飛機鉚接結構缺陷的遠場渦流檢測技術研究*

楊賓峰,胥俊敏,王曉鋒,曹海霞

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

項目來源:國家自然科學基金項目(51377172);陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2015JM5147)

2017-02-22修改日期2017-07-05

飛機鉚接結構缺陷的遠場渦流檢測技術研究*

楊賓峰*,胥俊敏,王曉鋒,曹海霞

(空軍工程大學信息與導航學院,西安 710077)

飛機機身鉚接結構中缺陷的檢測評估是目前航空和無損檢測領域中的研究難點。遠場渦流檢測技術因其不受集膚效應的限制從而可以實現對大厚度構件的檢測。設計了一種激勵線圈帶多層屏蔽結構的傳感器模型,在非磁性金屬平板構件上實現了遠場渦流現象。采用旋轉式掃描的檢測方法對鉚接結構中缺陷進行檢測,結果表明,檢測線圈在經過缺陷正上方時其相位出現極小值,并且該極小值與缺陷深度之間存在線性關系,從而驗證了將遠場渦流檢測技術應用于鉚接結構中缺陷檢測的可行性。

遠場渦流;鉚接結構;傳感器設計;定量檢測

由于特殊的工作環境,機身鉚接結構會承受巨大的應力,因此極易在其結構內部產生疲勞裂紋,從而給飛行安全帶來嚴重的隱患。如何實現對鉚接結構中缺陷的檢測,是無損檢測領域中面臨的難點問題。傳統的無損檢測技術難以從飛機結構外部檢測到其內部缺陷,超聲檢測無法穿透多層結構[1],聲發射技術檢測信號易受干擾[2]?；贕MR的無損檢測方法精度高,但是儀器成本昂貴[3]。傳統的渦流檢測,包含脈沖渦流檢測技術均不可避免地受到集膚效應的影響[4-5],限制了其對深層缺陷的檢測能力。漏磁技術只用來檢測鐵磁性材料[6],難以檢測飛機結構中的非磁性構件。

遠場渦流檢測技術不受集膚深度的限制,對內外壁缺陷具有相同的檢測靈敏度,在鐵磁性管道裂紋缺陷的檢測中有著廣泛的應用[7-9]。近年來,有學者指出,通過傳感器結構的改進設計,傳統遠場渦流檢測技術也可用于金屬平板構件上缺陷的檢測。Wang等人設計了不同結構的激勵線圈,成功在平板構件上實現了遠場渦流效應[10]。Yang等人近年來對脈沖遠場渦流技術進行了深入研究,設計了可用于檢測鐵磁性管道以及非磁性構件的遠場渦流傳感器[11-16]。目前,將遠場渦流技術應用于鉚接結構中缺陷檢測的研究還相對較少,由于受專利保護的影響,目前公開的資料中并沒有給出鉚接結構遠場檢測中,磁場直接耦合分量是如何進行衰減和屏蔽的,而這些問題又是鉚接結構缺陷遠場渦流檢測的關鍵之所在。

本文在前期研究的基礎上,借鑒國內外相關學者的研究成果,通過給激勵線圈加裝屏蔽結構,從而有效阻礙了磁場直接耦合分量的傳播,使得該傳感器實現了對鉚接結構缺陷的遠場檢測效果,從而為飛機機身多層鉚接結構缺陷的定量無損檢測提供了新途徑。

1 鉚接結構遠場渦流檢測的技術原理

傳統遠場渦流傳感器由激勵和檢測線圈構成,兩者之間一般保持2至3倍管徑的距離。激勵線圈產生的信號可分為兩個部分。一部分在管內傳播,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。在近場區,直接耦合分量強于間接耦合分量而穿出管外;在遠場區,間接耦合分量強于直接耦合分量因而其再次穿透管壁向內傳播,稱為“二次穿透”現象。通過在遠場區放置檢測線圈,便可提取出間接耦合分量穿透管壁而帶來的缺陷信息。

多層平板鉚接結構由于不具備管道的屏蔽作用,無法實現對直接耦合分量的抑制,當激勵與檢測線圈放置于平板表面同一側時,穿透平板向下傳播的場(間接耦合分量)會一直弱于板上場(直接耦合分量),無法實現“二次穿透”。分析可知,通過給激勵線圈加裝屏蔽結構,來阻礙直接耦合分量的傳播,使得板下場在經過一段距離后能夠強于板上場,從而穿透平板到達檢測線圈,實現遠場渦流現象,其原理圖如圖1所示。

圖1 鉚接結構遠場渦流檢測示意圖

圖2 傳感器模型

2 探頭設計的仿真研究

本文采用有限元仿真軟件ANSYS進行建模仿真,建立如圖2所示的帶屏蔽結構的傳感器模型,其激勵線圈位于鉚釘孔的正上方,激勵線圈高度為6 mm,厚度為2 mm,內徑為6 mm,外徑為8 mm,匝數為200匝。檢測線圈高度為2 mm,厚度為1 mm,內徑為0.5 mm,外徑為1.5 mm,匝數為800匝。鉚接結構平板長度為120 mm,寬度為120 mm,總厚度為4 mm,被測材料為鋁。激勵線圈外加裝三層鐵磁性屏蔽結構,這是由于遠場渦流所采用的激勵頻率較低,單層屏蔽很難實現較好的屏蔽效果,因此,需加裝多層屏蔽來衰減磁場直接耦合分量。

根據前期研究結果,對傳感器結構進行改進設計后,還需對激勵頻率進行優化選擇。分別對300 Hz～1 000 Hz范圍內的激勵頻率進行仿真,得到不同激勵頻率下的幅值和相位特性曲線,結果如圖3所示。從圖中可以看出,在頻率較低時,幅值特性曲線不存在拐點,相位特性曲線沒有突變,說明沒有產生遠場檢測效果。隨著激勵信號頻率的增加,幅值拐點以及相位突變現象越來越明顯。當激勵信號頻率達到1 000 Hz時,幅值拐點與相位突變最明顯。

圖4為檢測線圈在距離激勵線圈35 mm～45 mm的范圍內以1 mm為步進進行更為精細的移動掃描時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正弦激勵時的特性曲線

從圖4可以清晰地看出幅值拐點以及相位突變,從而證明了1 000 Hz正弦激勵下的帶屏蔽結構傳感器能夠在鉚接結構平板上形成遠場渦流現象。此拐點和突變只是證明了遠場效應的產生,并無其他意義。

3 缺陷的定量檢測

采用旋轉式掃描的方法對鉚接結構中的缺陷進行檢測,將激勵線圈套在鉚釘帽的正上方,以其為軸進行360°旋轉,當檢測線圈掃描經過缺陷正上方時,由于缺陷對渦流的擾動,檢測信號在此處會出現一個極值,提取此特征量便可實現對鉚接結構平板上缺陷的檢測,示意圖如圖5所示。

圖5 旋轉式掃描示意圖(俯視圖)

為了研究帶屏蔽結構傳感器對缺陷的檢測能力,在鉚接結構附近建立一個長度為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。采用遠場渦流對非磁性構件中缺陷檢測時,檢測信號的擾動更多來源于缺陷對渦流的擾動,因此將檢測線圈與激勵線圈正交放置,分別得到檢測線圈相對缺陷處于5°、2.5°、0°、-2.5°、-5°的結果,用來模擬旋轉式掃描的檢測方法,結果如圖6所示。從圖中可以看出,當檢測線圈經過缺陷正上方時,檢測信號相位存在極小值,證明帶屏蔽結構的傳感器可以實現對鉚接結構中缺陷的檢測。

圖6 不同深度鉚接缺陷的掃描檢測結果

圖7 缺陷深度的定量檢測

為了進一步研究檢測信號相位與缺陷深度之間的關系,繪制出檢測信號相位與缺陷深度之間的關系圖,結果如圖7所示。從圖中可以看出,檢測信號相位與缺陷深度之間存在線性關系,提取該特征量可以實現對鉚接結構中裂紋深度的定量檢測。

4 結論

本文將遠場渦流檢測技術應用于鉚接結構中缺陷的檢測,設計了激勵線圈帶屏蔽結構的遠場渦流傳感器。仿真結果表明,該遠場渦流傳感器可以在鉚接結構中實現遠場渦流現象。采用旋轉式掃描的方法對鉚接結構中的缺陷進行了檢測。結果表明,當檢測線圈掃描經過缺陷正上方時,檢測信號的相位存在極小值,此極小值與缺陷深度之間存在著線性關系,提取該特征量可以對裂紋深度進行定量檢測。

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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,空軍工程大學信息與導航學院博士,副教授,主要研究方向為電磁無損檢測,bf_yang@163.com。