飛機多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層腐蝕損傷的遠場渦流檢測與評估

李小麗，陳新波，時建云2，王 莉

(1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū) 航空機械工程與指揮系，青島 266041;2.91599部隊， 煙臺 264000)

飛機多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層腐蝕的損傷位置比較隱蔽，很難及時發(fā)現(xiàn)，存在安全隱患。因此，有必要研究一種針對多層金屬結(jié)構(gòu)隱形損傷的無損檢測方法，用于及時發(fā)現(xiàn)損傷并對其進行評估，以便采取有效措施，避免結(jié)構(gòu)失效，提高飛行安全。

筆者主要對某型飛機機身、機翼蒙皮多層搭接結(jié)構(gòu)內(nèi)層損傷檢測方法進行了研究，探索了飛機多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層缺陷的檢測方法。結(jié)果表明，遠場渦流檢測的靈敏度高，可以實現(xiàn)對腐蝕缺陷的定位檢測和定量檢測。

1 飛機多層結(jié)構(gòu)損傷特點與遠場渦流檢測技術(shù)

1.1 飛機多層結(jié)構(gòu)損傷的特點

某型飛機由于常年停放，且飛行在高濕度、高溫、高鹽分的大氣環(huán)境中，所以構(gòu)成飛機主要結(jié)構(gòu)的鋁合金件受損嚴重，其中以腐蝕和腐蝕疲勞產(chǎn)生的斷裂最為嚴重。

普查發(fā)現(xiàn)，在某機場服役的大部分該型飛機均存在著較為嚴重的腐蝕問題。腐蝕嚴重的部位主要集中在鉚釘孔周圍、接縫及其他連接件的結(jié)合面；通常機身、機翼和尾翼的下表面蒙皮的腐蝕比上表面蒙皮的腐蝕更嚴重。該型飛機的機翼壁板為3層鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu)，而腐蝕缺陷(見圖1)一般出現(xiàn)在第3層與鋼結(jié)構(gòu)框架的結(jié)合面，平時維護中很難發(fā)現(xiàn)，給飛行安全帶來了極大隱患。

圖1 機翼壁板腐蝕缺陷外觀

1.2 遠場渦流檢測技術(shù)

金屬構(gòu)件檢測常用的檢測方法有超聲檢測和渦流檢測。其中，超聲檢測需要使用耦合劑才能實現(xiàn)超聲波在工件中的傳播，因此無法對多層搭接結(jié)構(gòu)的內(nèi)層缺陷進行檢測。渦流檢測不需要對工件進行直接接觸就可以檢測缺陷，且不同的檢測頻率可以實現(xiàn)不同埋深缺陷的檢測，檢測靈敏度較高，故選用渦流檢測方法。

由于趨膚效應(yīng)，目前常規(guī)渦流只能檢測工件表面及近表面缺陷[1]。為了實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)下內(nèi)層缺陷的檢測，筆者研究了低頻遠場渦流檢測技術(shù)在多層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

遠場渦流檢測技術(shù)利用處于遠場區(qū)的檢測線圈拾取由激勵線圈激發(fā)的，經(jīng)由工件中的間接耦合通道所獲得的電磁能量的變化來識別缺陷。遠場渦流檢測技術(shù)通過設(shè)計一個電磁屏蔽結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)將直接耦合通道的能量屏蔽)，有效抑制了檢測線圈的趨膚效應(yīng)，從而實現(xiàn)了對內(nèi)層缺陷的檢測[2]。

相比于普通渦流傳感器，遠場渦流傳感器檢測的是檢測線圈中的感應(yīng)電壓同激勵電流之間的相位差。遠場渦流特征曲線如圖2所示。

圖2 遠場渦流特征曲線

由幅值特征曲線可知：當(dāng)檢測線圈靠近激勵線圈時，幅值以較大的速率衰減，該區(qū)域稱為近場區(qū)；當(dāng)檢測線圈遠離激勵線圈時，幅值以較小的速率衰減，該區(qū)域稱為遠場區(qū)，在近場區(qū)和遠場區(qū)之間的一段區(qū)域稱為過渡區(qū)；在過渡區(qū)有一個明顯的幅值拐點。由相位特性曲線可以看出，在過渡區(qū)出現(xiàn)了90°相位的急劇變化。幅值拐點和90°相位變化都是遠場渦流現(xiàn)象的重要特性。

在遠場區(qū)的相位滯后可以近似用一維趨膚效應(yīng)公式來計算。

(1)

式中：θ為檢測線圈感應(yīng)電壓的相位滯后；h為板的厚度；f為激勵頻率；μ為被檢測材料的磁導(dǎo)率；σ為被檢測材料的電導(dǎo)率。

因此，只要測出相位滯后，由式(1)就可以計算出板層的厚度，像裂紋、腐蝕減薄等缺陷都可以看作是厚度的減小，這樣就可以得出缺陷的相關(guān)信息。

2 試驗方法

2.1 標準試樣的制作

為了建立缺陷位置和深度信息與渦流檢測信號之間的關(guān)系，設(shè)計加工了標準試樣。試樣采用與飛機蒙皮材料一樣的硬鋁合金板。

在尺寸為200 mm×200 mm×2 mm(長×寬×高)的硬鋁合金板的下表面預(yù)制不同深度、不同直徑的圓形平底孔來模擬不同大小的腐蝕缺陷。預(yù)制平底孔的直徑分別為10，15，40 mm，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0 mm，其余部分表面平整無損傷，標準試樣結(jié)構(gòu)示意及實物如圖3所示，標準試樣模擬缺陷尺寸如表1所示。

表1 標準試樣模擬缺陷尺寸 mm

2.2 檢測與評估方法

2.2.1 檢測頻率的影響

在渦流檢測中，檢測頻率是決定渦流檢測效果的關(guān)鍵因素[3]。為了確定檢測頻率，以標準試樣為檢測對象，將探頭依次放置在試件表面，對不同大小、不同深度的缺陷進行掃查，并記錄檢測信號。通過對不同頻率下的檢測效果進行對比，確定最優(yōu)化檢測頻率及相應(yīng)的工藝參數(shù)。

圖3 標準試樣結(jié)構(gòu)示意及實物

圖4 檢測頻率與信號幅值之間的關(guān)系

2.2.2 缺陷深度的影響

在最優(yōu)化檢測頻率及工藝參數(shù)的條件下，以φ15 mm平底孔為研究對象，分別檢測深度為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，2.0 mm的模擬缺陷，并記錄檢測信號，研究缺陷深度與檢測信號之間的關(guān)系。

2.2.3 缺陷面積的影響

在最優(yōu)化檢測頻率及工藝參數(shù)的條件下，以深度為0.2 mm的平底孔為研究對象，分別檢測直徑為10，15，40 mm的模擬缺陷，并記錄檢測信號，研究缺陷面積與檢測信號之間的關(guān)系。

2.2.4 腐蝕缺陷的檢測定位

分別以φ15 mm，深度為0.2，0.6 mm的模擬缺陷為檢測對象，通過在缺陷上方分別不加蓋(缺陷埋深0 mm)、加蓋一層(缺陷埋深1 mm)、加蓋兩層(缺陷埋深2 mm)完好的硬鋁合金板，分析不同埋深缺陷的檢測信號，研究缺陷埋深對檢測結(jié)果的影響。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 檢測頻率選擇試驗結(jié)果

檢測頻率是決定渦流檢測效果的關(guān)鍵因素，為了確定檢測頻率，以3層板下表面0.2 mm深的腐蝕模擬缺陷為檢測對象，研究檢測頻率。首先，由式(1)計算可得檢測頻率f=424 Hz。以此頻率為參考，在頻率范圍100 Hz1 kHz之間研究最佳的檢測頻率。檢測頻率與信號幅值之間的關(guān)系如圖4所示。

試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)檢測頻率大于400 Hz時，能夠識別出3層板下0.2 mm深的模擬缺陷，且隨著頻率的增加，信號幅值逐漸增大，但當(dāng)達到1 000 Hz時，信號的穩(wěn)定性變差。由此可得，當(dāng)檢測頻率為800 Hz時，檢測信號的幅值、信噪比和相位分離度等各方面均達到最佳。遠場渦流檢測工藝參數(shù)如表2所示。

表2 遠場渦流檢測工藝參數(shù)

檢測步驟：將探頭放置在平衡點，點擊“一鍵設(shè)置”，設(shè)置后前放增益為20 dB，查看并調(diào)整提離信號方向(調(diào)整方法：將探頭放置在平衡點，點擊“平衡”，提起探頭并保持提離信號1 000 mV左右不變，按下“智能提離”)，設(shè)置XY增益為11，再次平衡，開始檢測。

3.2 缺陷深度試驗結(jié)果

在最佳檢測頻率下，試驗主要研究多層結(jié)構(gòu)下，檢測靈敏度和缺陷深度與信號幅值之間的線性關(guān)系。以直徑為15 mm，深度分別為0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mm的模擬缺陷為檢測對象，得到缺陷深度與信號幅值之間的關(guān)系(見圖5)。由圖5可知，在800 Hz的檢測頻率下，該方法能夠檢測出的最小缺陷為3層板下0.1 mm深的缺陷。

以x軸代表缺陷深度，y軸代表信號幅值，對檢測數(shù)據(jù)進行分析，得到缺陷深度與信號幅值關(guān)系曲線(見圖6)。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷深度在0.2 mm以上時，檢測信號幅值與被檢測缺陷深度之間呈線性遞增關(guān)系，信號幅值與缺陷深度函數(shù)為

y=2 374.4x+196.29y

(2)

擬合方差為0.990 7，擬合效果較好，該函數(shù)關(guān)系可以作為對缺陷進行缺陷定量分析的依據(jù)。

圖5 缺陷深度與信號幅值之間的關(guān)系

圖6 缺陷深度與信號幅值關(guān)系曲線

3.3 缺陷面積試驗結(jié)果

主要研究了多層結(jié)構(gòu)下缺陷面積對檢測結(jié)果的影響。以深度為0.2 mm，直徑分別為10，15，40 mm的模擬缺陷為檢測對象進行檢測，得到缺陷面積與信號幅值之間的關(guān)系(見圖7)。試驗發(fā)現(xiàn)缺陷面積越大，缺陷信號越明顯。

為了研究缺陷信號幅值與缺陷大小之間的關(guān)系，令橫軸代表缺陷直徑，縱軸代表信號幅值與缺陷直徑的乘積，對檢測數(shù)據(jù)進行分析，得到缺陷直徑與信號幅值關(guān)系曲線(見圖8)。利用數(shù)據(jù)分析軟件，得到該曲線的擬合函數(shù)為

圖7 缺陷面積與信號幅值的關(guān)系

圖9 不同埋深與信號幅值的關(guān)系(φ15 mm,0.2 mm深)

y=970.48xy-3 780.7

(3)

擬合方差為0.998 4，擬合效果較好。在1層板下表面缺陷檢測和2層板下表面缺陷檢測中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。

圖8 缺陷直徑與信號幅值關(guān)系曲線

1層板下表面信號的幅值-缺陷直徑函數(shù)為

y=2 439.2xy-11 942

(4)

2層板下表面信號的幅值-缺陷直徑函數(shù)為

y=1 652.6xy-7 967.2

(5)

擬合方差分別為0.999 0和1.000 0，擬合效果較好。該函數(shù)關(guān)系可以作為對缺陷進行定量分析的依據(jù)。

3.4 腐蝕缺陷檢測定位探究

主要研究缺陷埋深對檢測結(jié)果的影響，以φ15 mm，深度為0.2 mm的缺陷作為檢測對象，通過在缺陷上方分別不加蓋(缺陷埋深0 mm)、加蓋一層(缺陷埋深1 mm)、加蓋兩層(缺陷埋深2 mm)完好的硬鋁合金板，實現(xiàn)對不同埋深缺陷的檢測信號研究，檢測結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，缺陷埋深與檢測信號的相位有關(guān)。當(dāng)缺陷位于表層蒙皮時，檢測信號相位接近135°；當(dāng)缺陷位于第二層蒙皮時，檢測信號相位接近90°；當(dāng)缺陷位于第三層蒙皮時，檢測信號相位接近45°。由此可見，通過相位可以實現(xiàn)對腐蝕缺陷的定層判別。

為了進一步探究檢測信號相位、蒙皮層數(shù)以及缺陷埋深的關(guān)系，以φ15 mm，深度為0.6 mm的模擬缺陷為檢測對象，對不同埋深下的缺陷進行檢測，分析判斷相位與蒙皮層數(shù)、缺陷埋深的對應(yīng)關(guān)系。不同埋深與信號幅值的關(guān)系(φ15 mm,0.6 mm深)如圖10所示。

圖10 不同埋深與信號幅值的關(guān)系(φ15 mm,0.6 mm深)

令橫軸代表缺陷埋深， 縱軸代表信號相位，分析檢測數(shù)據(jù)，得到缺陷埋深與信號相位角的關(guān)系曲線(見圖11)。利用數(shù)據(jù)分析軟件，得到該曲線的擬合函數(shù)為

圖11 缺陷埋深與信號相位角的關(guān)系曲線(φ15 mm,0.6 mm深)

y=-22x+130.08

(6)

擬合方差為0.977 3，值在0.951.00之間，擬合關(guān)系非常好。由此，可以總結(jié)出埋深-相位公式，用于對腐蝕缺陷的定位檢測和定量分析。

4 結(jié)語

(1) 遠場渦流檢測方法能有效避免趨膚效應(yīng)的影響，采用合適的檢測頻率可以實現(xiàn)對多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層腐蝕的檢測。

(2) 采用遠場渦流檢測方法可以檢測3層板下的最小缺陷為0.1 mm深的缺陷，且缺陷深度和面積與信號幅值之間呈線性關(guān)系。

(3) 研究獲得了缺陷埋深與檢測信號之間的線性關(guān)系，并推導(dǎo)出對應(yīng)的線性公式。

由以上結(jié)論可以看出，遠場渦流檢測技術(shù)可以實現(xiàn)對多層結(jié)構(gòu)內(nèi)層腐蝕缺陷的定位檢測和定量檢測。檢測時通過對相位的分析，判斷缺陷的埋深，結(jié)合飛機蒙皮的單層厚度確認缺陷所在蒙皮層數(shù)，然后再根據(jù)埋深和層數(shù)調(diào)用相應(yīng)的公式，從而獲得缺陷位置的準確信息。