鋁鈦雙層結構螺栓孔渦流C掃描3D成像檢測工藝研究

汪榮華，劉文波

(1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.南京航空航天大學，江蘇 南京 210000)

飛機雙層或多層金屬鉚接或螺接結構是飛機常見的航空結構，某型飛機中央翼、中機身為翼身融合結構，外翼通過高強螺栓對接到機身，同時中外翼對接帶板為鋁合金加鈦合金疊加結構的雙層螺栓孔結構(見圖1)。飛機在反復的飛行和停放過程中，螺栓孔長期受到循環拉、壓、扭等應力的作用，對接帶板螺栓孔極易產生徑向疲勞裂紋，裂紋達到一定限度后最終將導致嚴重的航空事故[1]。

圖1 某型飛機對接帶板結構形式

據無損檢測學術報告統計，在航空航天領域中渦流檢測使用率甚至已經達到50%。隨著現代航空航天產業中飛機老齡化問題的日趨嚴重，該產業對渦流無損檢測技術提出了更高的要求。針對螺栓孔的檢測方法，國內外均進行了大量的研究。宋凱等[2]針對高鎖螺栓緊固件孔邊缺陷研發放置式陣列遠場渦流傳感器，能有效檢測出埋深4 mm、長度5 mm的緊固件孔邊隱藏缺陷，但相對接觸式檢測，靈敏度較低；吳昊等[3]針對復合材料螺栓連接件不卸載情況下采用超聲紅外熱波檢測法，研究表明，當螺栓孔損傷區域超出螺帽覆蓋的范圍，能夠快速有效檢測螺栓緊固件損傷，缺點是檢出閾值必須大于螺帽覆蓋；后雪冰等[4]針對平面多層金屬鉚接結構鉚釘孔周邊裂紋設計并制作了線性陣列矩形探頭，采用旋轉式掃描的檢測方法對試塊進行了檢測，結果表明，旋轉式掃描方法對鉚釘孔周缺陷具有顯著的檢測效果，但該方法僅限于鉚釘孔周邊表面缺陷。

某型飛機在開展基地級維修過程中，外翼與中機身為分離且螺栓為分解狀態，對于鋁鈦疊加的雙層螺栓孔內壁裂紋的檢測，為快速直觀檢出裂紋分布狀態和展現空間位置，勢必需開展新的有效檢測技術研究。

1 檢測原理

法拉第電磁感應定律和電渦流效應等革命性理論構成了渦流檢測技術的基礎。當變化的磁場作用在被測導電試塊周圍時，試塊上會產生沿圓周方向漩渦電流，該電流也叫渦流(見圖2)，這種產生渦流的現象又稱渦流效應[5-7]。

圖2 渦流檢測原理示意圖

在電磁感應原理的基礎上，導電體內部產生渦流效應，根據這種效應可對導電試塊進行渦流檢測。其基本原理為：當激勵線圈通上交變電流Ia時，激勵線圈周圍產生變化的一次磁場B1，該磁場接近導電試塊時，渦流Ib會在導體中產生且大小不斷變化，由于電流的磁效應，二次磁場B2會在Ib的作用下在被測試塊周圍產生，探頭接收信號的檢測線圈會接收B2和B1兩者相互疊加的磁場，當被測導電試塊的性質發生變化，比如磁導率、電導率、缺陷等，會使被測試塊中渦流分布強度發生變化，影響線圈的電阻和阻抗，以此來分析試塊中有無缺陷的存在[8]。

2 試塊設計

對比試塊應與被檢件具有相同的合金成分、熱處理狀態、表面狀態和電磁性能，并無干擾人工缺陷檢測的自然缺陷或本底噪聲。對比試塊上的人工缺陷可采用機械加工、電火花加工或化學腐蝕等方法制作。也可根據需要，制作或選用帶有自然缺陷的對比試塊。針對鋁鈦結構雙層螺栓孔，優先選取同部位同材質毛料，按對接帶板處螺栓孔規格加工和裝配試件。在鋁合金和鈦合金不同方位設計2種或以上深度類型尺寸缺陷，驗證阻抗型旋轉渦流檢測技術和渦流C掃描成像檢測技術在2種材質狀態下缺陷檢出靈敏度和缺陷分布部位分辨能力。

將鋁合金、鈦合金疊加狀態下鉆制6個螺栓孔，其中1號孔～3號孔外徑為10，4號孔～6號孔外徑為12。疊加裝配后同編號的螺栓孔軸線一致。對于1#鋁合金試塊，1號孔、4號孔12點鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，2號孔、5號孔12點鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm；對于2#鈦合金試塊，1號孔、4號孔6點鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，2號孔、5號孔6點鐘方向分別加工1條貫穿的人工裂紋，深度(0.2±0.02) mm，寬度(0.13±0.01) mm，試塊缺陷設計圖樣如圖3所示，技術指標見表1。

圖3 鋁鈦雙層螺栓孔試塊設計圖

表1 對比試塊技術要求參數表

3 阻抗型旋轉渦流檢測實驗

在國內外大量螺栓孔檢測研究的基礎上，愛德森(廈門)電子有限公司針對鋁材質單層螺栓孔內壁缺陷采用阻抗型旋轉渦流檢測，能有效檢測出0.76 mm深缺陷，取得了較好的檢測效果，但受限于國產硬件和軟件水平，信號響應阻抗受表面狀態干擾較大，信噪比差，缺陷檢出率低。Ameco根據波音和空客民航客機維修手冊，針對雙層鋁結構采用阻抗型渦流檢測，取得了一定的效果。實驗決定嘗試采用阻抗型渦流旋轉槍檢測技術檢測鋁鈦雙層結構螺栓孔。

采用阻抗型旋轉渦流檢測技術按表2設置參數，雙層孔鋁、鈦層均無缺陷時，信號穩定在平衡原點。以表2參數標定鋁層0.76 mm深缺陷信號幅值達20%時，檢測鈦層0.76 mm深缺陷無信號(見圖4a)；增加主增益10 dB，使鋁層0.76 mm深缺陷信號幅值達100%，檢測鈦層0.76 mm深缺陷幅值信號較低，相位角較小，檢測效果如圖4b所示。

表2 阻抗型旋轉渦流檢測鋁鈦雙層孔參數

a) 標定參數狀態下的鋁、鈦層阻抗幅值信號

由圖4a和圖4b雙層結構螺栓孔阻抗旋轉渦流檢測實驗可知，在鋁、鐵材質疊加狀態下，能有效檢測出鋁層孔壁缺陷，鈦層孔壁缺陷檢測較為困難，無阻抗幅值信號；當提高主增益時，鋁層缺陷阻抗幅值明顯增大，鈦層阻抗幅值輕微顯現，檢測過程噪聲信號明顯放大，提高主增益后的參數不適用于現場檢測。綜上所述，阻抗型旋轉渦流檢測技術不適用于鋁、鈦雙層結構螺栓孔的現場檢測應用。

4 渦流C掃描3D成像檢測實驗

4.1 檢測系統

鋁鈦雙層結構螺栓孔渦流C掃描3D成像檢測技術采用雙頻渦流采集掃查信號，能有效區分雙層結構的不同電導率層及缺陷，經三維C掃描軟件處理后，可根據3D影像直觀判斷缺陷長度、深度等信息，信噪比更高，實現快速、準確、直觀識別缺陷空間分布狀態。飛機雙層結構螺檢孔C掃描3D成像檢測系統(見圖5)由陣列渦流檢測儀、旋轉掃查器、鋁鈦合金雙層結構對比試塊、系列規格掃查探頭和三維C掃描軟件組成。

a)陣列渦流檢測儀 b)三維C掃描軟件

陣列渦流檢測儀MIZ-21C是高性價比的手持式渦流儀，廣泛應用于航空工業、石油、天然氣、制造及電力行業。其工效學設計理念、長時間電池待電和直觀的觸摸屏顯示操作能夠提供更為優質的檢測效果。ZM-5是一款專用小徑孔(如螺栓孔以及緊固件孔)快速檢測的手持便攜式掃查器，實現了難以觸及區域的掃查，保證了高質量渦流信號。

4.2 試塊測試實驗

按表3實驗參數調試陣列渦流檢測儀MIZ-21C，鋁鈦雙層結構螺栓孔固定安裝，鋁合金層在上，鈦合金層作下層。調整濾波等參數，旋轉探頭無接觸狀態采集界面呈均勻，無C掃描和3D影像(見圖6a)。當掃查無缺陷的3號孔或6號孔時，采集界面基本呈現均勻(見圖6b)；當探頭掃查1號孔或4號孔時，C掃描圖像顯示裂紋缺陷，且鋁合金層缺陷與鈦合金層缺陷影像呈180°對角位置，符合試塊缺陷設計指標，3D影像缺陷波峰凸起(見圖7a)；當探頭掃查2號孔或5號孔時，C掃描圖像顯示明顯裂紋缺陷狀態，同孔內鋁層鈦層缺陷影像180°對角，3D影像缺陷波峰高聳(見圖7b)。采集影像后，調整3D影像視角，轉動觀察分析缺陷空間位置、大小、分布狀態以及缺陷形態。旋轉C掃描在鋁鈦2種材質疊加狀態下缺陷檢出靈敏度較高，缺陷分布部位分辨能力較強。

表3 對比試塊C掃描3D檢測工藝參數表

a)空采 b)無缺陷掃查

a)0.2 mm b)0.76 mm

5 結語

某型飛機基地級維修對接帶板為脫卸螺栓的鋁鈦結構的雙層螺栓孔，受交變應力作用容易在不同層產生疲勞裂紋。通過模擬缺陷形式，設計不同技術指標缺陷，開展孔壁阻抗型渦流旋轉檢測和渦流C掃描3D成像檢測實驗研究，實驗發現，阻抗型旋轉渦流檢測技術能有效檢出鋁層缺陷，無法有效檢出鈦層缺陷，不適用于鋁鈦雙層結構螺栓孔的現場應用；渦流C掃描3D成像檢測技術能有效過濾試件表面粗糙度引起的噪聲，0.2 mm和0.76 mm模擬裂紋檢測效果明顯。調整采集圖像，通過分析，能清晰獲知缺陷空間分布位置，精準定位缺陷所在孔層及方位。