某型发动机螺桩超声波检测

撰文/谢小荣 孙法亮

■464000 空军第一航空学院 河南 信阳



某型发动机螺桩超声波检测

撰文/谢小荣 孙法亮

■464000 空军第一航空学院 河南 信阳

针对某型发动机螺桩不能拆卸检测，设计了一种超声波双晶探头，采用超声波进行原位检测。通过计算分析，确定了双晶探头的结构型式、工作频率、晶片入射角、尺寸等技术参数。通过研究与试验，尝试采用试块法确定检测灵敏度，从而完成了对发动机固定螺桩进行原位检测。研究表明，该工艺操作方便、可靠，具有较大实际意义。螺桩；双晶探头；超声波；检测

某型飞机发动机固定螺桩在使用过程中容易产生裂纹出现断裂，给飞机的飞行安全带来严重威胁，因此需要加强对该发动机固定螺桩无损检测。该型发动机固定螺桩的装配要求较高，不允许进行拆卸，属一次性使用零部件，因此只能采取原位检测方式。综合各方面因素研究确定，固定螺桩适合采用超声波原位检测，为保证检测准确可靠，需要设计合适的超声波探头。

检测方法

发动机固定螺桩是连接固定发动机缸体和缸盖的部件。发动机工作时产生剧烈振动，螺桩受剪切力作用，容易在啮合面下端第一或第二螺牙槽处产生裂纹。采用超声纵波检测原理如图1所示。探头发射超声波在螺桩底部反射，仪器显示始波T和底波B；有裂纹时，还会在裂纹处反射，产生裂纹波F。超声波在螺纹处也会发生反射，因此仪器还会显示一些草状杂波。为减少杂波影响，决定采用双晶探头进行检测，使大部分杂波不能接收，提高信噪比。

图1　螺桩超声纵波检测方法

检测探头

螺桩呈长圆柱型，必须考虑声束指向性和盲区问题，即尽量使声束收窄，减小侧面和螺纹回波影响。双晶探头双晶片一发一收，超声盲区落在延迟块内，晶片背面超声波被阻尼吸收，超声波发射区与接收区有隔声层分开，以免杂乱波干扰。

a探头频率

探头频率的确定要综合考虑检测灵敏度、分辨力、近场区、声束角以及超声波的衰减的影响。频率越高，检测灵敏度越高，分辨力也越高，但是衰减越大。螺桩长度不大，只有38mm，衰减影响不大。综合考虑选取探头频率为5MHz。

双晶探头近场区落在有机玻璃延迟块内，不对检测造成影响，只需要计算声束指向角。晶片尺寸按6mm×6mm计算，声束指向角为22.5°。

b晶片倾斜角（入射角）

从晶片发射的超声纵波波由有机玻璃进入螺桩中，纵波发生折射。为保证折射的纵波能够覆盖螺桩容易产生裂纹区域。折射角β经计算必须满足

有机玻璃中声速2700m/s，钢中声速5850m/s，纵波由有机玻璃折射到钢螺桩中，根据斯奈尔定律，可求出晶片最小倾斜角（入射角）为7.1°。

c探头尺寸

晶片尺寸越大，声束能量越大，对检测有利。限于螺桩直径，双晶探头晶片尺寸为6mm×6mm。原位检测时，检测空间有限，否则探头不能进入探测位置。晶片至探头端面距离必须大于检测盲区。按以上确定的频率、晶片尺寸、倾斜角等参数试制探头，经测试盲区为左右，即晶片到探头端面距离必须大于7.7mm。

检测应用

使用DPT-1002超声波检测仪。

a试块制作

收集或加工螺桩2个，制作成参考试块：完好螺桩1个，有人工刻槽模拟裂纹的螺桩1个。根据对自然断裂螺桩端口电镜放大分析，保证裂纹能被检出，人工刻槽深度确定为0.5mm。

b灵敏度确定

灵敏度确定可采用试块法。

将双晶探头分别放在2个螺桩参考试件头部，耦合良好。当把探头置于完好螺桩试件头部时，仪器屏幕上只有界面波S和底波B（始波T已被置于屏幕以外）；当把探头置于有人工裂纹螺桩试件头部时，屏幕上监视闸门内出现缺陷波F，且缺陷波幅度超过闸门高度。

c原位检测

将探头置于飞机发动机待检螺桩头部，保持适当压力，耦合良好，轻微转动探头。判断耦合良好的方法是：仪器屏幕上底波具有超过确定灵敏度时底波幅度，除非闸门报警区出现缺陷波。观察仪器屏幕，对波形进行判别， 如图2。

图2　现场检测波形

如果闸门报警区出现新的波形，则可判断该螺桩存在裂纹。发现裂纹时，可从仪器上直接读出裂纹深度位置。

当裂纹较大时，螺桩的反射底波幅度可能显著减小或消失。

注意排除杂波干扰。螺纹草波由螺纹产生，幅度较低，一般小于10%；二次界面回波由探头端面反复反射引起，位于报警区邻近左侧。

结论

实践证明，采用设计的双晶探头检测发动机固定螺桩，操作方便，波形易于识别，对裂纹反应敏感，检测效果好于普通单晶探头，有效地保证了飞机飞行安全

参考：

［1］魏东斌，刘鸣娟.镍基合金螺栓的超声波检测［J］.热处理技术与装备，2006，27（4）：56-58

作者简介：

谢小荣（1973-），男，副教授，长期从事飞机无损检测教学与科研工作。