在役飛機蒙皮夾層腐蝕渦流檢測

袁英民,程 文,楊曉華

(海軍航空工程學(xué)院青島分院,青島 266041)

飛機在沿海及內(nèi)陸濕熱地區(qū)服役期間,由于環(huán)境腐蝕和載荷的作用,飛機蒙皮結(jié)構(gòu)內(nèi)層金屬基體發(fā)生腐蝕損傷,嚴(yán)重影響飛機結(jié)構(gòu)的功能與經(jīng)濟(jì)修理,甚至影響其使用壽命,這種損傷具有較強的隱蔽性,其危害常常被忽視[1-2]。為了保證腐蝕環(huán)境下飛機的使用安全,需要得到飛機蒙皮結(jié)構(gòu)金屬基體腐蝕損傷情況。

飛機蒙皮結(jié)構(gòu)材料是LY12CZ鋁合金,為三層鋁合金復(fù)合結(jié)構(gòu),而腐蝕缺陷通常出現(xiàn)在第一層的底面和第三層的上表面,對于這些部位,采用常規(guī)渦流檢測法難以奏效。通過選取試驗參數(shù)和制作專用探頭,在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上,筆者成功地解決了這一難題,為某型飛機大修工作的順利進(jìn)行提供了有效可靠的檢測方法。

1 參考試塊的制作

參考試塊采用與飛機被檢部位相同的材料,按照被檢部位實際結(jié)構(gòu)尺寸取樣制作,并在需要檢測的部位加工出一定尺寸的圓形平底槽來模擬腐蝕。

參考試塊的制作情況如圖1所示：飛機蒙皮為三層鋁合金結(jié)構(gòu),截取尺寸為150 mm×150 mm,厚度分別為1.2,0.5和1.2 mm。根據(jù)腐蝕疲勞壽命分析,在上層鋁合金板的底部加工了深度為20%板厚,直徑為6 mm圓形平底槽,在下層鋁合金板的上表面加工同樣尺寸的平底槽作為腐蝕參考試塊。

圖1 參考試塊示意圖

2 試驗過程

2.1 頻率的選擇

檢測頻率是決定渦流檢測效果的關(guān)鍵因素。由于集膚效應(yīng),當(dāng)交變磁場透入導(dǎo)電試件時,導(dǎo)體中感應(yīng)出的渦流密度隨著距表面深度增大呈指數(shù)規(guī)律衰減[3]。通常定義渦流密度等于表面密度1/e處的深度為滲透深度δ,即：

式中μ為磁導(dǎo)率,H/m;σ為電導(dǎo)率,1Ω?m;δ為滲透深度,m;f為頻率,Hz。

滲透深度δ定性反映了渦流檢測的深度,δ大,滲透深度大,可檢測深度相應(yīng)也大,反之則小。因此,它是選擇檢測頻率的一個重要依據(jù)。當(dāng)滲透深度為三層板厚 2.9 mm時,通過計算,頻率為1 550 Hz。但通過試驗,頻率為2 000 Hz時,綜合上層下底面和下層上表面腐蝕的信號幅度、信噪比和相位分離度等各方面因素,檢測效果最好。

2.2 相位的選擇

相位特性在渦流檢測中非常有用。從渦流檢測線圈的阻抗分析可知,相位滯后角β與導(dǎo)體集膚效應(yīng)深度x有關(guān),相位滯后角隨集膚深度的增加而增大[4],即：

由于飛機蒙皮腐蝕缺陷深度位置不同,有上層底部的和下層上表面的,因此通過選擇合適的試驗頻率,依據(jù)信號的相位可以準(zhǔn)確區(qū)分被檢缺陷的位置。圖2所示即為頻率為2 000 Hz時,參考試塊的阻抗平面圖,位于上層下表面和也有層上表面的同樣大小的腐蝕缺陷所產(chǎn)生的信號大小與相位不同。由圖2可見,上層下表面腐蝕缺陷信號1幅度較大,雖然下層上表面的腐蝕缺陷面積沒變,但隨著深度位置增加,不僅信號2幅值減小,其相位也產(chǎn)生明顯的滯后。同時,圖2還清楚地顯示出腐蝕與提離效應(yīng)方向的相位差異(圖中0方向為提離信號顯示)。因而,檢測中可以通過調(diào)整合適的相位把提離效應(yīng)抑制掉。

圖2 腐蝕缺陷阻抗平面圖

2.3 儀器的選擇

渦流檢測儀首先要滿足試驗頻率的要求。既要具有較低的頻率下限和較寬的頻率范圍,以滿足試驗檢測深度需要較低頻率的要求,又應(yīng)能在低頻范圍內(nèi)作較細(xì)的調(diào)整,以便針對不同的檢測對象選擇最佳試驗頻率。

其次,渦流儀應(yīng)具有平面阻抗顯示和良好的相位調(diào)節(jié)功能。在飛機蒙皮腐蝕檢測過程中,不同位置缺陷信號的識別不僅依賴于信號幅值,更重要的是依賴于相位。不具有平面阻抗顯示的渦流儀不能提供缺陷的相位信號,因而難以準(zhǔn)確評判檢測結(jié)果。渦流儀還應(yīng)具有較大的激勵功率和增益,才能在試件內(nèi)部激勵較強的渦流場,從而獲得較大的缺陷信號。

為此,選用 ELOTEST B320渦流檢測系統(tǒng)。該儀器工作頻率范圍為10 Hz～12 MHz,相位旋轉(zhuǎn)0°～359.5°連續(xù)可調(diào) ,精度達(dá)到 0.5°;探頭激勵范圍為0～12 V;增益范圍為0～172 dB連續(xù)可調(diào),增益分為前置放大、主放大、Y廣度。具有多種阻抗平面顯示模式以及數(shù)字濾波等多種功能。

2.4 專用探頭制作

根據(jù)檢測需要,在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)上,制作了一發(fā)一收寬頻探頭,頻率范圍為25 Hz～5 MHz,探頭外徑為18 mm。該專用探頭的主要特點是直徑較大,頻域較寬,發(fā)射接收能量較大。依據(jù)理論分析,導(dǎo)體中的渦流深度不僅取決于渦流滲透深度,還與探頭直徑有直接關(guān)系。當(dāng)激勵功率相同時,將探頭放置在導(dǎo)體表面,探頭產(chǎn)生的激勵磁場透入導(dǎo)體的深度約為探頭直徑的1/4～1/3[5]。

3 檢測結(jié)果

首先用參考試塊標(biāo)定儀器。由以上分析與試驗,參數(shù)設(shè)定如圖3所示,1為上層下表面腐蝕缺陷阻抗曲線,2為下層上表面腐蝕缺陷阻抗曲線。此時提離信號為水平位置,閘門為 40%。1幅值為45%,相位為 62°;2幅值為 40%,相位為 70°。

利用參考試塊設(shè)定的參數(shù)對機體下壁蒙皮內(nèi)層腐蝕情況進(jìn)行檢測。根據(jù)幅度和相位分析,第一層下底面腐蝕深度超過其厚度20%的有5處,第三層上表面腐蝕深度超過20%的有3處。經(jīng)激光切割分解和顯微鏡深度測量檢查,驗證了渦流檢測結(jié)果。

圖3 參考試塊檢測結(jié)果

4 結(jié)語

渦流法是檢測導(dǎo)電材料表面與近表面缺陷的有效方法,因而是對在役飛機蒙皮外層腐蝕進(jìn)行無損檢測的首選方法。但是,蒙皮多層結(jié)構(gòu)夾層的腐蝕檢測問題,用常規(guī)渦流檢測方法難以奏效。通過理論分析與反復(fù)試驗,得到了滿意的結(jié)果,成功的解決了某型飛機大修蒙皮夾層腐蝕檢測問題。結(jié)論是：

(1)檢測蒙皮夾層及深層的腐蝕,檢測頻率宜選用低頻,根據(jù)檢測深度確定為2k Hz。

(2)需制作專用的渦流探頭。為了成功地檢測蒙皮夾層腐蝕,制作的探頭要求直徑較大,頻域較寬,發(fā)射/接收能量較大。

(3)應(yīng)選用帶阻抗平面顯示的渦流儀,以便有效地調(diào)節(jié)相位,區(qū)分夾層和深層腐蝕缺陷。

[1]穆志韜.海軍飛機結(jié)構(gòu)腐蝕損傷規(guī)律及使用壽命研究[D].北京：北京航空航天大學(xué),2001.

[2]劉秀麗.飛機結(jié)構(gòu)腐蝕檢測技術(shù)研究[J].機械強度,2004,26(s)：60-62.

[3]嚴(yán)仍春.渦流厚度無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J].無損檢測,1996,18(6)：169-172.

[4]張會云,嚴(yán)仍春,樓敏珠.阻抗平面顯示技術(shù)在渦流檢測信號處理中的應(yīng)用[J].無損檢測,2003,25(1)：44-47.

[5]劉寶,徐彥霖,王增勇,等.一種專用渦流換能器的設(shè)計[J].無損檢測 ,2007,29(1)：41-44.