在役飛機蒙皮夾層腐蝕渦流檢測

袁英民,程 文,楊曉華

(海軍航空工程學院青島分院,青島 266041)

飛機在沿海及內陸濕熱地區服役期間,由于環境腐蝕和載荷的作用,飛機蒙皮結構內層金屬基體發生腐蝕損傷,嚴重影響飛機結構的功能與經濟修理,甚至影響其使用壽命,這種損傷具有較強的隱蔽性,其危害常常被忽視[1-2]。為了保證腐蝕環境下飛機的使用安全,需要得到飛機蒙皮結構金屬基體腐蝕損傷情況。

飛機蒙皮結構材料是LY12CZ鋁合金,為三層鋁合金復合結構,而腐蝕缺陷通常出現在第一層的底面和第三層的上表面,對于這些部位,采用常規渦流檢測法難以奏效。通過選取試驗參數和制作專用探頭,在反復試驗的基礎上,筆者成功地解決了這一難題,為某型飛機大修工作的順利進行提供了有效可靠的檢測方法。

1 參考試塊的制作

參考試塊采用與飛機被檢部位相同的材料,按照被檢部位實際結構尺寸取樣制作,并在需要檢測的部位加工出一定尺寸的圓形平底槽來模擬腐蝕。

參考試塊的制作情況如圖1所示：飛機蒙皮為三層鋁合金結構,截取尺寸為150 mm×150 mm,厚度分別為1.2,0.5和1.2 mm。根據腐蝕疲勞壽命分析,在上層鋁合金板的底部加工了深度為20%板厚,直徑為6 mm圓形平底槽,在下層鋁合金板的上表面加工同樣尺寸的平底槽作為腐蝕參考試塊。

圖1 參考試塊示意圖

2 試驗過程

2.1 頻率的選擇

檢測頻率是決定渦流檢測效果的關鍵因素。由于集膚效應,當交變磁場透入導電試件時,導體中感應出的渦流密度隨著距表面深度增大呈指數規律衰減[3]。通常定義渦流密度等于表面密度1/e處的深度為滲透深度δ,即：

式中μ為磁導率,H/m;σ為電導率,1Ω?m;δ為滲透深度,m;f為頻率,Hz。

滲透深度δ定性反映了渦流檢測的深度,δ大,滲透深度大,可檢測深度相應也大,反之則小。因此,它是選擇檢測頻率的一個重要依據。當滲透深度為三層板厚 2.9 mm時,通過計算,頻率為1 550 Hz。但通過試驗,頻率為2 000 Hz時,綜合上層下底面和下層上表面腐蝕的信號幅度、信噪比和相位分離度等各方面因素,檢測效果最好。

2.2 相位的選擇

相位特性在渦流檢測中非常有用。從渦流檢測線圈的阻抗分析可知,相位滯后角β與導體集膚效應深度x有關,相位滯后角隨集膚深度的增加而增大[4],即：

由于飛機蒙皮腐蝕缺陷深度位置不同,有上層底部的和下層上表面的,因此通過選擇合適的試驗頻率,依據信號的相位可以準確區分被檢缺陷的位置。圖2所示即為頻率為2 000 Hz時,參考試塊的阻抗平面圖,位于上層下表面和也有層上表面的同樣大小的腐蝕缺陷所產生的信號大小與相位不同。由圖2可見,上層下表面腐蝕缺陷信號1幅度較大,雖然下層上表面的腐蝕缺陷面積沒變,但隨著深度位置增加,不僅信號2幅值減小,其相位也產生明顯的滯后。同時,圖2還清楚地顯示出腐蝕與提離效應方向的相位差異(圖中0方向為提離信號顯示)。因而,檢測中可以通過調整合適的相位把提離效應抑制掉。

圖2 腐蝕缺陷阻抗平面圖

2.3 儀器的選擇

渦流檢測儀首先要滿足試驗頻率的要求。既要具有較低的頻率下限和較寬的頻率范圍,以滿足試驗檢測深度需要較低頻率的要求,又應能在低頻范圍內作較細的調整,以便針對不同的檢測對象選擇最佳試驗頻率。

其次,渦流儀應具有平面阻抗顯示和良好的相位調節功能。在飛機蒙皮腐蝕檢測過程中,不同位置缺陷信號的識別不僅依賴于信號幅值,更重要的是依賴于相位。不具有平面阻抗顯示的渦流儀不能提供缺陷的相位信號,因而難以準確評判檢測結果。渦流儀還應具有較大的激勵功率和增益,才能在試件內部激勵較強的渦流場,從而獲得較大的缺陷信號。

為此,選用 ELOTEST B320渦流檢測系統。該儀器工作頻率范圍為10 Hz～12 MHz,相位旋轉0°～359.5°連續可調 ,精度達到 0.5°;探頭激勵范圍為0～12 V;增益范圍為0～172 dB連續可調,增益分為前置放大、主放大、Y廣度。具有多種阻抗平面顯示模式以及數字濾波等多種功能。

2.4 專用探頭制作

根據檢測需要,在反復試驗的基礎上,制作了一發一收寬頻探頭,頻率范圍為25 Hz～5 MHz,探頭外徑為18 mm。該專用探頭的主要特點是直徑較大,頻域較寬,發射接收能量較大。依據理論分析,導體中的渦流深度不僅取決于渦流滲透深度,還與探頭直徑有直接關系。當激勵功率相同時,將探頭放置在導體表面,探頭產生的激勵磁場透入導體的深度約為探頭直徑的1/4～1/3[5]。

3 檢測結果

首先用參考試塊標定儀器。由以上分析與試驗,參數設定如圖3所示,1為上層下表面腐蝕缺陷阻抗曲線,2為下層上表面腐蝕缺陷阻抗曲線。此時提離信號為水平位置,閘門為 40%。1幅值為45%,相位為 62°;2幅值為 40%,相位為 70°。

利用參考試塊設定的參數對機體下壁蒙皮內層腐蝕情況進行檢測。根據幅度和相位分析,第一層下底面腐蝕深度超過其厚度20%的有5處,第三層上表面腐蝕深度超過20%的有3處。經激光切割分解和顯微鏡深度測量檢查,驗證了渦流檢測結果。

圖3 參考試塊檢測結果

4 結語

渦流法是檢測導電材料表面與近表面缺陷的有效方法,因而是對在役飛機蒙皮外層腐蝕進行無損檢測的首選方法。但是,蒙皮多層結構夾層的腐蝕檢測問題,用常規渦流檢測方法難以奏效。通過理論分析與反復試驗,得到了滿意的結果,成功的解決了某型飛機大修蒙皮夾層腐蝕檢測問題。結論是：

(1)檢測蒙皮夾層及深層的腐蝕,檢測頻率宜選用低頻,根據檢測深度確定為2k Hz。

(2)需制作專用的渦流探頭。為了成功地檢測蒙皮夾層腐蝕,制作的探頭要求直徑較大,頻域較寬,發射/接收能量較大。

(3)應選用帶阻抗平面顯示的渦流儀,以便有效地調節相位,區分夾層和深層腐蝕缺陷。

[1]穆志韜.海軍飛機結構腐蝕損傷規律及使用壽命研究[D].北京：北京航空航天大學,2001.

[2]劉秀麗.飛機結構腐蝕檢測技術研究[J].機械強度,2004,26(s)：60-62.

[3]嚴仍春.渦流厚度無損檢測技術及其應用[J].無損檢測,1996,18(6)：169-172.

[4]張會云,嚴仍春,樓敏珠.阻抗平面顯示技術在渦流檢測信號處理中的應用[J].無損檢測,2003,25(1)：44-47.

[5]劉寶,徐彥霖,王增勇,等.一種專用渦流換能器的設計[J].無損檢測 ,2007,29(1)：41-44.