高祥熙，徐 娜，許路路，馮 克

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán) 材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

飛機(jī)液壓導(dǎo)管在服役過程中受到制造工藝或裝配等多種因素影響，其端頭的應(yīng)力集中處容易萌生疲勞裂紋，隨著服役時(shí)間的增加，疲勞裂紋擴(kuò)展后將導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力降低，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)使液壓導(dǎo)管斷裂失效，產(chǎn)生災(zāi)難性后果[1]。目前，針對(duì)上述情況采取的預(yù)防措施為定期更換導(dǎo)管，但是這種方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，并且有可能誤將正常工作的導(dǎo)管也更換下來[2-3]。為了確保飛行安全，亟需尋求一種可靠的在役檢測(cè)方法對(duì)導(dǎo)管實(shí)施在線監(jiān)控，盡早發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管中的裂紋，減少其在服役過程中的成本。

在役液壓導(dǎo)管端頭被裝配的螺栓環(huán)繞遮擋，導(dǎo)致常規(guī)檢測(cè)方法無法開展原位檢測(cè)。超聲波經(jīng)過波型轉(zhuǎn)換后獲得的表面波可以沿光滑固體表面?zhèn)鞑?，聲能量集中在表面?2個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，有利于實(shí)現(xiàn)制件表面及近表面的缺陷檢測(cè)。目前該技術(shù)已在絲材、小徑管焊縫、異種金屬焊縫以及鎳基合金螺栓等的檢測(cè)中得到應(yīng)用[4]，例如，任富華[5]采用超聲表面波檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)了不銹鋼壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉根與榫頭轉(zhuǎn)R處的疲勞裂紋檢測(cè)，該方法滿足了在役發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)壓氣機(jī)葉片的使用安全檢測(cè)需求；陳新波等[6]采用超聲表面波對(duì)某型飛機(jī)空速管的表面裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，使用頻率為2.5 MHz，晶片尺寸為5 mm×5 mm(長(zhǎng)×寬)，入射角為69°的表面波探頭檢測(cè)出了長(zhǎng)為5 mm，深為1 mm的人工裂紋，并對(duì)在役的32架次的空速管進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)6處裂紋；張傳明等[7]采用便攜式超聲波探傷儀及特殊研制的表面波探頭，輔以專用工裝，實(shí)現(xiàn)了某型飛機(jī)低壓壓氣機(jī)葉片的超聲表面波原位檢測(cè)。與上述制件不同的是，液壓導(dǎo)管的檢測(cè)要求更高。關(guān)于該類型導(dǎo)管的表面波定量檢測(cè)能力的研究鮮有報(bào)道；另外，導(dǎo)管管徑小(6～8 mm)、管壁薄(1 mm)導(dǎo)致缺陷信號(hào)難以識(shí)別；同時(shí)，狹窄空間也會(huì)給在役檢測(cè)操作帶來困難。

針對(duì)液壓導(dǎo)管的疲勞裂紋提出了一種便于實(shí)施的表面波檢測(cè)方法，解決了導(dǎo)管的在役檢測(cè)難題，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的缺陷定量檢測(cè)能力。

1 檢測(cè)原理

對(duì)于傾斜入射至界面上的縱波，當(dāng)其入射角大于第二臨界角時(shí)，第二介質(zhì)中不存在橫波，只在表面產(chǎn)生表面波，表面波產(chǎn)生原理如圖1所示。若忽略材料中的聲能損失，表面波將沿光滑固體表面無衰減地傳播，在傳播過程中遇到缺陷時(shí)，部分聲波能量返回，此時(shí)，儀器屏幕上產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，通過信號(hào)的強(qiáng)烈程度可判定缺陷的大小。

圖1 表面波產(chǎn)生原理示意

2 對(duì)比試樣

液壓導(dǎo)管端頭為喇叭口形狀，裝配后外圍由螺栓環(huán)繞。受結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)管端頭的平管嘴根部和喇叭口根部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生疲勞裂紋。試驗(yàn)截取導(dǎo)管端頭制作對(duì)比試樣，導(dǎo)管直徑為8 mm,壁厚為1 mm，材料為1Cr18Ni10Ti，采用電火花分別在上述兩個(gè)部位沿導(dǎo)管管壁周向加工兩個(gè)U型槽(見圖2)以模擬管壁的裂紋缺陷二者在管壁上呈180°分布，經(jīng)覆型檢驗(yàn)后，人工缺陷的形貌和尺寸分別如圖3和表1所示，缺陷長(zhǎng)度和寬度分別為3 mm和0.1 mm，由于喇叭口根部的變截面結(jié)構(gòu)可能干擾檢測(cè)結(jié)果，所以制作的喇叭口根部缺陷深度(0.139 mm)略大于平管嘴根部缺陷的(0.096 mm)。

圖2 導(dǎo)管端頭對(duì)比試樣及人工缺陷位置示意

圖3 覆型后人工缺陷的形貌(截面圖)

表1 覆型后人工缺陷的尺寸測(cè)量結(jié)果 mm

3 檢測(cè)方案

為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管管壁周向裂紋的檢測(cè)，需綜合考慮裂紋形貌、導(dǎo)管結(jié)構(gòu)及螺栓遮擋等因素，試驗(yàn)采用4個(gè)通道的表面波探頭包覆導(dǎo)管，每個(gè)探頭覆蓋導(dǎo)管的1/4，探頭楔塊表面為仿形結(jié)構(gòu)，完全契合導(dǎo)管曲面，設(shè)計(jì)目的為在不拆解導(dǎo)管和連接螺栓的情況下，兩兩探頭組合在一起通過夾持的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管在圓周方向上的一次性檢測(cè)，探頭結(jié)構(gòu)及夾具工裝如圖4所示。另外，在導(dǎo)管檢測(cè)過程中，必須使兩組探頭緊密貼合在導(dǎo)管表面以達(dá)到良好的耦合效果，確保檢測(cè)結(jié)果的一致性。在役檢測(cè)時(shí)空間狹窄，不允許人為夾持探頭，因此夾具工裝的研制對(duì)檢測(cè)結(jié)果的一致性至關(guān)重要。采用3D打印技術(shù)仿形制作小型化夾具工裝，其與探頭匹配后，通過工裝的推桿可實(shí)現(xiàn)探頭的加緊固定，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

圖4 探頭結(jié)構(gòu)及夾具工裝示意

表面波探頭的入射角、頻率和晶片類型等參數(shù)對(duì)檢測(cè)信噪比及可檢深度至關(guān)重要。表面波探頭的入射角α應(yīng)大于第二臨界角，即滿足式(1)。

(1)

式中:CL為有機(jī)玻璃的縱波聲速,CL=2.73×103m·s-1；CR為不銹鋼的表面波聲速，CR=2.98×103m·s-1。

經(jīng)計(jì)算可知，所選探頭的入射角α≥66.4°，試驗(yàn)選擇入射角為67°。探頭晶片在寬度方向上應(yīng)有一定的弧度，以達(dá)到聚焦聲波能量及提高檢測(cè)信噪比的目的。

表面波的檢測(cè)深度一般在兩個(gè)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)，而工程上表面波探頭的頻率一般為2 MHz5 MHz，當(dāng)頻率為5 MHz時(shí)，通過計(jì)算得到波長(zhǎng)約為0.6 mm，可檢測(cè)深度為1.2 mm，滿足φ 8 mm導(dǎo)管管壁厚度的檢測(cè)要求。在役檢測(cè)時(shí),導(dǎo)管中充滿的液壓油可能會(huì)使超聲信號(hào)產(chǎn)生衰減，試驗(yàn)選擇頻率為5 MHz和7.5 MHz的探頭分別在對(duì)比試樣上開展試驗(yàn)。在無液壓油和充滿液壓油2種狀態(tài)下，5 MHz表面波探頭的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，導(dǎo)管內(nèi)充滿液壓油時(shí)的波形圖與無液壓油時(shí)的差異較大，原因?yàn)楫?dāng)表面波在充滿液壓油的導(dǎo)管內(nèi)傳播時(shí)，部分聲能量通過固-液界面?zhèn)魅胍后w中，導(dǎo)致喇叭口根部缺陷和端頭回波信號(hào)衰減；當(dāng)頻率為7.5 MHz時(shí)沒有發(fā)生上述現(xiàn)象。因此，對(duì)于充滿液體的薄壁導(dǎo)管應(yīng)選擇相對(duì)較高的檢測(cè)頻率，試驗(yàn)的頻率確定為7.5 MHz。

圖5 5 MHz表面波探頭的檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)采用4通道探傷儀，該探傷儀有增益、保存、凍結(jié)、旋轉(zhuǎn)、返回等按鈕；軟件為相應(yīng)的4通道A掃描顯示軟件，主要功能有增益調(diào)節(jié)、延遲和范圍調(diào)整、頻帶選擇等。該探傷儀具有良好的信噪比，可操作性強(qiáng)，與4通道表面波探頭匹配后可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管的檢測(cè)，4通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 4通道超聲檢測(cè)系統(tǒng)

4 檢測(cè)應(yīng)用

4.1 檢測(cè)能力

采用上述檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)比試樣上開展檢測(cè)能力驗(yàn)證，將探頭表層涂覆甘油，貼緊對(duì)比試樣的平管嘴根部并通過推桿鎖住工裝夾緊導(dǎo)管。調(diào)整閘門位置，紅色閘門A監(jiān)控平管嘴根部缺陷，綠色閘門B監(jiān)控喇叭口根部缺陷，當(dāng)缺陷回波信號(hào)幅度超過閘門高度時(shí)，儀器發(fā)出報(bào)警聲。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)探頭對(duì)應(yīng)的試樣處無缺陷時(shí)，儀器屏幕上相應(yīng)的通道除了顯示不同幅度的端頭回波外，在閘門A和閘門B位置無任何明顯信號(hào)(見圖7通道2和通道4，圖中自上而下分別為通道1，2，3，4，閘門A為紅線，B為綠線)；當(dāng)對(duì)應(yīng)的試樣處有缺陷時(shí)，調(diào)整檢測(cè)靈敏度，在閘門A和閘門B位置出現(xiàn)明顯的信號(hào)(見圖7通道1和通道3)，這與平管嘴根部缺陷和喇叭口根部缺陷相對(duì)應(yīng)，且信號(hào)具有良好的信噪比，表明該超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的性能，可實(shí)現(xiàn)比導(dǎo)管中人工缺陷尺寸更小缺陷的檢測(cè)。

圖7 對(duì)比試樣的檢測(cè)結(jié)果

裝配后導(dǎo)管端頭通過外部螺栓與其他接頭相連接，螺栓通過工具人為緊固，需要進(jìn)一步驗(yàn)證螺栓擰緊后是否會(huì)對(duì)喇叭口根部缺陷的檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

設(shè)計(jì)試驗(yàn)如下，在對(duì)比試樣充滿液壓油的狀態(tài)下，通過手動(dòng)逐步旋緊螺栓連接兩個(gè)導(dǎo)管，觀察端頭和缺陷回波信號(hào)的變化。采用一個(gè)通道探頭，將探頭置于喇叭口缺陷位置處，所使用的儀器型號(hào)為Masterscan 380。擰緊前調(diào)整增益使喇叭口根部缺陷信號(hào)幅度至滿屏幕的80%；擰緊后，端頭回波信號(hào)幅度明顯降低，增益差為4 dB8 dB，但是喇叭口根部缺陷的信號(hào)幅度并未發(fā)生變化，螺栓擰緊前后的缺陷信號(hào)如圖8所示。由圖8可見，螺栓的擰緊程度只會(huì)降低端頭回波信號(hào)幅度，并不會(huì)對(duì)缺陷信號(hào)產(chǎn)生影響，這也是能夠在不同接頭狀態(tài)下實(shí)施檢測(cè)的基礎(chǔ)。

圖8 螺栓擰緊前后的缺陷信號(hào)

4.2 在役檢測(cè)

某型飛機(jī)的在役檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及結(jié)果如圖9所示。探頭滿足在役檢測(cè)的空間和穩(wěn)定性要求。在役檢測(cè)時(shí)，利用對(duì)比試樣把喇叭口缺陷的信號(hào)回波幅度調(diào)至滿屏幕的80%，在此基礎(chǔ)上加上一定增益作為檢測(cè)靈敏度，目的是確保小缺陷的檢出。由于實(shí)時(shí)目視觀測(cè)可能會(huì)造成缺陷漏檢，所以通過包絡(luò)模式記錄信號(hào)的最大幅度輪廓，進(jìn)一步確保了檢測(cè)的可靠性；導(dǎo)管的檢測(cè)圖像噪聲較低，檢測(cè)效果良好，未發(fā)現(xiàn)異常顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)飛機(jī)液壓導(dǎo)管的疲勞裂紋形貌及導(dǎo)管端頭結(jié)構(gòu)，結(jié)合在役檢測(cè)的特點(diǎn)，提出了相應(yīng)的檢測(cè)方案，解決了導(dǎo)管內(nèi)液壓油、裝配及遮擋等多種因素的影響問題，采用四通道檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)比試樣上長(zhǎng)為3 mm，深為0.1 mm的平管嘴根部人工缺陷以及長(zhǎng)為3 mm，深為0.14 mm的喇叭口根部人工缺陷的定量檢測(cè)。對(duì)某型飛機(jī)進(jìn)行在役檢測(cè)的結(jié)果表明，該方法滿足了在役檢測(cè)的要求，為飛行安全提供了保障。

圖9 某型飛機(jī)的在役檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及結(jié)果