一種飛機用渦流檢測對比試塊設計及應用

汪榮華

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

中華人民共和國航空行業標準（以下簡稱“航標”）HB 20193—2014《渦流檢測》第4.4.4.2.2條規定對近表面缺陷的渦流檢測，對比試樣的材料和狀態應與被檢件相同或電導率、表面狀態、形狀以及人工缺陷的位置應與被檢件相近，并且該標準附錄A給出了一種鋁合金標準試樣的尺寸和公差。該試塊適用于驗證平面區域缺陷檢驗結果，缺點是不適用于特殊結構形狀部位的檢測靈敏度調試和缺陷大小評估，如大曲率或R角內弧表面部位。檢測區域結構外形和位置影響渦流檢測過程中渦流場的分布和密度，造成設備誤報警和檢測結果不可靠。特別是飛機機體結構復雜多變，飛機中央翼、平尾和垂尾等結構部位水平筋條、豎直筋條和壁板交接處均采用大曲率圓弧過渡的方式進行一體成形，這些部位是表面疲勞裂紋高發區域。對于該特殊形狀區域缺陷渦流檢測靈敏度的調試和缺陷大小評估用的參考試塊及使用方法目前還沒有完全匹配的國家標準或行業標準。

航標HB 20193—2014附錄A給出的一種鋁合金標準試樣的另一個缺點是沒有充分考慮缺陷長度相對渦流檢測探頭外徑比值的大小對渦流檢測缺陷檢出靈敏度和缺陷大小評估的影響。當缺陷長度小于等于探頭外徑時，同等深度大小缺陷信號明顯減弱[1-4]，此類缺陷在機體結構疲勞裂紋中經常出現，尤其易出現筋條上螺栓裝配狀態下由孔邊緣延展出的短小裂紋。對于飛機結構表面疲勞裂紋缺陷檢測通常采用屏蔽式高頻點探頭進行渦流檢測，探頭外徑4 mm。機體結構螺栓孔處螺栓墊片裝配完成后，缺陷外露2～4 mm。為此，需要專門設計合適缺陷尺寸和特殊位置的對比試塊，研究使用方法，保證缺陷評估更加合理可靠。圖1為航標HB 20193—2014標準試樣圖。

圖1 航標HB 20193—2014標準試樣圖（單位：mm）

1 對比試塊設計及使用方法

從廢棄的飛機中央翼1墻中選取水平筋條、豎直筋條與壁板交接匯合處切割基材作為試塊制作的原材料，圖2、圖3為試塊俯視圖和左視圖，圖4為水平筋條與墻壁板交匯處的大曲率圓弧R4的剖面圖，圖5為水平筋條上螺栓孔螺栓墊片裝配狀態圖。從飛機原位切割具有代表性結構外形材料，根本上保證了對比試塊電導率、表面狀態、結構形狀與被檢測飛機狀態的一致性。

圖3 兩期土方計算結果

圖3 對比試塊左視圖

圖5 筋條部位螺栓孔裝配完成后缺陷示意圖

如圖2所示，在1—9標記位置加工9個缺陷。其中，缺陷1、2、3位于大曲率圓弧R與水平筋條相切的位置，缺陷4、5、6位于大曲率R弧的表面正中間位置。缺陷1和缺陷4規格為深度（0.2±0.02）mm，長度（5±0.05）mm；缺陷2和缺陷5規格為深度（0.3±0.03）mm，長度（5±0.05）mm；缺陷3和缺陷6規格為深度（0.5±0.05）mm，長度（5±0.05）mm。如圖4所示，A表示大曲率R弧表面弧度中間位置缺陷，B表示圓弧與水平筋條相切位置的缺陷。

圖4 大曲率圓弧的剖面圖

圖2中7—9標記位置表面水平方向和豎直方向分別加工缺陷。7號位置缺陷規格為水平方向深度（0.2±0.02）mm，長度（4±0.04）mm，豎直方向深度（0.2±0.02）mm，長度（6±0.06）mm。8號位置缺陷規格為水平方向深度（0.3±0.03）mm，長度（4±0.04）mm，豎直方向深度（0.3±0.03）mm，長度（6±0.06）mm。9號位置缺陷規格為水平方向深度（0.5±0.05）mm，長度（4±0.04）mm，豎直方向深度（0.5±0.05）mm，長度（6±0.06）mm。按圖2所示，7—9標記位置加工完缺陷后，3處位置裝配統一規格螺栓和墊片，此時7—9號位置水平方向外露出墊片外裂紋長度為2 mm，豎直方向外露出墊片外裂紋長度為4 mm。

圖2 對比試塊俯視圖

飛機筋條和R角渦流探傷時，使用Lemo公司高頻渦流點探頭KAS-34H-66.10.1，探頭外徑尺寸為4 mm，分別在7號缺陷和1號缺陷位置標定檢測靈敏度。探傷飛機筋條時，調節渦流設備參數，探頭輕輕劃過7號缺陷，信號阻抗幅值達到屏幕滿刻度的20%時為剛好，此時可以檢測飛機筋條表面質量狀況。當掃查飛機筋條表面渦流設備屏幕出現幅值信號時，比對信號是否達到20%幅值。若未達到20%幅值，則可判斷為表面狀態干擾信號；若幅值超過20%，則可判定此處存在缺陷。使用高頻點探頭輕輕重復來回掃查缺陷，觀察信號幅值大小。使用高頻點探頭輕輕重復來回掃查7號缺陷、8號缺陷和9號缺陷，對比筋條上缺陷的信號幅值與試塊上7—9號缺陷幅值的大小。筋條上缺陷的信號幅值高度大小最接近試塊上幾號缺陷幅值高度，則可評估飛機筋條該處缺陷深度和大小。當該處缺陷信號幅值遠超過對比試塊9號位置人工缺陷幅值時，則可直接評估該處缺陷達到報廢的水平。大曲率R角弧度上的缺陷評估遵行同樣的辦法。飛機缺陷大小的評估，為后續選擇修理方法（打磨、貼補加強、切割、報廢）提供必要依據。

2 現場應用

將原機切割件按設計技術標準加工成多形態飛機用對比試塊，使用Lemo公司結構裂紋檢測儀M2V3L，選配高頻渦流點探頭KAS-34H-66.10.1測試各加工缺陷渦流響應信號，如圖6所示。

圖6 飛機用對比試塊和渦流儀實物圖

對于螺栓墊圈外漏的2 mm、4 mm長裂紋以及大曲率R弧上表面裂紋，均具有明顯的渦流感應信號。依據HB 20193—2014《渦流檢測》附錄A標準試塊0.2 mm深人工裂紋信號幅值為20%情況下標定檢測靈敏度，測試本實驗設計加工制作的多形態對比試塊筋條平面上螺栓孔延展出的裂紋。實驗結果如圖7所示，當裂紋深度均為0.2 mm時，螺栓墊圈延展裂紋長度為4 mm時，長裂紋渦流阻抗信號幅值明顯大于長度為2 mm時的阻抗幅值。實驗結果再次驗證了缺陷長度相對渦流檢測探頭外徑比值的大小對于渦流檢測缺陷檢出靈敏度和缺陷大小評估具有重要的影響。當缺陷長度小于等于探頭外徑時，同等深度大小缺陷信號明顯減弱。實驗測試大曲率R角圓弧表面中間位置深度為0.5 mm時，人工缺陷渦流阻抗圖信號幅值明顯，如圖8所示。

圖7 不同長度裂紋渦流阻抗幅值

圖8 R角圓弧渦流阻抗幅值

3 結論

飛機結構修理過程涉及各種狀態條件，工作中需根據生產需求，參照國軍標或航標設計滿足技術質量要求的對比試塊。大曲率R角圓弧表面裂紋、螺栓墊圈外漏不同長度裂紋是結構原位較常見現象，通過設計制作對應狀態下的對比試塊，能更加科學地對結構原位缺陷進行合理的損傷評估。實驗結果再次驗證了缺陷長度相對渦流檢測探頭外徑比值的大小對于渦流檢測缺陷檢出靈敏度和缺陷大小評估具有重要的影響。當缺陷長度小于等于探頭外徑時，同等深度大小缺陷信號明顯減弱。選取合適的渦流高頻點探頭能有效地檢測出R角圓弧表面裂紋。