脈沖渦流無損檢測技術(shù)及其在飛機(jī)多層金屬結(jié)構(gòu)腐蝕檢測的研究和進(jìn)展

王三成，王三勝，李園園，楊榮巖

（1. 北京工業(yè)大學(xué)，機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京，100124；2. 北京航空航天大學(xué)，微納測控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100191；3. 北京航空航天大學(xué)，航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京，100191）

脈沖渦流無損檢測技術(shù)及其在飛機(jī)多層金屬結(jié)構(gòu)腐蝕檢測的研究和進(jìn)展

王三成1,3，王三勝2,3，李園園2,3，楊榮巖3

（1. 北京工業(yè)大學(xué)，機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京，100124；2. 北京航空航天大學(xué)，微納測控與低維物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100191；3. 北京航空航天大學(xué)，航天器磁學(xué)與超導(dǎo)技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京，100191）

環(huán)境腐蝕引起的坑蝕損傷、剝蝕損傷、和腐蝕疲勞嚴(yán)重影響了飛機(jī)安全可靠性，飛機(jī)多層金屬結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的定量檢測是目前航空領(lǐng)域無損檢測的難點(diǎn)。文章綜述了脈沖渦流無損檢測的基本原理、國內(nèi)外相關(guān)研究的進(jìn)展及其在軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測中的應(yīng)用。脈沖渦流檢測技術(shù)具有的快速掃描檢測能力，以及與被測件非接觸的特點(diǎn)，滿足了現(xiàn)階段軍方對飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測的迫切需求。

脈沖渦流無損檢測；飛機(jī)；結(jié)構(gòu)腐蝕

引言

飛機(jī)服役期間，特別是在東部沿海及內(nèi)陸潮濕地區(qū)，由于外部環(huán)境腐蝕和載荷作用，導(dǎo)致大多數(shù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)鋁合金件表面防護(hù)涂層老化、剝落、基體材料腐蝕嚴(yán)重，飛機(jī)性能降低，嚴(yán)重影響了軍隊(duì)飛行的安全。例如目前現(xiàn)役的某型飛機(jī)因腐蝕疲勞裂紋導(dǎo)致近50%的飛機(jī)停飛待修；某型殲轟飛機(jī)裝備海軍部隊(duì)僅3～4年已出現(xiàn)防護(hù)涂層脫落，部分機(jī)件材料開始腐蝕［1］。及時發(fā)現(xiàn)缺陷并對缺陷進(jìn)行定量評估，對于確保飛行安全、降低事故發(fā)生概率、減少各項(xiàng)損失等具有重要的意義。

1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷成因

由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的環(huán)境和使用年限等因素的影響，其腐蝕缺陷的成因、容易發(fā)生腐蝕的部位以及腐蝕的類型也存在著一定的差異，常見的幾種腐蝕類型有：

（1）均勻腐蝕。均勻腐蝕又稱全面腐蝕，均勻腐蝕是飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕中最為廣泛的一種腐蝕類型，通常平均分布于飛機(jī)蒙皮的表面，在腐蝕的作用下飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)變薄，嚴(yán)重時引起產(chǎn)生脫落。從技術(shù)層面來講，這類腐蝕在生產(chǎn)生活中危害不是很大，因?yàn)槠浒l(fā)生在金屬結(jié)構(gòu)的表面，易于發(fā)現(xiàn)和控制，一般在工程設(shè)計(jì)時即可以進(jìn)行控制。

（2）局部腐蝕。由電化學(xué)不均一性（如異種金屬、表面缺陷、濃度差異、應(yīng)力集中、環(huán)境不均一），形成局部電池。局部腐蝕陰陽極可區(qū)分，陰極/陽極面積比很大，陰、陽極共軛反應(yīng)分別在不同區(qū)域發(fā)生，局部腐蝕通常是發(fā)生在個別位置，形成片狀或者縫隙狀的腐蝕，隨著腐蝕面積的不斷擴(kuò)大，腐蝕缺陷變得越來越深入，甚至造成結(jié)構(gòu)的損傷。

2 脈沖渦流檢測技術(shù)基本原理及其優(yōu)勢

脈沖渦流的激勵電流通常是以一定占空比的方波作為激勵信號施加于激勵線圈，激勵線圈中的脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的磁場在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時渦流。瞬時渦流的大小、衰減狀況與導(dǎo)體的電磁特性、幾何形狀及耦合狀況相關(guān)，次級線圈接收到的渦流再生磁場包含有被檢測對象導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率及形狀尺寸的相關(guān)信息，對所檢測到的信號進(jìn)行分析處理，可以反演出被測對象的結(jié)構(gòu)和缺陷信息，從而完成脈沖渦流無損檢測。檢測原理如圖1所示。

圖1　脈沖渦流檢測原理

無損檢測技術(shù)主要用于對儀器儀表、材料或大型設(shè)備等進(jìn)行缺陷檢測，該技術(shù)能夠在不破壞被測對象的情況下完成對其結(jié)構(gòu)內(nèi)部完整性、缺陷存在等的檢測。傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)主要有熱成像、超聲、磁粉及單頻/多頻渦流檢測手段等，這些技術(shù)均能在某一缺陷檢測領(lǐng)域發(fā)揮作用，一定程度上有效檢測出表面缺陷的存在，并完成相應(yīng)的量化評估，但在微小裂紋、深層及多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中腐蝕缺陷的檢測方面受到一定的限制。脈沖渦流檢測技術(shù)起源于渦流檢測技術(shù)，該技術(shù)具有快速掃描檢測能力和與被測件非接觸的特點(diǎn)［21］，在對微小缺陷、次表面或深層缺陷、多層結(jié)構(gòu)缺陷的有效檢測上表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜隱秘缺陷存在的有效檢測［2］，非常適合于越來越復(fù)雜深層結(jié)構(gòu)缺陷的檢測［3-4］。

3 脈沖渦流無損檢測技術(shù)在飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)腐蝕定量檢測中的研究進(jìn)展

近年來，國內(nèi)外多個研究機(jī)構(gòu)開始對脈沖渦流技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕的定量檢測中進(jìn)行深入研究。他們針對飛機(jī)蒙皮等多層結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的脈沖渦流檢測研究已取得了一定的研究成果［5］。

法國CEGELY的研究人員于1993年開始研究該技術(shù)對鉚接結(jié)構(gòu)外圍腐蝕情況的檢測，他們以磁阻傳感器為檢測探頭，搭建差分檢測結(jié)果，一定程度上改善了檢測靈敏度［6］。四年后，他們改用霍爾傳感器拾取脈沖渦流響應(yīng)信號，將響應(yīng)信號中的峰值、特征頻率和峰值時間提取作為特征信號，最終實(shí)現(xiàn)了的缺陷的定量檢測。同年，法國科學(xué)家在意大利羅馬的國際材料物理學(xué)會議上提出了利用超導(dǎo)SQUID進(jìn)行脈沖渦流無損檢測的計(jì)劃（見圖2）［7］。

圖2　發(fā)動機(jī)裂紋基于SQUID的無損檢測信號

美國在脈沖渦流缺陷檢測領(lǐng)域也展開了一定的研究與探索，其中愛荷華州立大學(xué)無損評估中心將關(guān)注點(diǎn)放在飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)的腐蝕缺陷檢測上，他們完成了脈沖渦流檢測技術(shù)在該應(yīng)用方向上目標(biāo)缺陷的定量分析［8］。研究過程中，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成了相應(yīng)的線圈式激勵傳感器和檢測探頭，并完成了對相應(yīng)信號的數(shù)據(jù)分析和特征值提取。他們得出，脈沖渦流響應(yīng)信號的峰值特性反映了飛機(jī)腐蝕的嚴(yán)重程度，過零時間則受腐蝕深度情況的影響。2001年，該研究小組進(jìn)一步開發(fā)了用于飛行器多層結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷檢測的脈沖渦流儀，并獲得有效應(yīng)用［9-10］。

2001年，英國和澳大利亞共同研究了脈沖渦流檢測技術(shù)對飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)缺陷的檢測，該技術(shù)在前人研究的基礎(chǔ)上首次配合自動化運(yùn)動掃描檢測裝置，經(jīng)過努力，完成了對多層結(jié)構(gòu)中裂紋和腐蝕缺陷的檢測［11-12］。2002～2003年德國科學(xué)家公布了他們對脈沖渦流檢測技術(shù)的研究成果， 他們創(chuàng)造性的將超導(dǎo)技術(shù)與磁傳感器技術(shù)結(jié)合，優(yōu)化了磁傳感器的性能，使得對脈沖渦流磁場的檢測更加靈敏，最終成功應(yīng)用在多層結(jié)構(gòu)的缺陷檢測中［13-14］。

美國GE公司研制出基于GMR磁敏電阻陣列掃描成像的脈沖渦流檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)憑借巨磁電阻高靈敏度，能夠檢測出五層2024型鋁合金鉚接結(jié)構(gòu)以及飛機(jī)橫梁、帶有空氣間隔層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的缺陷。相較于HALL芯片傳感器，該系統(tǒng)檢測精度更高，能夠檢測到8mm到50mm深的結(jié)構(gòu)缺陷［15］。

加拿大的研究人員在2001年的脈沖渦流檢測技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)機(jī)身腐蝕情況不變時，無論傳感器探頭提離如何變化，其響應(yīng)信號均會出現(xiàn)相同的交點(diǎn)；通過進(jìn)一步提離交叉點(diǎn)的放大，完成了對提離效應(yīng)的有效抑制，最終他們對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了飛行器機(jī)身結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷的檢測圖譜，促進(jìn)了脈沖渦流檢測結(jié)果的圖形化顯示。

2002年法國將基于SQUID的脈沖渦流無損檢測技術(shù)應(yīng)用于空中客車A380的機(jī)身多層板材料無損檢測。圖3為利用該項(xiàng)技術(shù)對空中客車機(jī)身某三層板部件的螺栓孔的腐蝕情況進(jìn)行檢測的示意圖，其脈沖渦流產(chǎn)生方式比較特殊，是采用通電導(dǎo)線的勵磁方式。由圖中可以看出基于 SQUID 的脈沖渦流無損檢測可以探測的缺陷深度大于20mm。

圖3　基于SQUID的脈沖渦流缺陷檢測用于檢測空客A-380機(jī)身多層板固定螺栓腐蝕情況

國內(nèi)對脈沖渦流檢測技術(shù)的研究才剛剛開始，相應(yīng)的研究人員主要集中在研究所和有關(guān)高校的師生，他們對脈沖渦流檢測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究，并取得了初步成果。另外，國內(nèi)有關(guān)脈沖渦流檢測的文獻(xiàn)僅局限于方法介紹和實(shí)驗(yàn)分析，沒有整套的理論體系介紹，對多層金屬結(jié)構(gòu)中層間或次表面缺陷的定量檢測和評估理論及其應(yīng)用研究甚少。

國防科技大學(xué)的相關(guān)研究人員對脈沖渦流檢測技術(shù)展開了相對比較全面的研究，其中楊賓峰實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)裂紋和腐蝕缺陷檢測中的應(yīng)用，他們確定了的脈沖響應(yīng)電壓信號的峰值和過零時間與缺陷分布間的關(guān)系［16-17］。之后楊賓峰又將傳統(tǒng)的脈沖渦流檢測技術(shù)和交變磁場測量法有機(jī)集成在一起，提出了一種改進(jìn)型的脈沖渦流無損檢測方法，其無需差分就可以對缺陷進(jìn)行定量，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出了腐蝕缺陷深度和體積的公式，具有較大的理論價值和應(yīng)用價值［18］。

表1　不同體積的表面腐蝕所對應(yīng)的峰值及擬合公式

江南大學(xué)的周德強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)的課題組對矩形探頭的尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，得出矩形探頭長寬高比例為2∶1∶1.5時，探頭的靈敏度、線性度最佳，如圖4所示。同時，對矩形線圈的方向特性進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)仿真發(fā)現(xiàn)，矩形線圈相對于圓柱形線圈有方向特性，豎直放置時有利于檢測深層缺陷，水平放置時，渦流密度更大，更有利于檢測微小缺陷和表層缺陷［19-20］。

圖4　不同尺寸傳感器的靈敏度分析

北京航空航天大學(xué)相關(guān)課題組對脈沖渦流檢測技術(shù)展開研究，并計(jì)劃將SQUID（超導(dǎo)量子干涉儀）應(yīng)用于該技術(shù)中，以提高缺陷檢測的靈敏度，最大限度的發(fā)揮脈沖渦流檢測技術(shù)的優(yōu)勢［21］，如圖5所示。

目前，脈沖渦流檢測技術(shù)所反映出來的熱點(diǎn)問題主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）如何有效地抑制傳感器探頭提離效應(yīng)。國內(nèi)外很多專家學(xué)者對于如何抑制探頭提離效應(yīng)，做了大量的研究，但是沒有給出一個定量的標(biāo)準(zhǔn)來有效的抑制探頭的提離效應(yīng)。

圖5　以SQUID為探測器的脈沖渦流無損檢測系統(tǒng)

（2）如何提高傳感器的靈敏度。采用高靈敏度的磁性器件作為檢測傳感器，例如霍爾傳感器、巨磁阻傳感器以及SQUID超導(dǎo)器件，從而提高檢測靈敏度，成為脈沖渦流檢測技術(shù)的一個熱點(diǎn)。

4 結(jié)束語

在回顧飛機(jī)腐蝕缺陷成因和脈沖渦流無損檢測基本原理的基礎(chǔ)上，本文綜述了脈沖渦流無損檢測技術(shù)國內(nèi)外相關(guān)的研究進(jìn)展及其在飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷檢測中的應(yīng)用，可知該技術(shù)在多層腐蝕缺陷檢測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)越性。國內(nèi)科研工作者有必要對脈沖渦流無損檢測技術(shù)進(jìn)行深入研究，盡早建立起相關(guān)系統(tǒng)理論和分析方法，以及相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)，為飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)腐蝕缺陷檢測提供保障；為航空航天領(lǐng)域中多層金屬材料的腐蝕缺陷檢測，提供強(qiáng)有力依據(jù)和參考。

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Pulsed Eddy Current Nondestructive Detection Technology Research and Development for Military Aircraft Structur Corrosion

Sancheng Wang1， Sansheng Wang2，3， Yuanyuan Li2，3， Rongyan Yang3（1. Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing， 100124， China；2.Micro-nano Measurement& Low Dimensional Physics Key Laboratory， Beihang University， Beijing， 100191，China；3.Spacecraft Magnetism& Superconducting Technology Joint Laboratory，Beihang University，Beijing， 100191，China）

The pitting damage， erosion damageand corrosion fatigue caused by environmental corrosion have a serious impact on the safety of aircraft reliability and quantitative detection of corrosion defects of the aircraft structure is currently the difficultyfor aerospace NDT. Fast scanning detection capability and non-contact characteristics of the DUTpulsed eddy current testing technology can meet the urgent needs of the military stage of corrosion detection aircraft structure. This paper reviews the basic principles of pulsed eddy current non-destructive testing， progress of research and its application in military aircraft structure corrosion detection.

Pulsed Eddy Current Non-destructive Testing； Aircraft； Corrosion Structure

V25

A

2095-8412 （2016） 04-609-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http://www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.04.007

王三成（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榫艽艤y量技術(shù)研究與應(yīng)用。

E-mail: wscbjut@163.com