測信號Fig.9 Detection signal of different length defects

圖10 不同深度缺陷檢測信號Fig.10 Detection signal of different depth defects

由圖9可得，保證缺陷寬深不變，當缺陷長度為12 mm時檢測信號幅值和相位均達到峰值，其信號幅值為1.18×10-6V，相位為1.41°，幅值分別是長度為8、10 mm時的2.41倍、1.45倍，相位分別是長度為8、10 mm時的2.06倍、1.37倍。由圖10可得，保證缺陷長寬不變，當缺陷深度為3 mm時檢測信號幅值和相位均達到峰值，其信號幅值為1.28×10-6V，相位為1.72°，幅值分別是深度為1、2 mm時的3.79倍、1.57倍，相位分別是深度為1、2 mm時的4.41倍、1.67倍。

3 試驗驗證

為驗證仿真模型參數對實際金屬鉚接構件隱藏缺陷的檢測能力，建立金屬鉚接構件隱藏缺陷遠場渦流檢測系統，如圖11所示。檢測系統包括任意波形發生器、濾波器、鎖相放大器、遠場渦流探頭和計算機。任意波形發生器將激勵信號輸入到激勵線圈，由檢測線圈拾取金屬鉚接構件的感應電壓變化，通過濾波器和鎖相放大器對渦流信號進行濾波放大處理，最后由計算機采集處理渦流檢測信號。

圖11 遠場渦流檢測系統Fig.11 Testing system for remote field eddy current

制作如圖12所示鉚接試塊，模擬實際金屬鉚接構件。鉚接試塊由4層厚度為3 mm的鋁合金平板鉚接而成，鋁合金平板長×寬尺寸為300 mm×230 mm，在其中一塊平板的鉚釘孔沿邊處加工寬度為0.2 mm的人工刻槽模擬實際裂紋，人工刻槽尺寸大小根據體積當量關系設計，參數如表2所示，其中缺陷埋深可通過調整鋁合金平板確定。采用上述遠場渦流檢測系統對鉚接試塊進行檢測，激勵電流為100 mA，激勵頻率為500 Hz，分別使用激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角為90°、135°和180°的遠場渦流檢測探頭對埋深為6 mm、長×寬× 深尺寸為10 mm×0.2 mm×2 mm的缺陷進行檢測，檢測時探頭放置于帶刻度的圓形亞克力板中以控制探頭旋轉步進，3種探頭結構對鉚接構件隱藏缺陷檢測效果如圖13所示。

圖12 鉚接試塊Fig.12 Riveting test block

表2 人工刻槽參數Table 2 Parameters of manual notching

圖13 線圈夾角不同時缺陷檢測試驗結果Fig.13 Test results of defect detection with different coil angles

由圖13可得，激勵線圈與檢測線圈中心距為30 mm不變，激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角為180°時，檢測效果達到最佳，其檢測信號幅值為816.33 mV，而仿真中線圈夾角為180°時檢測信號幅值為8.17×10-7V，兩者相差近106倍，這是由于遠場渦流信號十分微弱，試驗中檢測信號經過濾波和放大處理，而仿真中缺陷信號直接由檢測線圈感應電壓變化表征，故仿真與試驗結果數量級相差較大。為驗證仿真與試驗結果一致性，提取仿真與試驗結果中線圈夾角不同時缺陷檢測信號幅值，保證試驗結果中檢測信號幅值不變，以線圈夾角為180°時信號幅值為基準，將仿真結果中信號幅值映射至試驗結果中，線圈夾角不同時仿真與試驗對比結果如圖14所示。

圖14 仿真與試驗對比結果Fig.14 Comparison results of simulation and test

由圖14可得，保持線圈中心距為30 mm不變時，檢測信號幅值和相位均隨線圈夾角的增大而呈現增大的趨勢，激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角從180°以45°為步進減小至90°時，仿真結果中信號幅值分別減小了23.9%、87.9%，試驗結果中信號幅值分別減小了18.4%、69.5%，仿真與試驗結果均表明當激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角為180°時，檢測效果達到最佳。

進一步驗證優化后探頭對不同長度、深度缺陷的檢測能力，任意波形發生器將電流為100 mA、頻率為500 Hz的正弦信號輸入到激勵線圈，使用優化后探頭對埋深均為6 mm的缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4進行檢測，通過鎖相放大器提取檢測線圈感應電壓幅值，檢測結果如圖15所示。

圖15 不同長度、深度缺陷檢測結果Fig.15 Test results of defects of different lengths and depths

由圖15可得，缺陷信號均呈現單峰狀態，埋深為6 mm時缺陷1、缺陷2、缺陷3和缺陷4信號幅值分別為211.91、444.24、413.78、816.33 mV。缺陷長寬不變，缺陷2信號幅值為缺陷1的2.10倍，缺陷4信號幅值為缺陷3的1.97倍， 缺陷信號幅值隨深度增加而變大；缺陷寬深不變，缺陷3信號幅值為缺陷1的1.95倍，缺陷4信號幅值為缺陷2的1.84倍，缺陷信號幅值隨長度增加而變大。為進一步對比缺陷信號幅值與體積當量的關系，以缺陷1為基準，將缺陷1～4的信號幅值與體積當量通過倍數關系進行對比，對比結果如圖16所示。

圖16 缺陷信號幅值與體積當量對比結果Fig.16 Comparison results of defect signal amplitude and volume equivalent

由圖16可得，缺陷1～4的檢測信號幅值與其體積當量關系相對應，同時保證缺陷體積當量一致時，對比缺陷2與缺陷3的檢測信號可發現，缺陷2的檢測信號幅值相比缺陷3增加了6.86%， 因此在一定缺陷尺寸范圍內，缺陷體積當量相同，優化后探頭對缺陷深度更加敏感。試驗結果與仿真結果一致，表明優化后平面遠場渦流探頭可實現對飛機金屬鉚接構件隱藏缺陷的檢測。

4 結 論

1) 屏蔽阻尼可迅速衰減直接耦合通道磁場能量，使得遠場區提前并縮短線圈間距，當屏蔽阻尼為鋁+銅時，屏蔽性能達到最佳，遠場區距離激勵線圈中心最近，此時遠場區位于距離激勵線圈中心30 mm處。

2) 保證線圈中心距為30 mm不變時，隨著激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角減小，旋轉檢測半徑增大，導致檢測信號幅值相位均呈下降趨勢，同時探頭尺寸變大，當激勵線圈-鉚釘-檢測線圈夾角為180°時，檢測效果達到最佳，探頭尺寸相對較小。

3) 優化后平面遠場渦流探頭可檢測埋深6 mm、 長×寬×深尺寸為5 mm×0.2 mm×1 mm的金屬鉚接構件隱藏缺陷，缺陷信號幅值與其體積當量關系相對應，且隨缺陷長度、深度的增加呈上升趨勢，同時在一定缺陷尺寸范圍內，缺陷體積當量相同，優化后探頭對缺陷深度更加敏感。