發(fā)電機彈性軸的超聲波相控陣檢測

(中航貴州飛機有限責任公司, 安順 561016)

某部隊無人機發(fā)電機彈性軸(見圖1)在使用過程中發(fā)生斷裂，經(jīng)專家分析，該彈性軸在安裝時存在同軸度裝配誤差，從而發(fā)生了扭轉疲勞斷裂(見圖2)。

圖1 發(fā)電機彈性軸實物圖片及尺寸示意

圖2 斷裂的彈性軸宏觀形貌

為及早檢查該彈性軸的缺陷情況，需要對該型在役飛機的彈性軸進行無損檢測。但由于該彈性軸絕大部分均安裝在其他構件內(nèi)部，僅端頭部分露在外面，拆卸困難，離位難度較大，部隊無能力對該軸進行拆裝，因此只能進行原位檢測。而正因為其僅端頭部分露在外面，原位檢測無法采用目視和滲透檢測方式，故只能采用超聲波方法從端頭進行檢測，超聲波聲束傳播路徑示意如圖3所示。

圖3 超聲波聲束傳播路徑示意

1 對比試樣的制作

根據(jù)該軸的失效頻次(4次)及斷口斷裂模式，金相專家分析認為,該軸的失效方式為周向扭轉斷裂，因此周向裂紋應當是無損檢的測的重點監(jiān)控對象。為確定超聲波檢測的相關檢測參數(shù)，須先制作相應的試樣，制作時，取兩根彈性軸，其牌號、熱處理狀態(tài)等與無人機彈性軸的一致。在刻傷之前先對該試樣進行超聲波、磁粉及射線檢測，以確定不存在影響判斷的缺陷。由于試驗需對大約160 mm長的螺桿部分進行檢測，故為了保證檢測的靈敏度及分辨率，需在螺桿端頭(距檢測面15 mm處)、尾部(距檢測面160 mm處)及缺陷集中的位置(距檢測面90 mm處)分別刻制周向人工缺陷，而且為了防止缺陷反射信號的互相干擾，人工缺陷的相位應不同。

由于此次檢測沒有明確的標準，設計人員要求能檢測出寬0.2 mm，槽深1 mm的裂紋類缺陷。對比試樣上的人工缺陷的分布如圖4所示，具體為：

① 在距檢測面15 mm處刻一個寬0.2 mm，槽深1 mm的缺陷,標為缺陷1；② 試樣偏轉120°，在距檢測面90 mm處刻同樣的缺陷，標為缺陷2；③ 再 偏轉120°，在距檢測面160 mm處刻同樣的缺陷，標為缺陷3。

圖4 對比試樣結構示意

2 檢測方法的確定

由于該零件隱藏在發(fā)電機內(nèi)部，僅端頭露出，因此，選擇縱波直探頭從端頭垂直入射。從圖3可知，端頭內(nèi)徑為φ7 mm，因此選擇直徑為φ6 mm的探頭進行檢測，頻率選擇1 MHz～10 MHz。

常規(guī)探頭超聲波檢測效果如圖5所示，從圖5可以看出，其檢測效果不理想，難以發(fā)現(xiàn)缺陷,原因有以下幾點：① 端頭接觸面積小，小直徑探頭的半擴散角大，聲能小，靈敏度低；② 由于彈性軸直徑小，側壁干擾嚴重，所以雜波較多，分辨率低；③ 單一晶片既發(fā)射又接收，盲區(qū)大，導致靠近端部的缺陷不能檢出。

圖5 常規(guī)探頭超聲波檢測效果圖

由于常規(guī)超聲檢測技術存在以上弊端，而相控陣超聲技術采用多晶片探頭，具有聚焦功能,可以對焦柱的長度、焦點的尺寸進行優(yōu)化控制,提高了檢測的分辨率和信噪比[1]。同時相控陣檢測儀可控制波束的偏轉，使聲束能與缺陷形成一定角度，而且不移動探頭也能對零件進行全覆蓋檢測，對該軸周向裂紋有很好的檢出率。因此，試驗確定采用相控陣檢測技術。

3 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測技術能按照一定的規(guī)則和時序激發(fā)新的波束,波束的形狀、偏轉角度等可以通過調(diào)整激發(fā)晶片的數(shù)量、序列、以及激發(fā)時間來實現(xiàn)。而常規(guī)的超聲波檢測通常采用一個壓電晶片來產(chǎn)生超聲波,只能產(chǎn)生一個固定的波束 ,其波形是預先設計的且不能更改。

操作者按需要對儀器輸入波束角度、焦距、激活波晶片數(shù)量、掃查類型( 扇掃、線掃) 、扇掃的步進角度等參數(shù)進行采集，根據(jù)這些參數(shù)，利用采集與分析軟件計算時間的延遲，然后根據(jù)計算結果控制硬件模塊產(chǎn)生相應的動作，完成完整的相控陣控制。根據(jù)以上原理 ,相控陣超聲技術能形成 3 種基本的波形進行掃查,分別是電子掃查、波束偏轉掃查和變深度聚焦掃查(見圖6)。

圖6 相控陣超聲技術的3種基本波形掃查圖

4 檢測參數(shù)的設定及距離-波幅曲線的制作

4.1 探頭頻率及尺寸

試驗采用外徑為6 mm的訂制探頭，型號為10L16-CA,頻率為5 MHz(因為頻率越高,靈敏度越高,分辨率越好；但頻率越高,聲能衰減及側壁干擾越嚴重，檢測盲區(qū)增大。試驗采用了1 MHz～10 MHz 多個頻率的探頭逐一對比,發(fā)現(xiàn)5MHz探頭綜合效果更好)。

4.2 主要檢測參數(shù)

檢測參數(shù)有：檢測厚度,160 mm(螺桿最大長度)；材料,鋼;材料中的聲速，5 890 m·s-1；法則配置，扇形掃查；波型，縱波；晶片數(shù)量，16；扇掃描角度，20°(檢測90 mm缺陷時)/10°(檢測160 mm缺陷時)/5°(檢測15 mm缺陷時)；聚焦深度，15 mm/100 mm/160 mm(分段聚焦，保證靈敏度及分辨率)。

圖7 檢測時的超聲聲束覆蓋示意圖

4.3 靈敏度校準

連接檢測儀，探頭耦合對比試塊，找到埋深為15,160 mm的人工缺陷的最大回波，將波高調(diào)至80%(相對滿屏)，取2處缺陷的最大增益作為檢測靈敏度；此外,彈性軸斷裂位置集中在90 mm處，因此在檢測時也要著重觀察90 mm處人工缺陷的靈敏度及分辨率。

5 缺陷判讀與辨識

各缺陷的A掃及C掃圖如圖810所示。

缺陷判讀與辨識時，應注意以下幾點。

圖8 15 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

圖9 90 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

圖10 160 mm深人工缺陷的A掃及C掃圖

(1) 在檢測15 mm深的缺陷時需要加楔塊，因此在判斷時應注意楔塊反射回波的影響(見圖8)，缺陷會在一次楔塊反射回波后。

(2) 在檢測90，160 mm深的缺陷時，應注意輪廓回波的影響(見圖9，10)，但輪廓回波的波高不會超過40%(缺陷波高為80%時)。

(3) 根據(jù)設計人員的要求，彈性軸不應有裂紋類缺陷，因此使用上述方案檢測時，只要有缺陷回波信號(波高超過80%或底波嚴重下降)即可認定為超標缺陷，即認定該彈性軸為不能再使用的故障件。

6 結論

(1) 采用超聲波相控陣技術能很好地對彈性軸進行原位檢測，具有較好的靈敏度及分辨率。

(2) 此方法可以推廣到其他需進行原位檢測的零件檢測中，如機翼機身對合螺栓。