螺接結(jié)構(gòu)孔邊裂紋的超聲原位檢測(cè)

彭智偉，姜躍進(jìn)，王竹林

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 西安 710065)

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螺接結(jié)構(gòu)孔邊裂紋的超聲原位檢測(cè)

彭智偉，姜躍進(jìn)，王竹林

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所， 西安 710065)

根據(jù)某螺接結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)件孔邊裂紋的結(jié)構(gòu)特征和受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了縱波斜探頭和對(duì)比試塊，并進(jìn)行超聲檢測(cè)?；跈z測(cè)結(jié)果和斷口分析結(jié)論，對(duì)裂紋走向和有效寬度帶來的不利影響提出具體改進(jìn)措施,并且進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，取得了較好的檢測(cè)效果，可為同類結(jié)構(gòu)的檢測(cè)提供參考。

螺接結(jié)構(gòu)；孔邊裂紋；超聲檢測(cè)

某鋁合金疲勞試驗(yàn)件由3個(gè)部件通過螺栓兩兩螺接組成,如圖1所示。螺栓在整個(gè)疲勞試驗(yàn)中不允許進(jìn)行拆卸，每經(jīng)歷2 000次疲勞循環(huán)后，要求對(duì)試驗(yàn)件連接螺栓孔進(jìn)行無損檢測(cè)。此鋁合金試驗(yàn)件的特點(diǎn)為：螺栓與螺栓之間的間隙較窄,約13 mm;疲勞試驗(yàn)過程中試驗(yàn)件受拉壓載荷。

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行最大載荷下的受力分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)件有兩處受力嚴(yán)重區(qū)：一處為部件1與部件2連接的雙側(cè)立筋螺栓孔周圍；另一處為部件1與部件2腹板連接處螺栓孔周圍。因此，確定部件1與部件2連接螺栓孔檢測(cè)為無損檢測(cè)重點(diǎn)區(qū)域。

圖1　試驗(yàn)件連接示意

1　超聲檢測(cè)

1.1檢測(cè)方法制定

無損檢測(cè)過程中的特點(diǎn)與要求是：螺栓不允許拆卸；對(duì)螺栓孔裂紋的檢測(cè)，不僅要檢測(cè)表面，還要檢測(cè)內(nèi)部；試驗(yàn)件安裝在試驗(yàn)加載框架內(nèi)，檢測(cè)空間較為狹小。

對(duì)這些特點(diǎn)與要求分析后確定：采用超聲表面波進(jìn)行螺栓孔邊表面裂紋的檢測(cè)，采用超聲斜傾縱波對(duì)螺栓孔邊配合面裂紋的檢測(cè)。

1.2超聲入射方向選擇

由于試驗(yàn)件受到的外載力只來自于加載作動(dòng)筒對(duì)試驗(yàn)件施加的拉壓載荷，因此孔的應(yīng)力與載荷同向；裂紋出現(xiàn)的方向應(yīng)垂直于應(yīng)力方向，即裂紋擴(kuò)展方向?yàn)闄M向。

超聲入射時(shí)，為獲取最大反射信號(hào)，一般要求超聲入射方向與裂紋面垂直。因此，在檢測(cè)過程中選擇與載荷同向的縱向方向，作為探頭入射前進(jìn)方向。

1.3對(duì)比試塊設(shè)計(jì)

選擇與試件同種材料的鋁合金材料，制做幾組對(duì)比試塊。對(duì)比試塊厚度、螺栓孔大小及孔距與被檢試驗(yàn)件相同。在孔邊分別加工長(zhǎng)1,2 mm，寬0.145 mm的人工缺陷。

1.4超聲縱波探頭選擇由于螺栓帽間的間距約為13 mm，因此定制探頭外廓尺寸為10 mm×10 mm。針對(duì)不同的試件厚度及螺栓孔大小采用了不同的超聲檢測(cè)折射角探頭。

探頭折射角α計(jì)算公式如下:

(1)

式中：L為探頭長(zhǎng)度，取其一半為前沿長(zhǎng)度；D為螺栓帽直徑；H為試件厚度。

試塊的尺寸結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。

圖2　試塊的尺寸結(jié)構(gòu)示意

1.5檢測(cè)過程及結(jié)果

每2 000循環(huán)疲勞試驗(yàn)后，卸壓停止試驗(yàn)。

對(duì)于不同的檢測(cè)區(qū)域，在相應(yīng)深度及螺栓孔大小的對(duì)比試塊上調(diào)校檢測(cè)靈敏度；按照預(yù)估裂紋出現(xiàn)方向?qū)β菟走M(jìn)行超聲檢測(cè)，探頭布置如圖3(a)所示。

試驗(yàn)進(jìn)行到23 412次循環(huán)時(shí)，部件1腹板出現(xiàn)破壞，如圖3(b)所示。

圖3　部件1腹板的檢測(cè)探頭布置與檢測(cè)結(jié)果示意

部件1腹板厚度為15 mm，螺栓孔大小為φ10 mm，螺栓帽大小為φ14 mm，設(shè)計(jì)α角為38.6°。試驗(yàn)件未破壞之前，對(duì)螺栓孔進(jìn)行了多次超聲及渦流檢測(cè)，均未見有異常顯示。

2　超聲檢測(cè)裂紋漏檢原因分析

2.1斷口分析對(duì)破壞后的部件1腹板進(jìn)行斷口并分析，結(jié)果顯示，部件1腹板螺栓孔裂紋的開裂起源于部件1與部件2的配合面上的1號(hào)、2號(hào)螺栓孔，如圖4所示，圖中箭頭方向表示裂紋擴(kuò)展方向。裂紋形成后以角裂紋形式沿圖4中箭頭所指方向擴(kuò)展，1號(hào)螺栓孔右側(cè)裂紋與2號(hào)螺栓孔左側(cè)裂紋交匯后，裂紋向表面方向擴(kuò)展。

圖4　部件1腹板的裂紋起源擴(kuò)展圖

根據(jù)裂紋疲勞壽命反推，1號(hào)螺栓孔左側(cè)裂紋最早萌生于10 996次循環(huán)，其次是1號(hào)螺栓孔右側(cè)裂紋萌生于11 663次循環(huán)，2號(hào)螺栓孔左側(cè)裂紋萌生于11 809次循環(huán)，2號(hào)螺栓孔右側(cè)裂紋萌生于15 309次循環(huán)。

2.2實(shí)際裂紋方向

對(duì)部件1腹板斷面進(jìn)行觀察，可見裂紋面走向與螺栓橫向切線平面不平行，而是存在約6°～7°的夾角，如圖5所示；也就是在實(shí)際的檢測(cè)過程中，探頭入射方向與裂紋面不垂直，如圖6所示。

圖5　部件1腹板的螺栓孔斷面圖

取人工缺陷裂紋試塊從三個(gè)入射方向進(jìn)行檢測(cè)：① 探頭前端中心與螺栓孔邊緣相切；② 從①的檢測(cè)入射方向向螺栓孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)；③ 從①的檢測(cè)入射方向向螺栓孔外旋轉(zhuǎn)。3種不同檢測(cè)入射方向的示意如圖7所示。從3種不同入射方向檢測(cè)時(shí)，得到幾組不同的超聲檢測(cè)圖，如圖8所示。

圖6　螺栓孔裂紋檢測(cè)示意

圖7　人工試塊的檢測(cè)方向示意

圖8　人工試塊采用不同入射方向的超聲檢測(cè)結(jié)果

從圖8(a)所示的探頭前端中心與螺栓孔相切檢測(cè)到如圖8(b)所示的檢測(cè)，探頭向螺栓孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)約5°；從圖8(b)中可以看出有兩個(gè)超聲反射波，第一個(gè)反射波為螺栓孔反射，第二個(gè)反射波為人工缺陷反射。圖8(c)為探頭從圖8(a)位置向螺栓孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)約10°得到的檢測(cè)結(jié)果。圖8(d)為探頭從圖8(a)位置向螺栓孔外旋轉(zhuǎn)約8°得到的檢測(cè)結(jié)果。

從圖8(b),(c),(d)可以看出,人工缺陷反射波高隨著入射角與人工裂紋面的垂直性而變化；當(dāng)入射角與人工裂紋面垂直時(shí)，所得超聲信號(hào)反射波最高。出現(xiàn)人工缺陷反射波高衰減的原因有兩點(diǎn)：① 為滿足檢測(cè)空間要求，探頭外廓尺寸設(shè)計(jì)為10 mm×10 mm,比一般探頭的外廓尺寸小了，探頭晶片尺寸也相應(yīng)地縮小了。② 超聲聲束與裂紋面夾角不垂直,不利于超聲的反射接收。即當(dāng)超聲束與裂紋面不垂直時(shí)，超聲波檢測(cè)無反射波或反射波很弱，未能達(dá)到裂紋檢測(cè)判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，故出現(xiàn)裂紋漏檢現(xiàn)象。

2.3有效裂紋寬度用光學(xué)顯微鏡測(cè)量試驗(yàn)所用試塊的人工切口寬度，得到平均切口寬度為0.145 mm(見圖9)。

圖9　人工切口試塊光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果(50×)

由于試件的單一性，發(fā)現(xiàn)試件開裂時(shí)已經(jīng)呈撕裂狀，未能測(cè)得試件在檢測(cè)周期內(nèi)的裂紋寬度。因此，取一鋁合金疲勞拉伸試件作為類比測(cè)量。鋁合金試件厚度為4 mm，在中心孔鉚接一層2 mm厚，φ13.6 mm的鉚接層。試驗(yàn)件中心孔最外側(cè)一鉚釘孔邊有一條長(zhǎng)約4.5 mm的疲勞裂紋，用光學(xué)顯微鏡對(duì)裂紋進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得裂紋寬度平均約為0.006 mm，如圖10所示。

圖10　鋁合金疲勞拉伸試驗(yàn)件光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果(400×)

空氣中超聲波縱波聲速約為340 m·s-1，試驗(yàn)中所用超聲探頭頻率為5 MHz，可得超聲波波長(zhǎng)為0.11 mm；超聲波波長(zhǎng)與人工切口寬度及疲勞裂紋寬度之比分別約為0.7倍,16倍。

從兩者的比值可看出，試驗(yàn)所形成的疲勞裂紋可能未形成有效的裂紋寬度，裂紋處于緊閉合狀態(tài)，使得斷裂表面形成藕斷式連接，導(dǎo)致聲波穿透裂紋而未能形成有效反射。于是在外部壓力卸載后，試件塑性變形恢復(fù)，裂紋隨之閉合，裂紋表面呈藕斷式連接狀，降低了超聲檢測(cè)的檢測(cè)能力[1]。

用同一個(gè)表面波探頭，采用同一參數(shù)、檢測(cè)距離對(duì)超聲試塊人工缺陷及鋁合金試驗(yàn)件疲勞裂紋進(jìn)行超聲垂直入射檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。由檢測(cè)圖形可以看出，在相同檢測(cè)條件下，人工缺陷超聲波高已達(dá)100%顯示波高，而鋁合金試件疲勞裂紋位置處波高未達(dá)20%波高，由此可見裂紋的寬度在一定情況下確實(shí)影響了超聲的有效檢出。

圖11　試塊與鋁合金試驗(yàn)件的表面波探頭檢測(cè)結(jié)果

3　檢測(cè)方案優(yōu)化

3.1改進(jìn)掃查方式

為應(yīng)對(duì)裂紋走向?qū)е侣暿淮怪倍鴰淼穆z問題，在原有一次波垂直入射掃查的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)動(dòng)掃查。具體操作步驟為：① 在探頭前端中心線與螺栓孔相切部位O點(diǎn)進(jìn)行一次超聲檢測(cè)。② 探頭向遠(yuǎn)離螺栓孔方向平行移動(dòng)一段距離至D點(diǎn)。探頭在D點(diǎn)分別旋轉(zhuǎn)一定角度進(jìn)行檢測(cè)，如圖12所示，使超聲聲束盡可能與被檢裂紋平面垂直，有利于超聲聲束的反射與接收。

圖12　改進(jìn)掃查方式后的超聲探頭檢測(cè)示意

將探頭相對(duì)缺陷傾斜放置，OD連線為探頭移動(dòng)平移線，如圖13所示。探頭從O點(diǎn)向D點(diǎn)的移動(dòng)過程中，由于沒有了螺栓孔的影響，得到超聲檢測(cè)結(jié)果如圖14(a)所示；由圖可見，相同檢測(cè)靈敏度下探頭與裂紋的傾斜角越大，得到的超聲檢測(cè)波高越低。探頭在D點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)掃查時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如圖14(b)的檢測(cè)效果圖。在未知裂紋長(zhǎng)度的情況下，建議在OD之間多進(jìn)行幾次旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。

圖13　探頭與裂紋傾斜位置示意

3.2增大裂紋寬度

李亞智等[2]指出，疲勞循環(huán)最大應(yīng)力恒定時(shí)，裂紋閉合效應(yīng)將逐漸減弱。因此在對(duì)疲勞試驗(yàn)件進(jìn)行超聲檢測(cè)的過程中，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)件施加一定量的拉伸載荷，使得裂紋寬度增大，并保持試驗(yàn)件在超聲檢測(cè)過程中的加載狀態(tài)。

圖14　OD連線超聲檢測(cè)結(jié)果

故，對(duì)鋁合金疲勞試驗(yàn)件重新加載，使其裂紋微張——達(dá)到目視可見的程度，用表面波探頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，得到如圖15所示的檢測(cè)效果。從圖15可見,裂紋的超聲顯示極易分辨。

圖15　鋁合金疲勞試驗(yàn)件拉伸加載后的表面波檢測(cè)效果

4　結(jié)語

對(duì)螺接結(jié)構(gòu)孔邊裂紋的原位檢查，提出了超聲波檢測(cè)技術(shù)方案；并針對(duì)裂紋走向和裂紋寬度對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來的影響，提出了改進(jìn)掃查方式和帶一定量載荷狀態(tài)檢測(cè)，以增大裂紋有效寬度的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了較好的效果。結(jié)果可為同類結(jié)構(gòu)的原位檢測(cè)提供參考。

[1]CLARK R, DOVER W D, BOND L J. The effect of crack closure on the reliability of NDT predictions of crack size[J].NDT Int,1987,20(5):269-275.

[2]李亞智，李雪峰.疲勞裂紋閉合的數(shù)值模擬方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006,25(10)：1233-1237.

In-situ Ultrasonic Inspection for Cracks around Holes of Bolted Joints

PENG Zhi-wei, JIANG Yue-jin, WANG Zhu-lin

(Aircraft Strength Research Institute of China, Xi′an 710065, China)

In this paper longitudinal wave angle probes and reference blocks were designed for detecting the cracks around the holes of bolted joints fatigue specimen based on the characteristics of the specimen structure and stress. Based on the test results and fracture analysis, specific improvement measures were proposed to aim at the disadvantages caused by the crack direction and effective width. Experiment was carried out, and good detection results were achieved, providing the reference for the test of the same structures.

Bolted joints; Cracks around hole; Ultrasonic inspection

2016-04-07

彭智偉(1982-)，男，工程師，主要從事無損檢測(cè)工作。

彭智偉，E-mail:peng235@163.com。

10.11973/wsjc201610016

TG115.28

A

1000-6656(2016)10-0067-05