飛機鉚接件隱藏缺陷的遠場渦流檢測探頭優(yōu)化與試驗

趙本勇，宋凱，寧寧，黃華斌，張麗攀，*

1. 南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063 2. 中國飛機強度研究所，西安 710065

飛機制造材料以高強度的鋁合金為主，由于鋁合金焊接性能差，焊接環(huán)境要求高，而鉚接具有良好的機械性能、較強的使用環(huán)境等優(yōu)點而廣泛應用在飛機制造中，據統(tǒng)計飛機機身70%的結構件采用鉚接、螺栓連接的形式[1-2]。飛機在執(zhí)行飛行任務時，機身經歷增壓與減壓過程，鉚接結構部位會產生嚴重的應力集中[3-4]。由機體疲勞失效造成的飛機事故當中，有近80%的疲勞裂紋產生于構件鉚釘孔區(qū)域，及時發(fā)現(xiàn)裂紋并對其定量評價，對提高飛機結構性能、預防飛機關鍵構件的斷裂故障和防止重大惡性事故的發(fā)生具有重要意義[5-6]。近年來，研究學者針對鉚接構件進行了各種無損檢測方面研究，康建中等[7]針對某型飛機發(fā)生多起鉚釘脫落打壞發(fā)動機故障問題，采用常規(guī)超聲檢測技術發(fā)現(xiàn)鉚釘內部故障缺陷，但存在多種不同情況波形類似的不足，使得缺陷的判斷較為復雜。彭智偉等[8]開展了螺接結構孔邊裂紋的超聲原位檢測試驗研究，設計了縱波斜探頭和對比試塊，發(fā)現(xiàn)裂紋走向和有效寬度對超聲波信號有較大影響。田云飛和曹宗杰[9]將紅外檢測技術應用到飛機蒙皮搭接結構的檢測，利用溫度場的異常來識別搭接構件內部缺陷，但需要較強的激勵熱源。徐矛等[10]采用低頻渦流檢測技術對飛機蒙皮鉚釘孔進行檢測，發(fā)現(xiàn)了在機身A框外蒙皮鉚釘孔邊出現(xiàn)嚴重裂紋，但對于多層金屬鉚接構件的隱藏缺陷，其埋藏深度超出了低頻渦流檢測的探測范圍，使其難以被檢出。盡管研究者們已經開展了相關的試驗與檢測工作，但對多層金屬鉚接構件隱藏缺陷的檢測還是無能為力。

遠場渦流檢測技術是渦流檢測的一個新興的分支，突破了集膚效應限制，可穿透較大厚度的被測試件，因此在解決多層鉚接構件隱藏缺陷檢測的問題具有獨特的優(yōu)勢。Schmidt[11]詳細闡明了遠場渦流效應的機理，提出電磁場二次穿透理論并解釋了遠場渦流現(xiàn)象。Kobayashi等[12]使用鐵氧體和鐵-鎳合金作為能量增強和導引模塊，顯著提高檢測靈敏度。曲民興和周連文[13-14]利用二維仿真技術驗證了板類結構件遠場渦流技術的可行性，在板類結構件遠場渦流檢測機理、電磁仿真計算及平面遠場渦流探頭改進方面取得了一些顯著的成果。Kasai等[15-16]采用遠場渦流檢測技術對鐵磁性儲油罐底板背面局部腐蝕進行了檢測，對比了有/無U型鐵氧體鐵芯探頭的檢測能力，證實了類似于管式試樣的平面遠場渦流現(xiàn)象。胥俊敏等[17-19]設計磁場聚集和磁場抑制模塊在鉚接結構中實現(xiàn)遠場渦流效應，仿真模型優(yōu)化了磁路材料組成。Sun等[20-22]將遠場渦流技術應用于飛機多層平板結構的檢測中，成功檢測出飛機裂紋及腐蝕坑等缺陷。然而，由于飛機多層鉚接件中鉚釘非常密集，鉚釘之間距離短，這些文獻中很少對多層金屬鉚接件鉚釘孔沿邊裂紋進行研究，并且探頭過長，不利于鉚釘孔沿邊隱藏裂紋的檢測。

本文以飛機多層鉚接件為研究對象，建立了多層金屬鉚接構件三維有限元模型，設計優(yōu)化了平面遠場渦流探頭，縮小了探頭尺寸，使探頭尺寸滿足檢測條件，不受鉚釘排布干擾，研究了平面遠場渦流探頭圍繞鉚釘旋轉掃查沿邊隱藏缺陷時檢測信號的變化，并通過試驗驗證了平面遠場渦流探頭對飛機多層鉚接件隱藏缺陷檢測能力，得到了不同埋深缺陷同檢測信號特征量之間的關系，為飛機鉚接構件工程檢測實踐奠定了理論基礎。

1 金屬鉚接結構中遠場渦流檢測機理

平面遠場渦流探頭與管道遠場渦流探頭不同，管道遠場渦流探頭的激勵線圈和檢測線圈采取同軸方式放置在管道內部，而平面遠場渦流探頭激勵線圈和檢測線圈采用異軸方式放置在平面上，如圖1所示，平面遠場渦流探頭的檢測線圈也是放置在遠場區(qū)，這點與管道遠場渦流探頭相似。

平面遠場渦流檢測基于二次穿透原理，檢測線圈接收到兩次穿透鉚接件的磁場信號。采用平面遠場渦流方法對多層金屬鉚接構件進行檢測時，檢測線圈接收的信號主要來自構件上方直接耦合通道的磁場和構件內部間接耦合通道的磁場，直接耦合通道的磁場中不含缺陷信息，只有間接耦合通道的磁場含有構件內部缺陷信息。在近場區(qū)，直接耦合磁場強于間接耦合磁場，直接耦合磁場起主導作用，在此區(qū)，表現(xiàn)出常規(guī)渦流現(xiàn)象，因受集膚效應，只能檢測構件表面缺陷，無法檢測深層缺陷；在過渡區(qū)，直接耦合磁場和間接耦合磁場衰減都比較快，磁場極不穩(wěn)定；在遠場區(qū)，由于磁場在空氣的衰減速度大于在導體的速度，且直接耦合通道的磁場還受到屏蔽層的阻礙作用，間接耦合磁場逐漸成為主導作用，表現(xiàn)出遠場渦流現(xiàn)象，間接耦合通道磁場攜帶構件缺陷信息，此時，不僅能夠檢測多層鉚接結構表面缺陷，還能檢測內部缺陷。

遠場渦流的控制方程可以根據麥克斯韋方程組推導得出：

圖1 平面遠場渦流檢測原理Fig.1 Planar remote field eddy current detection principle

(1)

式中：A為磁矢量勢；Js為電流密度；μ為介電常數；σ為磁導率；t為時間。假設激勵為正弦穩(wěn)態(tài)，線圈、磁路、屏蔽層為軸對稱結構，在圓柱坐標系下控制方程為

jωσA+Js=0

(2)

式中：j為虛軸；ω為角頻率；r、z為圓柱坐標系的基向量。將Galerkin加權余量法應用于式(2)，得到基本矩陣方程：

(S+jC){A}={Q}

(3)

式(3)中每個矩陣的元素可以表示為

(4)

(5)

(6)

式中：Ni、Nj為有限元單元中每個節(jié)點處的形函數；Ωe為有限元單元空間。將式(4)、式(5)、式(6)代入式(3)，可得出各節(jié)點處的磁矢量勢A，由磁矢量勢進一步推導出檢測線圈上的感應電壓為

(7)

式中：Ac為磁矢量中心值；rc為線圈中心徑向距離。

通過建立有限元模型，利用有限元仿真軟件可以求解式(7)，從而獲得檢測線圈的感應電壓。

2 多層鉚接件遠場渦流探頭優(yōu)化設計

2.1 建立多層金屬鉚接件遠場渦流仿真模型

采用有限元仿真軟件ANSYS進行仿真，建立了三維模型，模型剖面圖如圖2所示，模型中每層鋁合金平板長為300 mm，寬為300 mm，厚度為3 mm，鉚接結構總厚度為12 mm，沉頭鉚釘直徑為3 mm，激勵線圈高度為4 mm，匝數為800匝，檢測線圈為矩形線圈，矩形線圈內長為4 mm，內寬為2 mm，壁厚為3 mm，高度為3 mm，匝數為1 000匝，激勵頻率為500 Hz、電流為100 mA，模型材料屬性參數見表1。

圖2 三維仿真模型圖Fig.2 3D simulation model

表1 材料屬性設置
Table 1 Material property setting

MaterialConductivityRelative permeabilityRiveting structure3.45×1061Magnetic circuit1.2×10-510 000Aluminum shield3.45×1061Copper shield2.25×1061

網格劃分決定了求解精度和計算時間，通常磁場變化快的區(qū)域劃分密集，變化慢的區(qū)域劃分稀疏，如圖3所示，過渡尺寸比例控制在1/3，整個模型外層包有空氣層，有限元離散化后空氣層外邊界施加平行邊界條件，求解后通過后處理獲得直接耦合區(qū)和間接耦合區(qū)的電磁場分布和變化規(guī)律。

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model meshing

2.2 激勵線圈內徑優(yōu)化

平面遠場渦流的檢測深度與激勵線圈的尺寸有著直接的聯(lián)系，為了能夠檢測到多層金屬鉚接構件的深層缺陷，首先對激勵線圈的內徑進行優(yōu)化。在模型中，將激勵線圈的內徑分別設為3.5、4.5、5.5 mm和6.5 mm，線圈壁厚為1 mm，高度為4 mm，匝數為800匝，激勵頻率為500 Hz，激勵電流為100 mA。通過ANSYS后處理模塊，得到多層鉚接結構內部磁場強度云圖，如圖4所示。從圖中看出，激勵線圈內徑為3.5 mm和4.5 mm，其感生的磁場沒有完全穿透12 mm的多層鉚接結構，而內徑為5.5 mm和6.5 mm的激勵線圈感生的磁場完全穿透了多層鉚接結構。

圖4 磁場強度云圖Fig.4 Magnetic field intensity ccloud

沿著激勵線圈軸向方向，提取激勵線圈正下方的磁場強度，結果如圖5所示。

圖5 激勵線圈內徑與磁場強度關系Fig.5 Relationship between inner diameter of excitation coil and magnetic field strength

從圖5中可以看出，激勵線圈內徑越大，其在多層鉚接結構中產生的磁場強度越強，在厚度2～12 mm范圍內，磁場強度隨著鉚接厚度的增加而逐漸下降。但是，激勵線圈內徑越大，必將導致探頭尺寸也相應的增大，在實際檢測中，由于鉚釘分布較密集，可操作的空間有限，探頭過大，操作不便。在保證激勵線圈感生磁場能夠穿透多層鉚接結構又能避免探頭過大，選擇內徑5.5 mm的激勵線圈為后續(xù)繼續(xù)研究。

2.3 磁路結構優(yōu)化

為了進一步提高多層鉚接結構內部磁場強度，采用給激勵線圈加裝磁路的方法能夠增強激勵磁場，由于激勵線圈是環(huán)柱形螺線管結構，考慮到與磁路的配合性，因此選擇柱形、環(huán)形、杯形和罐形結構錳鋅鐵氧體來研究對磁場引導效果。

保持激勵線圈尺寸不變，在模型中建立如圖6所示的不同結構的錳鋅鐵氧體，因為模型中只含有激勵線圈、多層鉚接結構以及磁路實體，未涉及相對運動，整個模型呈軸對稱，可以采用二維模型進行有限元分析，只計算軸對稱模型半個截面，仿真得到柱形、環(huán)形、杯形和罐形鐵氧體磁力線分布如圖7所示。

圖6 錳鋅鐵氧體結構Fig.6 Mn-Zn ferrite structure

圖7 不同形狀錳鋅鐵氧體磁力線分布Fig.7 Magnetic field distribution for different shapes of Mn-Zn ferrite

從圖7看出，多層鉚接結構上方的磁力線越來越稀疏，圖7(d)中，大量的磁力線被束縛在罐形鐵氧體內部，只有少量的磁力線逃逸了鐵氧體，表明了罐形鐵氧體結構能夠控制引導鉚接結構上方的磁力線，減少磁力線向檢測線圈方向擴散。提取鉚接結構內部磁場強度，結果如圖8所示。從圖中看出，磁路為罐形鐵氧體時，磁場強度最大值為4 372.1 A/m，磁場強度是柱形錳鋅鐵氧體的1.85倍，而磁路為環(huán)形和杯形錳鋅鐵氧體時，磁場強度最大值比柱形錳鋅鐵氧體要低，分別下降了64.9%、5.1%，說明了罐形鐵氧體聚磁能力較強，而環(huán)形和杯形鐵氧體聚磁能力比柱形鐵氧體聚磁能力要差。這是因為，杯形鐵氧體和環(huán)形鐵氧體內腔均為空氣，磁力線無法在空腔內聚集，而且環(huán)形鐵氧體上部是開口，杯形鐵氧體上部是封閉的，杯形鐵氧體聚磁效果相比環(huán)形鐵氧體較好，但總體比柱形鐵氧體要差，罐形鐵氧體兼顧了杯形和柱形鐵氧體結構，聚磁能力強。

圖8 鐵氧體結構與軸向磁場強度關系Fig.8 Relationship between ferrite structure and axial magnetic field strength

2.4 屏蔽阻尼結構優(yōu)化

為縮短激勵線圈與檢測線圈之間的距離，分別采用鋁環(huán)+銅環(huán)和鋁罩+銅罩作為屏蔽阻尼，仿真提取鉚接結構表面水平分量實部和虛部磁感應強度數據，得到磁感應強度幅值和相位響應曲線，分別如圖9和圖10所示。

由圖9可知，不同屏蔽阻尼結構下，幅值特性曲線總體趨勢一致，近場區(qū)磁場衰減劇烈，幅值迅速下降，過渡區(qū)幅值響應曲線出現(xiàn)拐點，遠場區(qū)幅值下降的比較緩慢，但采用鋁罩+銅罩組合結構作為屏蔽阻尼，幅值信號在近場區(qū)下降速率較快，說明鋁罩+銅罩組合結構對直接耦合通道磁場抑制較好。從圖10相位響應曲線中可以看出，當屏蔽阻尼為鋁環(huán)+銅環(huán)組合結構時，其相位在距離激勵線圈中心13 mm發(fā)生了跳轉，隨后迅速下降，距離激勵線圈中心40 mm后相位下降速度緩慢，當屏蔽阻尼為鋁罩+銅罩組合結構時，其相位在距離激勵線圈中心11 mm發(fā)生了跳轉，離激勵線圈中心30 mm后相位下降速度緩慢，相比之下遠場區(qū)提前了10 mm，因此采用鋁罩+銅罩組合結構屏蔽阻尼能夠將平面遠場渦流探頭尺寸縮短。

圖9 幅值響應曲線Fig.9 Amplitude corresponding curve

圖10 相位響應曲線Fig.10 Phase corresponding curve

2.5 激勵頻率對平面遠場渦流特性的影響

在探頭結構進行仿真優(yōu)化后，還需對激勵頻率進行優(yōu)化選擇。模型中磁路為罐形錳鋅鐵氧體，屏蔽阻尼為鋁+銅組合屏蔽罩，激勵電流為100 mA，分別對100～1 000 Hz 范圍內的激勵頻率進行仿真，提取多層鉚接結構表面水平分量實部和虛部磁場強度，得到不同激勵頻率下的幅值相位特性曲線，結果如圖11所示。

從圖11(a)幅值特性曲線中可以看出，不同激勵頻率下，幅值特性曲線變化趨勢一致，距激勵線圈中心12 mm之前，都是先迅速下降，在12～16 mm時，出現(xiàn)拐點，此區(qū)域幅值下降速率迅速降低，16 mm之后，幅值緩慢下降，但隨著激勵頻率的增加，幅值下降速率越大，拐點越提前。

從圖11(b)相位特性曲線中可以看出，激勵頻率為100 Hz時，相位在距激勵線圈中心18 mm發(fā)生了跳轉，而激勵頻率為1 kHz時，相位在距激勵線圈中心9 mm發(fā)生了跳轉，激勵頻率越高，相位跳轉距離越短；在過渡區(qū)，隨著頻率的增加，相位下降越劇烈，遠場區(qū)向激勵線圈移近，但隨著頻率的增加，遠場區(qū)的信號幅值減小，這對信號的提取不利，考慮到這一因素，最后選擇激勵頻率為500 Hz。

圖11 不同頻率下平面遠場渦流幅值相位特性曲線Fig.11 Plane remote field eddy current amplitude phase characteristic curves at different frequencies

從相位特性曲線中可以發(fā)現(xiàn)，在頻率為500 Hz，離激勵線圈中心距30 mm，相位變化緩慢，說明此處為遠場區(qū)，因此，檢測線圈應放置距激勵線圈中心30 mm處，即激勵線圈和檢測線圈分別距鉚釘中心15 mm，由于飛機鉚接結構上緊固件之間距離為25～30 mm，因此優(yōu)化后的探頭尺寸滿足檢測條件。

3 平面遠場渦流探頭檢測性能分析

3.1 仿真結果

由于飛機鉚接結構厚度在3.5～7.5 mm之間，且受到應力集中的影響，鉚接結構內部容易出現(xiàn)裂紋，對隱藏較深的裂紋，常規(guī)渦流和低頻渦流是難以檢測到的，為研究平面遠場渦流探頭對多層鉚接結構中深層缺陷的檢測能力，在模型中建立了不同埋深缺陷，其埋深分別為6、7 mm和8 mm(略大于實際厚度)，長×寬×深為10 mm×0.2 mm×2 mm，激勵線圈和檢測線圈呈180°環(huán)繞在鉚釘的兩側，激勵線圈和檢測線圈中心距為30 mm，激勵頻率為500 Hz，激勵電流為100 mA。檢測時，激勵線圈和檢測線圈均圍繞鉚釘旋轉，具體掃描方式如圖12所示，激勵線圈和檢測線圈均以步進2°環(huán)繞鉚釘進行旋轉掃描，當旋轉90°時，檢測線圈位于缺陷上方，當旋轉270°時，激勵線圈位于缺陷上方，因此探頭是以180°為周期圍繞鉚釘掃描檢測，0°～180°的檢測結果與180°～360°的檢測結果是一致的，為了節(jié)省仿真計算時間，只計算缺陷周圍70°～110°范圍內檢測線圈信號變化。

圖12 掃查方式Fig.12 Scanning method

圖13 檢測信號變化Fig.13 Detection of signal changes

圖13所示為不同埋深缺陷的檢測信號變化，當檢測線圈逐漸靠近缺陷，檢測信號的幅值和相位呈上升趨勢，遠離缺陷時，信號幅值和相位均呈下降趨勢，檢測線圈位于缺陷正上方時，檢測線圈的幅值和相位均出現(xiàn)極值，且隨著缺陷埋深越深，信號的幅值和相位的極值逐漸變小。

3.2 試驗結果

檢測系統(tǒng)主要由信號發(fā)生器、功率放大器、優(yōu)化后旋轉式探頭、前置放大器、鎖相放大器、數據采集模塊和計算機組成。信號發(fā)生器產生正弦信號，經過功率放大器后加載激勵線圈上；檢測線圈的感應電壓經過前置放大器進行濾波和放大后，輸入到鎖相放大器中實現(xiàn)檢測信號的幅值和相位的提取，最后通過數據采集模塊存入計算機中進行處理，試驗檢測系統(tǒng)如圖14所示。

圖14 檢測系統(tǒng)Fig.14 Detecting systems

利用該檢測系統(tǒng)對每層厚度3 mm共4層的鋁合金鉚接結構進行檢測，缺陷尺寸為(長×寬×深)10 mm×0.2 mm×2 mm，埋深分別為6、7、8 mm，使用優(yōu)化后的探頭圍繞鉚釘旋轉掃描，利用鎖相放大器獲得檢測線圈感應電壓的幅值和相位，結果如圖15所示。

由圖15檢測結果知，檢測不同埋深缺陷信號的幅值和相位變化都呈現(xiàn)單峰信號，先上升后下降，在缺陷埋深為6、7、8 mm的檢測信號幅值分別為634、557、468 mV，相位分別為64°、55°、38°，缺陷埋深越深檢測信號的幅值和相位越小。

圖15 不同埋深缺陷檢測結果Fig.15 Testing results for defects of different buried depths

為研究優(yōu)化后的探頭對多層鉚接結構不同深度裂紋的檢測能力，在多層鉚接件第4層加工了人工缺陷，缺陷參數為(長×寬)10 mm×0.2 mm，深度分別為1、2、3 mm，埋深為9 mm，利用鎖相放大器獲得檢測線圈電壓信號的幅值和相位，檢測結果如圖16所示。

圖16 不同深度缺陷檢測結果Fig.16 Testing results for defects of different depths

由圖16檢測結果知，缺陷信號的幅值和相位先上升后下降，探頭移動到缺陷正上方時，信號幅值和相位均最大，相比1 mm深缺陷信號幅值和相位(359 mV、23°)，2 mm、3 mm深的缺陷信號幅值分別增加了19%、38%，相位分別增加了46%、86%，隨著缺陷深度的增加，信號的幅值和相位越大。試驗結果表明研制的平面遠場渦流探頭對飛機多層鉚接件隱藏缺陷檢測的可行性。

4 結 論

1) 激勵線圈內徑越大，產生間接耦合磁場越強，檢測深度越深，在滿足激勵線圈的載荷下，可以適當增加激勵線圈內徑，提高探頭檢測能力。

2) 錳鋅鐵氧體作為磁路具有增強磁場和引導磁場的能力，不同形狀鐵氧體聚磁和引導磁場效果不同，罐形鐵氧體磁芯聚磁能力是矩形磁形的1.85倍，且能夠減少磁場沿檢測線圈方向擴散，縮小探頭尺寸。

3) 屏蔽阻尼能夠屏蔽直接耦合區(qū)的磁場，使得遠場區(qū)移近激勵線圈，采用鋁+銅組合屏蔽罩具有較好的屏蔽效果，能夠將遠場區(qū)提前10 mm，進一步縮小探頭尺寸。

4) 遠場點隨激勵頻率的增加逐漸提前，激勵頻率為500 Hz時，遠場點距激勵線圈中心30 mm。

5) 檢測線圈位于缺陷正上方時，檢測線圈的幅值和相位均出現(xiàn)極值，且隨著缺陷深度的增加，信號的幅值和相位極值逐漸變大，缺陷埋深越深，信號的幅值和相位越小。