飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)鉚釘孔周缺陷的陣列 脈沖渦流檢測

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(南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室, 南昌 330063)

在航空領(lǐng)域中，大多數(shù)飛機(jī)的機(jī)體都是多層的金屬結(jié)構(gòu)，通常使用螺栓和鉚釘連接，該結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役期間容易產(chǎn)生層間裂紋、腐蝕以及周邊裂紋等缺陷，因此對其進(jìn)行檢測，以及時發(fā)現(xiàn)缺陷且進(jìn)行缺陷評估，對于飛行安全具有非常重要的意義[1-2]。

陣列脈沖渦流檢測，既具有傳統(tǒng)渦流檢測方法非接觸檢測的優(yōu)點，又具有陣列檢測方法的優(yōu)勢，即易于實現(xiàn)大面積、快速的檢測。DIB和YANG等[3]提出了一種旋轉(zhuǎn)電流正交平面線圈激勵的EC-GMR陣列探頭對飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)鉚釘所有方向裂紋進(jìn)行了檢測，并且采用仿真模型利用正交線圈探頭和GMR傳感器進(jìn)行了試驗，驗證了對飛機(jī)多層結(jié)構(gòu)鉚釘所有徑向方向上的裂紋都有很好的檢測效果。BABBAR和UNDERHILL設(shè)計了一種8通道對稱式陣列探頭，通過試驗與仿真相結(jié)合的方法對檢測信號進(jìn)行頻域分析，采用了PCA分析法來識別裂紋缺陷信號，試驗結(jié)果證明該方法能夠有效地識別鉚釘周圍的裂紋[4-6]。SERGEEVA等研究了陣列脈沖渦流技術(shù)，研制了基于GMR和TMR(隧道磁電阻)磁阻陣列傳感器的兩種渦流探頭，試驗表明雙線圈對埋藏缺陷有較好的檢測效果，單線圈對表面缺陷有較好的檢測效果[7]。楊賓峰等[8]設(shè)計了一種圓柱形探頭,采用旋轉(zhuǎn)式掃描的方法對鉚接結(jié)構(gòu)中的缺陷進(jìn)行檢測，試驗表明,檢測信號的相位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裂紋深度進(jìn)行定量檢測。鄒國輝等[9]設(shè)計了一種雙激勵結(jié)構(gòu)脈沖渦流檢測探頭并進(jìn)行了優(yōu)化，在單探頭的基礎(chǔ)上設(shè)計了8通道前后交錯排列的陣列探頭，試驗結(jié)果表明對于表層小裂紋，能夠有效地檢測出掃描方向的裂紋。

筆者根據(jù)陣列脈沖渦流的檢測原理，采用旋轉(zhuǎn)式掃描方式，利用線性陣列矩形探頭對多層結(jié)構(gòu)鉚釘孔周裂紋進(jìn)行了檢測。

1 脈沖渦流陣列檢測原理

脈沖渦流陣列檢測方法是利用載有一定占空比的方波激勵檢測線圈，激勵線圈中會存在周期性的脈沖電流，脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場，變化的脈沖磁場在導(dǎo)體試件中感應(yīng)出瞬時渦流，并且產(chǎn)生快速衰減的二次磁場。隨著渦流磁場的衰減，TMR磁傳感器上就會輸出隨時間變化的電壓，當(dāng)被檢試件出現(xiàn)缺陷時，TMR傳感器上的感應(yīng)電壓會發(fā)生些許變化，使用多通道采集技術(shù)來采集瞬態(tài)輸出電壓信號的變化，通過對這些電壓波形進(jìn)行分析，可得到被測試件的相關(guān)參數(shù)。試驗采用四個TMR呈一字形排列組成線性陣列矩形探頭來拾取變化的電壓信號，通過磁傳感器感應(yīng)出的電壓與無缺陷處磁傳感器感應(yīng)出的電壓作比較來判斷缺陷是否存在。

2 檢測系統(tǒng)

2.1 陣列脈沖渦流檢測平臺

陣列脈沖渦流檢測平臺主要包括脈沖信號發(fā)生器、線性陣列矩形探頭、被測試塊、八通道同步數(shù)據(jù)采集處理模塊以及利用LABVIEW虛擬儀器開發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊五部分組成。脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生激勵脈沖信號施加于探頭激勵線圈上，使得被測試塊中產(chǎn)生渦流，TMR芯片置于激勵線圈下方接收信號，采集到的信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至計算機(jī)，并用LABVIEW軟件搭建的平臺來顯示和保存試驗數(shù)據(jù)。其中激勵電流為0.7 A，采樣頻率為500 kHz，采樣點數(shù)為20 000個點，占空比為50%，上升沿觸發(fā)。

2.2 試塊的制作

試驗采用多層鉚接試塊，其制作材料均為2024航空鋁合金板。多層鉚接試塊每層板厚為1.5 mm，共6層，用鉚釘鉚接組成。試塊上分別加工了長為1,2,3,4,5,6,8 mm，深為1.5 mm，寬為1 mm的裂紋?？扇藶椴鹦躲T釘改變?nèi)毕蒌X板的位置，模擬不同深度和不同長度的鉚釘周邊裂紋缺陷。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 多層鉚接試塊結(jié)構(gòu)示意

2.3 陣列探頭的制作

試驗采用線性陣列矩形探頭，探頭主要包括激勵線圈和陣列傳感器。在長為30 mm、寬為27 mm、厚度為5 mm的矩形磁芯上繞制0.57 mm的漆包線150匝，作為激勵線圈。陣列傳感器采用4片TMR傳感器，呈一字形排列，焊接在PCB板上，芯片兩兩之間距離為0.2 mm，4片TMR傳感器嵌入打穿的透明亞克力板中，并置于線圈底部中心，TMR芯片接收磁場的敏感方向與磁場方向一致。圖2為探頭的結(jié)構(gòu)示意。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)示意

2.4 鉚釘缺陷檢測方法

采用旋轉(zhuǎn)式掃描方法對鉚釘孔周裂紋進(jìn)行檢測，在探頭底面挖個圓孔，將探頭套在鉚釘?shù)恼戏?，以其為軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，TMR呈一字排列與圓孔的中心線在一條直線上。在鉚釘周圍某處選取參考信號(在與鉚釘裂紋呈180°方向的位置處采集參考信號)，在旋轉(zhuǎn)掃描的過程中探頭經(jīng)過裂紋時渦流會產(chǎn)生變化，TMR接收到變化的信號，通過LABVIEW程序處理得到差分信號，從而識別鉚釘周邊裂紋。掃描示意如圖3(a)和3(b)所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)式掃描示意

3 試驗過程與結(jié)果分析

3.1 消除地磁場干擾

地球本身具有磁性，地球及近地空間存在著磁場，叫做地磁場，其強(qiáng)度與方向也隨地點而異，在每一個方向地磁場都有切線分量，試驗所使用的單軸敏感方向接收傳感器TMR 具有很高的靈敏度，能夠檢測到地磁場的存在。所以，探頭在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)檢測時，由于旋轉(zhuǎn)方向的改變，在旋轉(zhuǎn)過程中磁傳感器會接收到不同的地磁場分量，檢測結(jié)果受到影響，需要對地磁場干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析[10-11]。

圖4 8 mm裂紋的原始檢測差分信號與消除地磁場 干擾后的信號

設(shè)缺陷與陣列軸線重合時為0°，圖4(a)是矩形探頭旋轉(zhuǎn) -90°，0°，90°時，檢測8 mm多層鉚釘孔周裂紋原始差分信號圖。地磁場分量為大小不一的恒定磁場，接收傳感器TMR接收的缺陷信號相當(dāng)于在縱坐標(biāo)方向整體上下移動了一定范圍，矩形探頭旋轉(zhuǎn)采集的缺陷信號受到影響，不能直接提取峰值作為對缺陷存在的判斷，需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號處理，去掉地磁場的干擾，故利用MATLAB軟件在提取信號峰值前將信號平移到原點處去掉地磁場的影響，可獲得無地磁場影響的缺陷信號，如圖4(b)所示。

3.2 矩形探頭旋轉(zhuǎn)式掃描缺陷檢測點的試驗

圖5 不同裂紋在不同旋轉(zhuǎn)角度下的檢測信號對比

周德強(qiáng)等[12]研究出矩形探頭的脈沖渦流工作模式中，缺陷和探頭軸線呈10°時檢測效果最佳。試驗選取旋轉(zhuǎn)掃描的1 /2區(qū)域進(jìn)行檢測分析，即對陣列軸線與鉚釘孔周裂紋夾角為-90°～90°的范圍進(jìn)行分析，將缺陷板放在多層鉚接結(jié)構(gòu)的第二層，分別對長度為2,5,8 mm裂紋進(jìn)行檢測，并觀察8 mm裂紋四個通道的相應(yīng)結(jié)果。如圖3(b)所示，設(shè)缺陷與陣列軸線重合時為0°，每隔22.5°采集一次響應(yīng)結(jié)果，從-90°開始順時針旋轉(zhuǎn)到90°。為了更有效地對比不同檢測角度下的結(jié)果，將每個旋轉(zhuǎn)角度下響應(yīng)的結(jié)果與相對缺陷對稱180°處的無缺陷部位的響應(yīng)進(jìn)行差分,提取不同檢測角度下脈沖響應(yīng)差分信號的峰值作為特征值進(jìn)行分析。然后，對響應(yīng)信號峰值為負(fù)數(shù)的結(jié)果取絕對值，圖5(a)為2，5，8 mm裂紋在不同旋轉(zhuǎn)角度下提取的第一個通道差分信號峰值對比，圖5(b)為8 mm裂紋在不同旋轉(zhuǎn)角度下提取的4個通道差分信號峰值對比，可以看出：隨著缺陷與陣列軸線間夾角的增大，響應(yīng)信號峰值呈現(xiàn)先增大后減小再增大又減小的變化趨勢，對于8 mm裂紋4個通道的相應(yīng)結(jié)果，第一通道、二通道、三通道也呈此趨勢，四通道差分信號基本無變化，說明四通道未檢測到缺陷；當(dāng)夾角為45°時，響應(yīng)信號峰值最大，可以得出矩形探頭在旋轉(zhuǎn)掃描過程中，矩形探頭應(yīng)布置在缺陷與陣列軸線夾角為45°左右的位置。

3.3 鉚釘孔周缺陷旋轉(zhuǎn)掃描檢測

綜合以上的試驗結(jié)果，選取45°為最佳檢測點，對不同鉚接層的鉚釘孔周邊1,2,3,4,5,6,8 mm裂紋進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描檢測，將采集的信號與裂紋的鉚釘一端采集的信號進(jìn)行差分處理， 提取差分信號峰值觀察不同層每個裂紋4個通道的差分信號峰值。掃查方向為順時針方向，先在缺陷對面180°無缺陷處取參考信號。每層的掃查結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同鉚接層各通道的檢測結(jié)果對比

從圖6(a)可以看出，第二層中的一通道可以檢測到所有裂紋，第二通道除了1 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到，第三通道能檢測到8 mm裂紋，第四通道差分信號基本無變化；從圖6(b)中可看出第三層中的一通道可以檢測到所有裂紋，第二通道能檢測到4,5,6,8 mm裂紋，剩余通道都檢測不到；從圖6(c)中可看出第四層一通道除了1,2 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到。經(jīng)測試該探頭能夠檢測出第五層8 mm長裂紋缺陷。因此陣列探頭不僅可以提高檢測效率和檢測速度，而且旋轉(zhuǎn)式掃描對多層結(jié)構(gòu)鉚釘孔周缺陷具有很好的檢測效果。

4 結(jié)論

(1) 在矩形陣列探頭旋轉(zhuǎn)式掃描的過程中，缺陷和陣列軸線呈45°附近位置時為最佳檢測點。

(2) 旋轉(zhuǎn)式陣列檢測多層鉚釘孔周裂紋提高了檢測效率和掃描面積，一通道能夠檢測到第三層所有缺陷，第四層除了1,2 mm裂紋，其余都能檢測到，第五層能夠檢測到8 mm裂紋；二通道能夠檢測到除了第二層1 mm裂紋，其余裂紋都能檢測到，第三層能夠檢測到4,5,6,8 mm裂紋；三通道能夠檢測到第二層8 mm裂紋；四通道檢測不到任何缺陷。旋轉(zhuǎn)式掃描方法對鉚釘孔周裂紋的檢測，具有很好的檢測效果，具有良好的應(yīng)用情景。