飛機結構外R區(qū)的在役原位檢測方法

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(中國飛機強度研究所，西安 710065)

無損檢測技術在飛機的全壽命過程中起著極其重要的作用，它對保障飛行安全，延長飛機壽命都具有非常重要的意義[1]。在飛機的制造、生產(chǎn)、運營過程的在役檢測、日常維護和檢查中，無損檢測都發(fā)揮了極其重要的作用[2]。

飛機結構的外R區(qū)在受到振動及其他因素的影響后會產(chǎn)生裂紋或裂紋擴展，進而產(chǎn)生結構斷裂和脫落，給飛行安全帶來隱患。但結構外R區(qū)所處位置空間狹小，其前部有連接件及連接底座，遮擋了檢測區(qū)域(見圖1)，且被檢R區(qū)曲率較大，常規(guī)檢測工作難以實施，因此需要對飛機的該區(qū)域進行在役原位檢查。

筆者運用目前成熟的無損檢測技術，研究了適合某飛機結構外R區(qū)的在役原位檢測方法，并對該檢測方法的檢出能力及可靠性進行了試驗驗證，最后制定出可靠的飛機結構外R區(qū)的在役原位檢測工藝。

1 損傷分析

根據(jù)相關試驗和斷口分析結果，以及設計人員的損傷容限計算，了解到某飛機結構外R區(qū)的結構及可能產(chǎn)生的損傷情況。

(1) 結構外R區(qū)材料為LY12鋁合金，板厚為3 mm，半徑為1.5 mm，采用彎板成型。

(2) 結構外R區(qū)位于飛機機身外部，無整流保護且暴露在外，在飛行過程中受氣流影響產(chǎn)生振動，易在R區(qū)外側產(chǎn)生振動疲勞裂紋。

(3) 該區(qū)域樣件進行過振動試驗，有個別樣件在振動試驗過程中發(fā)生了斷裂，通過斷口分析判斷裂紋分別起源于前段外R區(qū)外側端頭和中間位置，裂紋沿R區(qū)徑向擴展直至斷裂。

由此得出，某飛機結構外R區(qū)可能產(chǎn)生的損傷為表面裂紋，所在的區(qū)域可能為前段R區(qū)外側，裂紋沿R區(qū)擴展。

2 檢測工藝的確定

2.1 分析檢測對象

(1) 檢測對象：某飛機結構外R區(qū)前段，R區(qū)外側。

(2) 檢測的損傷類型：表面疲勞裂紋。

(3) 裂紋可能出現(xiàn)的位置及走向：表面裂紋位于R區(qū)外側中間位置，可能出現(xiàn)在端頭或中部，裂紋可能沿前段R區(qū)徑向擴展。

(4) 裂紋尺寸：由于裂紋深度方向的擴展比長度方向的擴展更危險，經(jīng)與設計單位協(xié)商確定，要求檢出的裂紋深度為0.2 mm，長度為2.0 mm?？蓢L試更小的裂紋深度和長度。

(5) 采用含有不同尺寸人工模擬裂紋的對比試塊，測定該檢測工藝的檢出能力和可靠性，以制訂檢測損傷驗收標準及檢測工藝。

2.2 設計對比試塊

依據(jù)結構特點、表面裂紋可能出現(xiàn)的位置與走向，結合無損檢測的特點及設計人員的要求，最終確定對比試塊的技術要求，如下所述。

(1) 對比試塊的結構形式、外形尺寸、使用的材料及加工方法應與被檢零件相同。

(2) 對比試塊上損傷可能出現(xiàn)的位置、走向、尺寸與預估結果相同，該飛機結構外R區(qū)對比試塊人工缺陷設計要求為：人工缺陷設部位應為該飛機結構外R區(qū)正面上表面R區(qū)端頭和中部；人工缺陷數(shù)量為每件兩條，共6條；對比試塊人工缺陷設計尺寸要求如表1所示，寬、深的精度要求均為±0.02 mm，長的精度要求為±0.05 mm。

(3) 采用電火花在樣件上刻槽的方式來模擬安裝架可能產(chǎn)生的表面裂紋。

表1 外R區(qū)對比試塊人工缺陷設計尺寸要求 mm

(4) 對比試塊加工方應提供檢驗合格證書，包括對比試塊人工缺陷的檢驗證書。

2.3 制作對比試塊

該飛機結構外R區(qū)樣件從成品中抽樣，共抽3件，使用電火花在樣件上刻槽的方式來模擬可能產(chǎn)生的表面裂紋。對比試塊上刻槽加工的實際尺寸如表2所示，兩個對比試塊人工缺陷外觀如圖2所示。

表2 對比試塊上加工的缺陷實際尺寸 mm

圖2 對比試塊人工缺陷的外觀

2.4 選擇檢測方法

在選擇檢測方法時，應考慮R區(qū)外側結構的材料和結構形式，在飛機上所處的位置，原位檢測的要求，不同檢測方法對缺陷的敏感性，不同檢測方法的適用范圍、優(yōu)缺點、經(jīng)濟性和不同檢測方法在飛機上的可達性等諸多因素。

目前，在航空領域廣泛應用的無損檢測方法有超聲波檢測、X射線檢測、磁粉檢測、渦流檢測和滲透檢測等5大常規(guī)檢測技術，這幾項檢測技術都已十分成熟，但由于檢測原理不同，這5種無損檢測方法各有優(yōu)勢和局限性。

(1) 由于磁粉檢測只適用于鐵磁性材料表面或近表面的檢測，而該飛機結構材料為LY12鋁合金，為非鐵磁性材料，因此磁粉檢測不適用。

(2) 由于射線檢測設備較大，且外場使用困難，另外射線對人體及環(huán)境會造成傷害，因此不建議使用。

(3) 滲透檢測對R區(qū)進行在役檢測時，滲透液會滲入間隙，有可能產(chǎn)生腐蝕缺陷，因此不允許使用。

(4) 超聲檢測多用于內(nèi)部損傷的檢測，表面或近表面缺陷的檢測較少使用。

(5) 渦流檢測用于表面或近表面缺陷的檢測，由于表面檢測靈敏度高、設備小巧、方便外場使用，且檢測效率高、成本低，因此選用渦流法。

通過上述分析，決定將渦流檢測作為該飛機結構外R區(qū)的檢測方法。

2.5 制定無損檢測工藝

(1) 檢測前應拆除R區(qū)前部連接件及底座，保證檢測探頭能充分接觸到被檢區(qū)域，以順利完成檢測工作。

(2) 試驗頻率是渦流檢測成敗的關鍵因素。由于被檢缺陷為表面疲勞裂紋，頻率應選擇高頻段500 kHz～2 MHz。隨著頻率的增加，檢測靈敏度增大。但被檢R區(qū)曲率較大，頻率的增加易造成掃查過程中零點的大幅漂移，給現(xiàn)場操作帶來困難。經(jīng)反復測試，將檢測頻率定為700 kHz。

(3) 利用相位調節(jié)技術可以成功地分辨或抑制某些影響因素。相位調節(jié)的目的是區(qū)分損傷信號與提離信號，通過相位的調整來抑制提離效應，經(jīng)反復測試，相位定為284°。

(4) 增益調節(jié)技術可以改變檢測信號的幅值，使損傷信號更易識別。隨著增益的增加，檢測靈敏度增加，但本底噪聲也會增加，影響檢測結果的判斷。經(jīng)反復測試，增益定為47 dB。

(5) 在進行原位檢測時，檢測部位的可達性是影響探頭的一個重要因素。由于被檢區(qū)域接觸面小，故宜選擇點探頭。為了減少周圍曲面的影響需采用屏蔽探頭，另外由于空間狹小,要求探頭桿較細，且長度能充分接觸到被檢區(qū)域，因而采用平行手柄的筆式探頭(見圖3)。

圖3 檢測探頭外觀

(6) 由于空間和R區(qū)的影響，掃查只能沿R區(qū)徑向進行。掃查時使用塑料尺子作為導向軌，保持探頭穩(wěn)定，避免掃查軌跡偏離造成顯示信號偏出屏幕；兩次掃查間距為2 mm。

(7) 檢測設備應能滿足各項檢測工藝參數(shù)的需求。工作頻率范圍為10 Hz～10 MHz連續(xù)可調；相位范圍為0°～359.9°連續(xù)可調，精度達到0.1；增益范圍為-8～96 dB連續(xù)可調。設備具有多種阻抗平面顯示模式以及數(shù)字濾波等功能。

3 檢測結果

3.1 對比試塊檢測結果

對槽深為0.1，0.2 mm的對比試塊進行渦流檢測，刻槽信號輻值都大于30%，可以順利檢出損傷(見圖4，5)。

圖4 深度為0.1 mm的刻槽信號輻值

圖5 深度為0.2 mm的刻槽信號輻值

對槽深度為0.05 mm的對比試塊進行渦流檢測，刻槽信號輻值都在10%以內(nèi)，難以檢出損傷(見圖6)。

圖6 深度為0.05 mm的刻槽信號輻值

3.2 模擬涂層檢測結果

由于該飛機結構外R區(qū)是帶涂層的，涂層厚度約為0.05～0.1 mm，而試塊未帶涂層，經(jīng)與設計人員商定，用透明膠帶模擬涂層，再進行檢測。而一層透明膠帶的厚度約0.05 mm，因此分別將一層和兩層透明膠帶貼在其結構外R區(qū)后進行渦流檢測，得到下列結果。

(1) 槽深度分別為0.1，0.2 mm的損傷，涂層的厚度范圍在0.05～0.1 mm時，涂層對刻槽信號輻值影響不大，刻槽信號幅值都大于30%，可以順利檢出損傷。

(2) 而槽深度為0.05 mm的損傷，涂層的厚度在0.05～0.1 mm時，刻槽信號輻值變化不大，幅值都在10%以內(nèi)，故難以檢出損傷。

(3) 涂層的厚度范圍在0.05～0.1 mm時，涂層對檢測結果影響不大。

通過以上兩項試驗，可以得到刻槽深度大于0.1 mm時，有無涂層裂紋都可以順利檢出，因此以刻槽深度為0.1 mm的對比試塊作為現(xiàn)場檢測用驗收標準，確定了該飛機結構外R區(qū)的渦流檢測工藝。

4 檢測工藝可靠性驗證

根據(jù)飛機損傷容限的要求，裂紋檢測的檢出概率應為0.90，置信度應為0.95。為了保證驗證的可靠性，規(guī)定了檢測程序的驗證次數(shù)應滿足“29次～45次檢測試驗中允許的不成功檢測(漏檢、誤報警)次數(shù)是0”的最低要求。

按照以上要求制定了如下驗證程序：

(1) 抽取10個槽深度為0.1 mm的樣件。

(2) 選擇4名渦流檢測人員，按照該飛機結構外R區(qū)的渦流檢測工藝，分別對10個樣件進行檢測。

(3) 檢測結果應滿足上述最低要求，如果29次檢測全部成功，則驗證工作完成，否則需要增加驗證檢測次數(shù)或者改變檢測條件、修訂檢測程序，直到滿足要求為止。

4名渦流檢測人員按照驗證程序完成了驗證工作，所有檢測人員都檢出了對比試塊中深度為0.1 mm的刻槽，未出現(xiàn)漏檢和誤報警，這驗證了該飛機結構外R區(qū)渦流檢測工藝是可靠的。

5 結語

(1) 在進行檢測方法研究時，需要完成制訂損傷驗收標準、選擇檢測方法、編制工藝、進行工藝驗證等幾方面的工作，才能獲得有效的檢側工藝。

(2) 檢側工藝應通過可靠性驗證，達到檢出概率為0.90,置信度為0.95的要求。

(3) 渦流檢測某飛機結構外R區(qū)損傷時，探頭應選擇屏蔽筆式探頭，由于曲率對檢測頻率的影響，檢測頻率為700 kHz左右時的檢測效果較好。