基于渦流陣列檢測技術(shù)的飛機缺陷檢測技術(shù)

基于渦流陣列檢測技術(shù)的飛機缺陷檢測技術(shù)

0宏觀缺陷檢測損傷檢測（ndt）是應(yīng)用物理、電子、材料科學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，發(fā)展起來的綜合應(yīng)用科學(xué)。在不改變檢測對象的狀態(tài)和使用性能力的前提下，有效測試和測試不同的技術(shù)材料、零件和產(chǎn)品，以評估不同的可靠性、連續(xù)性、安全性、力學(xué)、物理和化學(xué)特征。渦流陣列技術(shù)是近十年內(nèi)出現(xiàn)的一項新的渦流檢測技術(shù),通過渦流檢測線圈結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計,借助計算化的渦流儀強大的分析、計算及處理功能,實現(xiàn)對材料和零件的快速、有效的檢測,因其效率高、掃描區(qū)域大,可以同時檢測多個方向,在機械制造、冶金、石油化工、航空航天、核能電力等行業(yè)獲得廣泛使用。1無損檢測可靠性的要求在飛機設(shè)計早期,對無損檢測的要求只是把有缺陷的零件分選出來,即無損探傷。二次世界大戰(zhàn)后,在飛機安全壽命設(shè)計階段,鑒于對疲勞問題的重視,材料工程專家認識到,材料或零件中細小的冶金或加工缺陷往往就是疲勞源,由此對無損檢測提出了提高檢測靈敏度和研究疲勞損傷檢測方法的要求。隨著高強度、超高強度材料在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,20世紀60年代出現(xiàn)了多起由安全壽命引起的飛機災(zāi)難性事故,使人們認識到安全壽命并不能保證安全,無損檢測也不能保證不漏檢,從而給飛機設(shè)計思想和無損檢測的可靠性帶來了新的挑戰(zhàn)。破損安全設(shè)計通過使用多載荷通道或止裂裝置,在結(jié)構(gòu)件壽命期間,能防止疲勞裂紋或其它損傷在規(guī)定的檢驗周期內(nèi)不被破壞,從而有效地減少了早期失效問題。斷裂力學(xué)的發(fā)展使飛機設(shè)計思想更臻完善,基于斷裂力學(xué)理論進行的損傷容限設(shè)計和對無損檢測可靠性進行定量評定的要求幾乎同時形成。損傷容限設(shè)計是假定在所有材料中均會出現(xiàn)初始缺陷而去考慮它們對結(jié)構(gòu)完整性的影響。顯然,它的實施必須與無損檢測密切配合。最大允許初始尺寸(αNDT)的確定,使用期間缺陷是否萌生和發(fā)展到何種程度,均取決于無損檢測的檢出能力和可靠性。目前,無損檢測已進入到了無損評價(Non-DestructiveEvaluation,簡稱NDE)階段,可對材料在設(shè)定的應(yīng)力及環(huán)境載荷下,在給定的壽命期間能否可靠使用或作長期保存后是否仍能可靠使用做出評價。沒有無損檢測的支持,損傷容限設(shè)計便沒有意義,設(shè)計人員正是利用無損檢測的精確度和可靠性作為基礎(chǔ)之一進行設(shè)計的。2無損檢測技術(shù)目前,較為成熟并在工程中得到廣泛應(yīng)用的檢測方法有磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測、超聲檢測、射線檢測等常規(guī)檢測方法。此外,目視檢測、磁記憶檢測、紅外檢測、聲振檢測、聲發(fā)射檢測、微波檢測等無損檢測技術(shù)也逐漸得到廣泛使用。按檢測原理來分類,常用方法見表1。在工程實踐中,通常采用兩種或兩種以上不同的檢測方法對缺陷/損傷進行檢/監(jiān)測,以便互相驗證和補充。2.1渦流陣列檢測方法與傳統(tǒng)的渦流檢測技術(shù)相比,渦流陣列的主要不同點在于,其探頭是由多個獨立工作的線圈排列而成,且激勵與檢測線圈之間形成兩種相互垂直的電磁場傳遞方式,有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的線性缺陷。新型渦流陣列采用如圖1所示的驅(qū)動方式,即將42通道的渦流陣列探頭分成8極、6次激發(fā),在同一時間渦流探頭的敏感組件并不同時對試樣進行掃描,而是一次掃描一個通道,這樣各線圈間就不會受到信號干擾,然后將各個通道的掃描信息結(jié)合在一起,形成完整的掃描圖樣。渦流陣列探頭的檢測效率一般是常規(guī)渦流檢測方法的10倍～100倍,掃描覆蓋區(qū)域大,使得在保持高分辨基礎(chǔ)上一次掃描能覆蓋更大區(qū)域,并且不存在對某一走向缺陷和長裂紋的“盲視”問題,對不同方向的線性缺陷具有一致的檢測靈敏度。根據(jù)被檢測零件的尺寸和型面進行探頭外形設(shè)計,可直接與被檢測零件形成良好的電磁耦合,不需要設(shè)計、制作復(fù)雜的機械掃查裝置;能用于掃描檢測任何固定形狀構(gòu)成的檢測面,如飛機機體、輪轂、發(fā)動機渦輪盤榫齒、外環(huán)、渦輪葉片等構(gòu)件的表面。我國目前有關(guān)渦流陣列應(yīng)用的研究很少,只有一些理論性研究,但在國外有很多人對渦流陣列的應(yīng)用進行了研究。美國學(xué)者使用固定安裝MWM和掃描MWM渦流陣列來檢測鋼和鋁合金中的微裂紋(表面長度遠小于250μm),還可用于在線連續(xù)監(jiān)控疲勞裂紋的萌生和擴展,甚至能夠檢測出裂紋萌生前的損傷。近代用于制造飛機、航空發(fā)動機的材料仍以鋁合金、鈦合金、高強度結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱合金為主。這些材料制成的各種航空零件大多是在高應(yīng)力、高溫、高壓、高速等惡劣環(huán)境下服役,它們在飛行運轉(zhuǎn)中是否可靠,直接關(guān)系到飛機安全問題。據(jù)統(tǒng)計,飛機、航空發(fā)動機上的各種金屬零件在使用中產(chǎn)生的裂紋有90%以上是在零件的表面。用渦流探傷法探測這些表面裂紋,可靠性高,不僅不需要清除零件表面的油脂、積碳和保護層,且多數(shù)在不分解飛機的前提下,在外場就可對飛機進行原位探傷。2.2渦流陣列檢測利用加拿大R/DTech公司制造的OmniScan渦流陣列儀對飛機上經(jīng)常使用的高強度結(jié)構(gòu)鋼300M的疲勞裂紋萌生進行監(jiān)測,如圖2所示。此渦流陣列儀采用了多路技術(shù)采集數(shù)據(jù),能避免不同線圈之間的互感。渦流陣列儀尺寸為244mm×182mm×57mm,頻率范圍從20Hz至6MHz,用以檢測表面裂紋的探頭SBBR-025-01M-032的頻率范圍是300Hz～300kHz。下面對比視頻顯微鏡監(jiān)測的裂紋尺寸來檢測渦流陣列儀圖像,并進行分析說明。圖3(右)所示的細條就是疲勞裂紋,其余大片區(qū)域是沒有裂紋的完整區(qū)域。細條邊上較淡顏色部分則是開的縫對檢測的影響,開的縫有一定寬度,受到渦流邊緣效應(yīng)的影響。一般當(dāng)線圈移近工件的邊緣時,渦流流動的路徑發(fā)生畸變,會產(chǎn)生稱之為“邊緣效應(yīng)”的干擾信號。這種干擾信號很強,一般會遠遠超過所要檢測的信號,在渦流檢測中通常要用一些電或機械的方法來消除邊緣效應(yīng)的影響。但是在渦流陣列中影響不是很大,只影響圖像的顏色和處于邊緣的缺陷信息。在渦流陣列儀監(jiān)測到的圖像中,左上部和左下部分別是阻抗圖和帶狀圖。裂紋或缺陷深度不同時,阻抗平面圖不同;帶狀圖可以很容易看出缺陷長度,即阻抗圖在X、Y軸上的投影。2.3飛機蒙皮內(nèi)部缺陷檢測選用飛機蒙皮常用的2024-T3鋁合金作為實驗材料。在尺寸為250mm×90mm×1.3mm的鋁板上的一面做出不同腐蝕減薄的缺陷,通過變換兩層鋁合金板的相對位置,可以改變埋藏缺陷出現(xiàn)的深度位置,如圖4所示。對于不同深度的腐蝕缺陷,設(shè)腐蝕深度為d,從A到D出現(xiàn)缺陷的位置分別記為d、1.3、(1.3+d)、2.6。以掃描初始位置為坐標原點,掃描方向定為x軸正方向和缺陷的長度(Lx)方向,缺陷的寬度(Ly)方向定為y軸方向,埋藏缺陷出現(xiàn)位置的深度(Lz)定為z軸方向。檢測頻率為5kHz,探頭電壓為3.0V,增益69dB,掃描速率為16.70mm/s。以檢測位置C為例,將探頭的坐標原點與檢測試樣的坐標原點重合,開始掃描,檢測已知缺陷(Lx=7mm,Ly=8mm),掃描所得缺陷圖像如圖5所示,其在X1軸方向和在Y1軸方向的結(jié)果如圖6所示。針對飛機蒙皮內(nèi)部出現(xiàn)埋藏缺陷的檢測問題研究,得出通過該檢測方法可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生腐蝕損傷的部位、程度以及在多層結(jié)構(gòu)中埋藏的位置,證明了該檢測方法的可行性。同時,渦流檢測具有攜帶方便、可定量測量的優(yōu)點,可廣泛應(yīng)用于飛機蒙皮表面和埋藏缺陷的測量。3所謂的飛機制計在控制飛機的整體質(zhì)量方面的作用3.1無損檢測是設(shè)計單位的基產(chǎn)品的質(zhì)量主要是由設(shè)計質(zhì)量決定的?？煽啃院途S修性實質(zhì)上是設(shè)計質(zhì)量的擴展和延伸?？吭O(shè)計確定產(chǎn)品的性能、可靠性和可維修性的水平;靠設(shè)計選擇產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式,制定檢查、試驗的方法和驗收標準,設(shè)計決定產(chǎn)品的固有質(zhì)量。沒有無損檢測的參與,設(shè)計人員對產(chǎn)品質(zhì)量的要求是難以控制的。反之,這些信息的反饋也可對設(shè)計質(zhì)量的提高起著重要作用。20世紀80年代美國就發(fā)布了軍用標準MIL-I-6870E“飛機、導(dǎo)彈材料和零件無損檢測要求”,與MIL-STD-1530“飛機結(jié)構(gòu)完整性大綱、飛機要求”及MIL-A-8344“飛機損傷容限要求”配合使用。在該標準中明確提出設(shè)計單位應(yīng)考慮無損檢測的實際能力,以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計要求與無損檢測的靈敏度、分辨力和可靠性相一致。更要求設(shè)計單位成立無損檢測技術(shù)要求審查部,凸顯了無損檢測新技術(shù)開發(fā)的重要性。3.2供熱工藝要求當(dāng)飛機完成總體設(shè)計和詳細設(shè)計后,設(shè)計圖紙、資料下達到研制生產(chǎn)部門,其第一步的工作就是獲得能符合零件設(shè)計要求所需的原材料,向材料研制、供應(yīng)單位提出化學(xué)成分、力學(xué)性能以及無損檢測方面的技術(shù)要求。另外,冷熱加工工藝方面也與無損檢測技術(shù)存在緊密配合、相互依從的關(guān)系。目前各種飛機都大量使用新材料,特別是鈦合金和復(fù)合材料,最新的B787復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)重量的50%,見圖7。對這兩類材料用通常的檢測方法,特別是常規(guī)超聲波探傷方法都不適合。對復(fù)合材料而言,檢測的基本要求是能大面積檢測其脫黏、分層及性能退化等,因此,非接觸式檢測技術(shù)如超聲、聲發(fā)射更能發(fā)揮作用。隨著新型飛機的引入,研制出能在交貨和將來維修時都能有效實施大面積檢測的無損檢測方法,是一項應(yīng)當(dāng)引起重視的任務(wù)。渦流陣列技術(shù)和聲發(fā)射檢測技術(shù)對新機的檢測可以發(fā)揮重要作用,特別是渦流陣列技術(shù)對于檢測渦輪葉片根部裂紋具有極佳的應(yīng)用前景。3.3無損檢測技術(shù)在飛機使用過程中,無損檢測技術(shù)的主要任務(wù)是保證飛機的結(jié)構(gòu)完整性。為保證使用的可靠性,使用部門必須根據(jù)設(shè)計部門規(guī)定的周期和方法及制造部門所提交的具體零部件的檢測細則對指定的零部件進行可靠的無損檢測。在美國,“為延長老齡飛機使用年限所需的新的無損檢測方法”在1991年即已列入美國國家關(guān)鍵技術(shù)委員會向總統(tǒng)提交的報告中。目前無損檢測已從單純的檢測發(fā)展到對飛機、發(fā)動機零件的安全使用壽命進行評價。由于飛機結(jié)構(gòu)受環(huán)境腐蝕的問題日益嚴重,不少飛機往往在其飛行壽命遠未達到的情況下,因關(guān)鍵結(jié)構(gòu)腐蝕而提前退役或引起嚴重事故。因此,日歷壽命一直是人們極為關(guān)心的問題。為研究日歷壽命,首先必須研究日歷損傷,人們對腐蝕程度的檢測通常是利用超聲或渦流測厚的原理,根據(jù)材料厚度的變化來確定腐蝕的嚴重程度和量級,但這些方法對早期腐蝕幾乎無能為力。無損檢測技術(shù)在腐蝕早期預(yù)報方面可以發(fā)揮作用,如利用聲發(fā)射的波形識別技術(shù)能有效識別腐蝕萌生階段產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。除腐蝕外,飛機面臨的另一主要問題是疲勞裂紋。疲勞裂紋擴展是一個動態(tài)過程,能對這一過程進行監(jiān)測的有聲發(fā)射等技術(shù)?，F(xiàn)在,在工業(yè)發(fā)達國家,無損檢測新技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計、研制生產(chǎn)、使用部門已被卓有成效的運用。