某飛機機翼機身對合螺栓超聲波相控陣檢測方案

曾強 李戰 陳新波

摘 要：對于機翼機身對合螺栓這種螺栓類零件，目前主要是采用磁粉檢測，但由于工件安裝的特殊性，需對機翼機身對合螺栓采用端部入射法進行超聲波檢測。目前國內一些行業采用常規超聲波檢測但檢測效果差。本次采用超聲波相控陣技術，通過對聚焦深度及掃查角度的精確控制，3D成像方法，獲得了很好的檢測效果。

關鍵詞：機翼機身對合螺栓;常規超聲波檢測;3D全聚焦超聲波相控陣成像

1 前言

對于螺栓類零件，出于檢測靈敏度的原因，目前國內外主流是采用磁粉檢測方法，超聲波方法極少使用。某些特殊情況（如無法拆卸）會使用超聲波檢測，但檢測靈敏度較低（航空行業如陜飛公司，檢測精度為5mm深的裂紋缺陷，而在國內其他行業如電力行業，檢測最大精度為1mm深的裂紋缺陷）。本次采用超聲波相控陣技術，通過對聚焦深度及掃查角度的精確控制，3D成像法，可檢出寬0.2mm，槽深0.3mm的裂紋缺陷，同時檢測結果直觀，易分辨，滿足航空產品控制要求。

2方法調研

某部隊有人機機翼機身對合螺栓，在300/600/800定點起落后需要進行探傷無損檢測。螺栓為鐵磁性材料，材料牌號為30CrMnSiA。常規檢測手段為拆卸后進行目視及磁粉檢測。但該螺栓絕大部位均安裝在其他構件內部，拆卸困難，常規檢測無法進行。由于該彈性軸端頭部分露出在外，考慮采用超聲波方法從端頭進行檢測。

國內外對螺栓的常規檢測均為拆卸后采用磁粉檢測，這是因為磁粉檢測靈敏度高，能發現微小的裂紋缺陷。采用超聲波檢測雖然不用拆卸，在效率上能大大提高，但很難達到磁粉檢測的靈敏度（零點幾毫米），且超聲波端頭入射法超聲波檢測機翼機身對合螺栓沒有明確的標準。目前螺栓檢測技術方法很少，國外有使用導波方法進行研究。在螺栓頭安置導波探頭，然后采集一系列超聲波信號，這些信號來自螺紋，幾何體反射、波形轉換以及缺陷。這種方法只能根據已有在螺紋中的缺陷的聲波物理特性來進行推斷有無缺陷，而且需要先了解螺栓的幾何形狀，所以這種方法的實用性還是未能實現。

今年3月份，海軍航空大學組織召開《XX飛機無損檢測操作工藝卡編制》評審會。評審發現成飛、陜飛等公司采用常規超聲波檢測方法，但精度為5mm深的裂紋缺陷，檢測精度過低，難以保證螺栓的質量，不能及時排除飛機的飛行風險，受到了現場評審專家的質疑。而在國內其他行業（如電力行業），檢測最大精度為1mm深的裂紋缺陷。但也難以滿足航空產品的檢測要求。為解決這一問題，公司與海軍航空大學深入合作，共同研究解決方法。

由于檢測沒有明確的標準，為保證飛機的飛行安全，從嚴把控檢測質量。設計人員，要求發現寬0.2mm，槽深0.3mm的裂紋類缺陷。

3 對比試樣的制作

取一根對合螺栓，其牌號、熱處理狀態等與某有人機對合螺栓一致。在刻傷之前先對該試樣進行超聲波、磁粉及射線檢測，以確定無影響判斷的缺陷。按設計所編《XX飛機無損檢測手冊》要求，需在螺栓螺帽（距檢測面5mm處）及退刀槽處（距檢測面18mm處）分別刻制周向人工缺陷。對比試樣的人工傷分布為：

缺陷1：在螺栓螺帽處（距檢測面5mm）刻一個寬0.2mm，槽深0.3mm，弧長10mm的缺陷;

缺陷2：退刀槽處（距檢測面18mm）處一個寬0.2mm，槽深0.3mm，弧長10mm的缺陷;

4 檢測方法的確定

陜飛公司采用常規超聲波檢測方法，但精度僅為5mm深的裂紋缺陷，對于本方法提出的0.3mm深的缺陷無法檢測。

相控陣技術采用多晶片探頭，具有聚焦功能，可以對焦柱的長度、焦點的尺寸進行優化控制，提高了檢測的分辨率、信噪比。在理論上可以檢測因此，本次試驗嘗試采用相控陣檢測技術。又因為本方法需要到部隊進行帶教，而部隊的檢測人員超聲波檢測經驗較少，對于螺栓的結構回波難以分辨，因此本次試驗采用CTS-PA22T實時3D全聚焦螺栓檢測技術。

5 CTS-PA22T實時3D全聚焦螺栓超聲波相控陣檢測技術簡介

CTS-PA22T實時3D全聚焦螺栓超聲波相控陣檢測技術是運用超聲波檢測原理。即通過調整激發晶片的序列、數量以及時發晶片的數量、時間來控制波束的形狀、軸線偏轉角度及焦點位置等。

對于螺栓檢測，相控陣超聲探頭安裝在螺栓的頂部。相控陣超聲可以形成縱波扇形掃查。可以采用如圖1的雙邊掃查形式，相控陣探頭可以沿著螺栓360度旋轉。所有的數據都可以被記錄，顯示，分析。

6 檢測參數的設定

6.1 超聲波相控陣探頭設計

目前國內外超聲波相控陣探頭設計一般采用線陣及面陣兩種形式。線陣相控陣探頭中晶片在直線方向上一維排布，只能實現晶片排列方向的波束偏轉。面陣相控陣探頭又有矩陣及環陣等類型，能有2個方向的波束偏轉，同時環陣設計能實現不同深度的聚焦功能。本次方法采用環陣設計。

由于螺栓端面中心有頂針孔，中心鏤空狀態對超聲波能量及波束偏轉均有較大的影響。常規的環陣探頭難以滿足檢測要求，本次設計了新的超聲波相控陣探頭。

6.2 探頭頻率及尺寸：本試驗采用的是外徑為Φ20mm的訂制探頭，型號為15M8×8-1×1-P2，頻率為15MHz。

6.3主要檢測參數：①檢測厚度：20mm;②聲速：5900m/s;③探頭頻率：15MHZ;④陣原間距：1×1;⑤法則配置：扇形掃查;⑥波型：縱波;⑦晶片數量：64;⑧聚焦深度：5mm（注：螺帽處聚焦）/18mm（注：退刀槽處聚焦）。

6.4 靈敏度調準

連接探傷儀，探頭耦合對比試塊，找到埋深為5mm及18mm的人工傷的最大回波，將波高調至80%，取2處傷的最大增益作為檢測靈敏度。

7 檢測結果、缺陷辨識技巧

7.1 檢測結果

采用3D超聲波相控陣檢測法對螺栓對比試塊進行檢測，缺陷波明顯直觀，靈敏度及分辨率很高，能達到檢測要求。

7.2缺陷辨識技巧

檢測5mm缺陷需要加楔塊，因此在判斷時應注意楔塊反射回波的影響，缺陷會在一次楔塊反射回波后;檢測18mm缺陷時，應注意輪廓回波的影響，但輪廓回波的波高不會超過40%（缺陷波高為80%時）;控陣縱波扇形掃查很適合檢測疲勞裂紋，3D成像顯示的圖像很清晰可靠。所以檢測人員很容易通過數圖形顯示的螺紋數直接能找到裂紋。也能通過圖像數據判讀出裂紋的位置和大小。

8 結論

8.1 采用超聲波相控陣技術能很好的對機翼機身對合螺栓進行原位檢測，特別是對于0.3mm的微小缺陷，具有較好的靈敏度及分辨率;

8.2 此方法可以推廣到其他需進行原位檢測的零件，如發電機彈性軸;

8.3 3D成像顯示的圖像很清晰可靠，對于檢測經驗較少的檢測人員很容易通過數圖形顯示的螺紋數直接能找到裂紋。

參考文獻

[1]鐘志明，梅德松.超聲相控陣技術發展及應用[J].無損檢測，2002，（2）：69-71