（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

某型飛機(jī)起落架撐桿是支撐飛機(jī)重量的重要構(gòu)件，在飛機(jī)滑跑、起降過程中承受較大的交變應(yīng)力及沖擊力，如圖1所示。其中焊縫位置因撐桿焊接過后連接件之間產(chǎn)生的相對(duì)位移較小，這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中較為敏感，從而會(huì)產(chǎn)生裂紋源，進(jìn)而發(fā)展成為疲勞裂紋，明顯降低結(jié)構(gòu)的承載能力，在疲勞裂紋周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中而引起斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果[1-3]。

1 檢測(cè)方法確定

由于焊縫內(nèi)、外部均需要損傷檢測(cè)，以往檢測(cè)人員采用了制造廠使用的射線檢測(cè)技術(shù)，但在在役飛機(jī)檢測(cè)中，主要的損傷是平面狀的疲勞裂紋，與制造廠檢測(cè)的氣孔、夾渣等體積性缺陷具有很大區(qū)別，而射線對(duì)裂紋不敏感，容易造成漏檢[4-6]。

另外，射線檢測(cè)還存在原位檢測(cè)不易實(shí)施、對(duì)人體有損害等缺點(diǎn)。因此，作者排除了射線檢測(cè)方法。

圖1 起落架撐桿焊縫位置（虛線框部分）Fig.1 Weld joint position on the landing gear strut(The dashed frame part)

超聲波具有良好的指向性，其波長(zhǎng)短、能量大；超聲波能用于檢測(cè)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。超聲檢測(cè)在檢測(cè)的可靠性方面比射線檢測(cè)要高，比較容易發(fā)現(xiàn)危害較大的面狀缺陷，不是射線探測(cè)所擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)的危害相對(duì)較小的體積型缺陷，而且超聲波檢測(cè)的靈敏度高、操作方便，對(duì)物體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)有綜合優(yōu)勢(shì)，設(shè)備對(duì)人和環(huán)境沒有損害[3,7]。采用常規(guī)超聲橫波檢測(cè)時(shí)，由于焊縫區(qū)域較大，入射波束難以做到對(duì)焊縫區(qū)域的全覆蓋，極易造成漏檢[8-9]，而且試件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，橫波在傳播時(shí)由于聲束擴(kuò)散造成焊縫處超聲波能量降低，從而降低了檢測(cè)靈敏度[10]。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的延伸，采用多個(gè)相互獨(dú)立陣元晶片制成的陣列換能器，通過設(shè)置各陣元晶片的激勵(lì)與接收超聲波的延遲時(shí)間，改變超聲波到達(dá)某點(diǎn)或某區(qū)域的相位關(guān)系，實(shí)現(xiàn)超聲合成波束聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化，即聲束的聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度，方便對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷進(jìn)行檢測(cè)[3]。因此，本文采用了超聲相控陣進(jìn)行焊縫檢測(cè)。

2 試塊制作

試塊是調(diào)整檢測(cè)靈敏度和判斷缺陷是否超標(biāo)的重要依據(jù)，由于撐桿內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，類似管材，焊縫為V型，可依據(jù)GB/T5777-2008使用電火花制作人工標(biāo)準(zhǔn)刻傷。選擇撐桿的一段制作成參考試件，焊縫處外徑為92mm，內(nèi)徑71mm，在試件的焊縫中間位置從表面往里加工1條長(zhǎng) 8mm、深6mm的人工槽來模擬焊縫根部的裂紋，如圖2所示。

圖2 對(duì)比試塊人工刻槽部位Fig.2 Artificial groove position on the reference block

3 建模與試驗(yàn)

3.1 焊縫檢測(cè)建模

因?yàn)樵嚰Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為確保檢測(cè)參數(shù)準(zhǔn)確可行，先在軟件中對(duì)該試件建模。使用CAD畫出撐桿焊縫模型并導(dǎo)入Tomo View軟件或CIVA仿真軟件，而后通過軟件中的聲束覆蓋模擬來確定檢測(cè)位置及掃查角度范圍[8]。經(jīng)過對(duì)比分析，確定探頭應(yīng)緊貼焊縫放置，使用探頭中的后8個(gè)晶片(即9～16號(hào)晶片)產(chǎn)生40°～80°的橫波來進(jìn)行掃查，如3圖所示。

從圖3中可以看出，橫波聲束可以完全覆蓋整個(gè)焊縫，若焊縫存在缺陷，就會(huì)有超聲波反射，經(jīng)建模分析，使用相控陣超聲橫波檢測(cè)是可行的。下面依照建模工藝參數(shù)對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。

3.2 焊縫檢測(cè)試驗(yàn)

采用的試驗(yàn)設(shè)備和附件如下：

相控陣設(shè)備：Multi2000，32×128；

相控陣探頭： 5MHz，16晶片探頭；

相控陣楔塊： 55°橫波楔塊。

圖3 相控陣超聲建模掃查圖Fig.3 Scanning figure of ultrasonic phased array modeling

圖4 扇掃、A掃與3D視圖中缺陷顯示Fig.4 Defect display of fan scanning, a scanning and 3D view

檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，4（a）是扇掃視圖，4（b）是扇掃圖中藍(lán)色角度指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的 A掃波形圖，4（c）是3D視圖，可對(duì)檢測(cè)配置實(shí)時(shí)顯示。從圖4（a）中可以看出，在缺陷位置，出現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)，信號(hào)1被68°聲束發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)在焊縫根部，與人工裂紋位置吻合，判斷是裂紋根部的反射信號(hào)；信號(hào)2與信號(hào)1處在同一水平位置，深度較深，被52°聲束發(fā)現(xiàn)。通過將二次波翻折后可以看出，信號(hào)2是聲束入射到裂紋頂部位置的反射信號(hào)，如圖5所示。

圖5 二次波翻折后扇掃、A掃與3D視圖中缺陷顯示Fig.5 Defect display of the san scanning, A scanning and 3D view after secondary waves folding

圖6 C掃圖中缺陷信號(hào)分析Fig.6 Defect signal analysis of C scanning figure

添加閘門后，采用內(nèi)部時(shí)鐘觸發(fā)來對(duì)焊縫進(jìn)行連續(xù)周向掃查的C掃結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）是C掃圖，（b）是C掃圖中豎直指針?biāo)幬恢玫纳葤邎D，（c）是扇掃圖中藍(lán)色角度指針?biāo)鶎?duì)應(yīng)的A掃圖。在C掃圖中，橫軸是時(shí)間軸，代表不同的軸向位置，縱軸是聲束覆蓋軸，代表試件中不同的軸向位置。從圖6中可以看出，整個(gè)掃查中只在中段發(fā)現(xiàn)了一處信號(hào)，該信號(hào)位置的扇掃圖與前面分析的缺陷處的結(jié)果完全一致，所以該信號(hào)是人工缺陷的反射信號(hào)。試驗(yàn)表明，相控陣超聲橫波可以檢測(cè)出焊縫人工缺陷，可靠性較好。

4 結(jié)束語

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，使用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)飛機(jī)起落架撐桿焊縫檢測(cè)是可行的，檢測(cè)過程中回波信號(hào)與實(shí)際焊縫結(jié)構(gòu)吻合良好，研究中使用的檢測(cè)參數(shù)對(duì)檢測(cè)該焊縫也是行之有效的。從檢測(cè)圖形來看，還存在一些雜亂顯示，而且缺陷信號(hào)沒有達(dá)到預(yù)想的幅值，可在以下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：一是由于焊縫兩邊的放置空間有限，使得探頭未能完整接觸工件，從軟件中的3D建模圖中可以看出，探頭的后半部分是懸空的，這使得檢測(cè)中探頭晶片未能全部激發(fā)，且穩(wěn)定性較差，若針對(duì)被檢件形狀和尺寸定制更小的專用探頭，檢測(cè)效果將會(huì)明顯改善； 二是試驗(yàn)中使用的是平楔塊，而被檢件表面是圓柱形，楔塊與被檢件表面接觸面積較小，所以耦合效果較差，改進(jìn)措施為定制與被檢件曲率一致的楔塊來提升耦合效果。

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