飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)缺陷的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)研究*

楊賓峰,胥俊敏,王曉鋒,曹海霞

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51377172);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015JM5147)

2017-02-22修改日期2017-07-05

飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)缺陷的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)研究*

楊賓峰*,胥俊敏,王曉鋒,曹海霞

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

飛機(jī)機(jī)身鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷的檢測(cè)評(píng)估是目前航空和無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的研究難點(diǎn)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)因其不受集膚效應(yīng)的限制從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大厚度構(gòu)件的檢測(cè)。設(shè)計(jì)了一種激勵(lì)線圈帶多層屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感器模型,在非磁性金屬平板構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象。采用旋轉(zhuǎn)式掃描的檢測(cè)方法對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明,檢測(cè)線圈在經(jīng)過(guò)缺陷正上方時(shí)其相位出現(xiàn)極小值,并且該極小值與缺陷深度之間存在線性關(guān)系,從而驗(yàn)證了將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷檢測(cè)的可行性。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流;鉚接結(jié)構(gòu);傳感器設(shè)計(jì);定量檢測(cè)

由于特殊的工作環(huán)境,機(jī)身鉚接結(jié)構(gòu)會(huì)承受巨大的應(yīng)力,因此極易在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生疲勞裂紋,從而給飛行安全帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷的檢測(cè),是無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)難以從飛機(jī)結(jié)構(gòu)外部檢測(cè)到其內(nèi)部缺陷,超聲檢測(cè)無(wú)法穿透多層結(jié)構(gòu)[1],聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)信號(hào)易受干擾[2]?；贕MR的無(wú)損檢測(cè)方法精度高,但是儀器成本昂貴[3]。傳統(tǒng)的渦流檢測(cè),包含脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)均不可避免地受到集膚效應(yīng)的影響[4-5],限制了其對(duì)深層缺陷的檢測(cè)能力。漏磁技術(shù)只用來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料[6],難以檢測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的非磁性構(gòu)件。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)不受集膚深度的限制,對(duì)內(nèi)外壁缺陷具有相同的檢測(cè)靈敏度,在鐵磁性管道裂紋缺陷的檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用[7-9]。近年來(lái),有學(xué)者指出,通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì),傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)也可用于金屬平板構(gòu)件上缺陷的檢測(cè)。Wang等人設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的激勵(lì)線圈,成功在平板構(gòu)件上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流效應(yīng)[10]。Yang等人近年來(lái)對(duì)脈沖遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)進(jìn)行了深入研究,設(shè)計(jì)了可用于檢測(cè)鐵磁性管道以及非磁性構(gòu)件的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器[11-16]。目前,將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流技術(shù)應(yīng)用于鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷檢測(cè)的研究還相對(duì)較少,由于受專利保護(hù)的影響,目前公開(kāi)的資料中并沒(méi)有給出鉚接結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)中,磁場(chǎng)直接耦合分量是如何進(jìn)行衰減和屏蔽的,而這些問(wèn)題又是鉚接結(jié)構(gòu)缺陷遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的關(guān)鍵之所在。

本文在前期研究的基礎(chǔ)上,借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究成果,通過(guò)給激勵(lì)線圈加裝屏蔽結(jié)構(gòu),從而有效阻礙了磁場(chǎng)直接耦合分量的傳播,使得該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)缺陷的遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)效果,從而為飛機(jī)機(jī)身多層鉚接結(jié)構(gòu)缺陷的定量無(wú)損檢測(cè)提供了新途徑。

1 鉚接結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的技術(shù)原理

傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器由激勵(lì)和檢測(cè)線圈構(gòu)成,兩者之間一般保持2至3倍管徑的距離。激勵(lì)線圈產(chǎn)生的信號(hào)可分為兩個(gè)部分。一部分在管內(nèi)傳播,稱為直接耦合分量,另一部分穿透管壁,受管壁的聚集作用,沿著管壁外側(cè)向前傳播,稱為間接耦合分量。直接耦合分量受到管壁上感應(yīng)渦流的衰減而迅速減小,間接耦合分量由于在空氣中傳播,衰減較慢。在近場(chǎng)區(qū),直接耦合分量強(qiáng)于間接耦合分量而穿出管外;在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū),間接耦合分量強(qiáng)于直接耦合分量因而其再次穿透管壁向內(nèi)傳播,稱為“二次穿透”現(xiàn)象。通過(guò)在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)放置檢測(cè)線圈,便可提取出間接耦合分量穿透管壁而帶來(lái)的缺陷信息。

多層平板鉚接結(jié)構(gòu)由于不具備管道的屏蔽作用,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)直接耦合分量的抑制,當(dāng)激勵(lì)與檢測(cè)線圈放置于平板表面同一側(cè)時(shí),穿透平板向下傳播的場(chǎng)(間接耦合分量)會(huì)一直弱于板上場(chǎng)(直接耦合分量),無(wú)法實(shí)現(xiàn)“二次穿透”。分析可知,通過(guò)給激勵(lì)線圈加裝屏蔽結(jié)構(gòu),來(lái)阻礙直接耦合分量的傳播,使得板下場(chǎng)在經(jīng)過(guò)一段距離后能夠強(qiáng)于板上場(chǎng),從而穿透平板到達(dá)檢測(cè)線圈,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象,其原理圖如圖1所示。

圖1 鉚接結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)示意圖

圖2 傳感器模型

2 探頭設(shè)計(jì)的仿真研究

本文采用有限元仿真軟件ANSYS進(jìn)行建模仿真,建立如圖2所示的帶屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感器模型,其激勵(lì)線圈位于鉚釘孔的正上方,激勵(lì)線圈高度為6 mm,厚度為2 mm,內(nèi)徑為6 mm,外徑為8 mm,匝數(shù)為200匝。檢測(cè)線圈高度為2 mm,厚度為1 mm,內(nèi)徑為0.5 mm,外徑為1.5 mm,匝數(shù)為800匝。鉚接結(jié)構(gòu)平板長(zhǎng)度為120 mm,寬度為120 mm,總厚度為4 mm,被測(cè)材料為鋁。激勵(lì)線圈外加裝三層鐵磁性屏蔽結(jié)構(gòu),這是由于遠(yuǎn)場(chǎng)渦流所采用的激勵(lì)頻率較低,單層屏蔽很難實(shí)現(xiàn)較好的屏蔽效果,因此,需加裝多層屏蔽來(lái)衰減磁場(chǎng)直接耦合分量。

根據(jù)前期研究結(jié)果,對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后,還需對(duì)激勵(lì)頻率進(jìn)行優(yōu)化選擇。分別對(duì)300 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)的激勵(lì)頻率進(jìn)行仿真,得到不同激勵(lì)頻率下的幅值和相位特性曲線,結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出,在頻率較低時(shí),幅值特性曲線不存在拐點(diǎn),相位特性曲線沒(méi)有突變,說(shuō)明沒(méi)有產(chǎn)生遠(yuǎn)場(chǎng)檢測(cè)效果。隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的增加,幅值拐點(diǎn)以及相位突變現(xiàn)象越來(lái)越明顯。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率達(dá)到1 000 Hz時(shí),幅值拐點(diǎn)與相位突變最明顯。

圖4為檢測(cè)線圈在距離激勵(lì)線圈35 mm～45 mm的范圍內(nèi)以1 mm為步進(jìn)進(jìn)行更為精細(xì)的移動(dòng)掃描時(shí)得到的幅值和相位特性曲線。

圖3 不同激頻率下的特性曲線

圖4 1 000 Hz正弦激勵(lì)時(shí)的特性曲線

從圖4可以清晰地看出幅值拐點(diǎn)以及相位突變,從而證明了1 000 Hz正弦激勵(lì)下的帶屏蔽結(jié)構(gòu)傳感器能夠在鉚接結(jié)構(gòu)平板上形成遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象。此拐點(diǎn)和突變只是證明了遠(yuǎn)場(chǎng)效應(yīng)的產(chǎn)生,并無(wú)其他意義。

3 缺陷的定量檢測(cè)

采用旋轉(zhuǎn)式掃描的方法對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中的缺陷進(jìn)行檢測(cè),將激勵(lì)線圈套在鉚釘帽的正上方,以其為軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn),當(dāng)檢測(cè)線圈掃描經(jīng)過(guò)缺陷正上方時(shí),由于缺陷對(duì)渦流的擾動(dòng),檢測(cè)信號(hào)在此處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極值,提取此特征量便可實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)平板上缺陷的檢測(cè),示意圖如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)式掃描示意圖(俯視圖)

為了研究帶屏蔽結(jié)構(gòu)傳感器對(duì)缺陷的檢測(cè)能力,在鉚接結(jié)構(gòu)附近建立一個(gè)長(zhǎng)度為30 mm,寬度為2 mm,深度分別為1 mm、2 mm和3 mm的表面裂紋缺陷。采用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流對(duì)非磁性構(gòu)件中缺陷檢測(cè)時(shí),檢測(cè)信號(hào)的擾動(dòng)更多來(lái)源于缺陷對(duì)渦流的擾動(dòng),因此將檢測(cè)線圈與激勵(lì)線圈正交放置,分別得到檢測(cè)線圈相對(duì)缺陷處于5°、2.5°、0°、-2.5°、-5°的結(jié)果,用來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)式掃描的檢測(cè)方法,結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,當(dāng)檢測(cè)線圈經(jīng)過(guò)缺陷正上方時(shí),檢測(cè)信號(hào)相位存在極小值,證明帶屏蔽結(jié)構(gòu)的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷的檢測(cè)。

圖6 不同深度鉚接缺陷的掃描檢測(cè)結(jié)果

圖7 缺陷深度的定量檢測(cè)

為了進(jìn)一步研究檢測(cè)信號(hào)相位與缺陷深度之間的關(guān)系,繪制出檢測(cè)信號(hào)相位與缺陷深度之間的關(guān)系圖,結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出,檢測(cè)信號(hào)相位與缺陷深度之間存在線性關(guān)系,提取該特征量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中裂紋深度的定量檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文將遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鉚接結(jié)構(gòu)中缺陷的檢測(cè),設(shè)計(jì)了激勵(lì)線圈帶屏蔽結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器。仿真結(jié)果表明,該遠(yuǎn)場(chǎng)渦流傳感器可以在鉚接結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)渦流現(xiàn)象。采用旋轉(zhuǎn)式掃描的方法對(duì)鉚接結(jié)構(gòu)中的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明,當(dāng)檢測(cè)線圈掃描經(jīng)過(guò)缺陷正上方時(shí),檢測(cè)信號(hào)的相位存在極小值,此極小值與缺陷深度之間存在著線性關(guān)系,提取該特征量可以對(duì)裂紋深度進(jìn)行定量檢測(cè)。

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ResearchonRemoteFieldEddyCurrentTechniqueAppliedtoInspectRivetedStructure*

YANGBinfeng*,XUJunmin,WANGXiaofeng,CAOHaixia

(School of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China.)

The detection and evaluation of defects in aircraft fuselage riveted structure is one of the most difficult problem in the field of nondestructive testing. Remote field eddy current testing is not limited by the skin effect and can be used to detect the defects in large thick plate. In this work,remote field eddy current phenomenon is achieved in the non-magnetic metal plate after designing the excitating coil of the probe with multilayer shielding structure. The probe can be used to detect defects in riveted structure by rotary scanning method. Simulation results show that the phase has a minimal value as the detection coil is just at the top of the defect,and there is a linear relationship between the phase and the depth of the defect. Research result verifies the feasibility of remote field eddy current testing in riveted structures.

remote field eddy current;riveted structure;probe design;quantitative detection

TG115.28

A

1004-1699(2017)10-1493-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.007

楊賓峰(1976-),男,陜西戶縣人,空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院博士,副教授,主要研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè),bf_yang@163.com。