相控陣超聲檢測技術(shù)在某型飛機(jī)撐桿焊縫檢測中的試驗研究

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

某型飛機(jī)起落架撐桿是支撐飛機(jī)重量的重要構(gòu)件，在飛機(jī)滑跑、起降過程中承受較大的交變應(yīng)力及沖擊力，如圖1所示。其中焊縫位置因撐桿焊接過后連接件之間產(chǎn)生的相對位移較小，這種結(jié)構(gòu)對應(yīng)力集中較為敏感，從而會產(chǎn)生裂紋源，進(jìn)而發(fā)展成為疲勞裂紋，明顯降低結(jié)構(gòu)的承載能力，在疲勞裂紋周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中而引起斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果[1-3]。

1 檢測方法確定

由于焊縫內(nèi)、外部均需要損傷檢測，以往檢測人員采用了制造廠使用的射線檢測技術(shù)，但在在役飛機(jī)檢測中，主要的損傷是平面狀的疲勞裂紋，與制造廠檢測的氣孔、夾渣等體積性缺陷具有很大區(qū)別，而射線對裂紋不敏感，容易造成漏檢[4-6]。

另外，射線檢測還存在原位檢測不易實施、對人體有損害等缺點。因此，作者排除了射線檢測方法。

圖1 起落架撐桿焊縫位置（虛線框部分）Fig.1 Weld joint position on the landing gear strut(The dashed frame part)

超聲波具有良好的指向性，其波長短、能量大；超聲波能用于檢測裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。超聲檢測在檢測的可靠性方面比射線檢測要高，比較容易發(fā)現(xiàn)危害較大的面狀缺陷，不是射線探測所擅長發(fā)現(xiàn)的危害相對較小的體積型缺陷，而且超聲波檢測的靈敏度高、操作方便，對物體內(nèi)部缺陷的檢測有綜合優(yōu)勢，設(shè)備對人和環(huán)境沒有損害[3,7]。采用常規(guī)超聲橫波檢測時，由于焊縫區(qū)域較大，入射波束難以做到對焊縫區(qū)域的全覆蓋，極易造成漏檢[8-9]，而且試件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，橫波在傳播時由于聲束擴(kuò)散造成焊縫處超聲波能量降低，從而降低了檢測靈敏度[10]。

相控陣超聲檢測技術(shù)是常規(guī)超聲檢測技術(shù)的延伸，采用多個相互獨立陣元晶片制成的陣列換能器，通過設(shè)置各陣元晶片的激勵與接收超聲波的延遲時間，改變超聲波到達(dá)某點或某區(qū)域的相位關(guān)系，實現(xiàn)超聲合成波束聚焦點和聲束方位的變化，即聲束的聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度，方便對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測[3]。因此，本文采用了超聲相控陣進(jìn)行焊縫檢測。

2 試塊制作

試塊是調(diào)整檢測靈敏度和判斷缺陷是否超標(biāo)的重要依據(jù)，由于撐桿內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，類似管材，焊縫為V型，可依據(jù)GB/T5777-2008使用電火花制作人工標(biāo)準(zhǔn)刻傷。選擇撐桿的一段制作成參考試件，焊縫處外徑為92mm，內(nèi)徑71mm，在試件的焊縫中間位置從表面往里加工1條長 8mm、深6mm的人工槽來模擬焊縫根部的裂紋，如圖2所示。

圖2 對比試塊人工刻槽部位Fig.2 Artificial groove position on the reference block

3 建模與試驗

3.1 焊縫檢測建模

因為試件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為確保檢測參數(shù)準(zhǔn)確可行，先在軟件中對該試件建模。使用CAD畫出撐桿焊縫模型并導(dǎo)入Tomo View軟件或CIVA仿真軟件，而后通過軟件中的聲束覆蓋模擬來確定檢測位置及掃查角度范圍[8]。經(jīng)過對比分析，確定探頭應(yīng)緊貼焊縫放置，使用探頭中的后8個晶片(即9～16號晶片)產(chǎn)生40°～80°的橫波來進(jìn)行掃查，如3圖所示。

從圖3中可以看出，橫波聲束可以完全覆蓋整個焊縫，若焊縫存在缺陷，就會有超聲波反射，經(jīng)建模分析，使用相控陣超聲橫波檢測是可行的。下面依照建模工藝參數(shù)對試件進(jìn)行檢測試驗。

3.2 焊縫檢測試驗

采用的試驗設(shè)備和附件如下：

相控陣設(shè)備：Multi2000，32×128；

相控陣探頭： 5MHz，16晶片探頭；

相控陣楔塊： 55°橫波楔塊。

圖3 相控陣超聲建模掃查圖Fig.3 Scanning figure of ultrasonic phased array modeling

圖4 扇掃、A掃與3D視圖中缺陷顯示Fig.4 Defect display of fan scanning, a scanning and 3D view

檢測結(jié)果如圖4所示，4（a）是扇掃視圖，4（b）是扇掃圖中藍(lán)色角度指針?biāo)鶎?yīng)的 A掃波形圖，4（c）是3D視圖，可對檢測配置實時顯示。從圖4（a）中可以看出，在缺陷位置，出現(xiàn)了兩個信號，信號1被68°聲束發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)在焊縫根部，與人工裂紋位置吻合，判斷是裂紋根部的反射信號；信號2與信號1處在同一水平位置，深度較深，被52°聲束發(fā)現(xiàn)。通過將二次波翻折后可以看出，信號2是聲束入射到裂紋頂部位置的反射信號，如圖5所示。

圖5 二次波翻折后扇掃、A掃與3D視圖中缺陷顯示Fig.5 Defect display of the san scanning, A scanning and 3D view after secondary waves folding

圖6 C掃圖中缺陷信號分析Fig.6 Defect signal analysis of C scanning figure

添加閘門后，采用內(nèi)部時鐘觸發(fā)來對焊縫進(jìn)行連續(xù)周向掃查的C掃結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）是C掃圖，（b）是C掃圖中豎直指針?biāo)幬恢玫纳葤邎D，（c）是扇掃圖中藍(lán)色角度指針?biāo)鶎?yīng)的A掃圖。在C掃圖中，橫軸是時間軸，代表不同的軸向位置，縱軸是聲束覆蓋軸，代表試件中不同的軸向位置。從圖6中可以看出，整個掃查中只在中段發(fā)現(xiàn)了一處信號，該信號位置的扇掃圖與前面分析的缺陷處的結(jié)果完全一致，所以該信號是人工缺陷的反射信號。試驗表明，相控陣超聲橫波可以檢測出焊縫人工缺陷，可靠性較好。

4 結(jié)束語

根據(jù)試驗結(jié)果，使用相控陣超聲檢測技術(shù)對飛機(jī)起落架撐桿焊縫檢測是可行的，檢測過程中回波信號與實際焊縫結(jié)構(gòu)吻合良好，研究中使用的檢測參數(shù)對檢測該焊縫也是行之有效的。從檢測圖形來看，還存在一些雜亂顯示，而且缺陷信號沒有達(dá)到預(yù)想的幅值，可在以下兩個方面進(jìn)行改進(jìn)：一是由于焊縫兩邊的放置空間有限，使得探頭未能完整接觸工件，從軟件中的3D建模圖中可以看出，探頭的后半部分是懸空的，這使得檢測中探頭晶片未能全部激發(fā)，且穩(wěn)定性較差，若針對被檢件形狀和尺寸定制更小的專用探頭，檢測效果將會明顯改善； 二是試驗中使用的是平楔塊，而被檢件表面是圓柱形，楔塊與被檢件表面接觸面積較小，所以耦合效果較差，改進(jìn)措施為定制與被檢件曲率一致的楔塊來提升耦合效果。

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