某飞机机翼机身对合螺栓超声波相控阵检测方案

曾强 李战 陈新波

摘 要：对于机翼机身对合螺栓这种螺栓类零件，目前主要是采用磁粉检测，但由于工件安装的特殊性，需对机翼机身对合螺栓采用端部入射法进行超声波检测。目前国内一些行业采用常规超声波检测但检测效果差。本次采用超声波相控阵技术，通过对聚焦深度及扫查角度的精确控制，3D成像方法，获得了很好的检测效果。

关键词：机翼机身对合螺栓;常规超声波检测;3D全聚焦超声波相控阵成像

1 前言

对于螺栓类零件，出于检测灵敏度的原因，目前国内外主流是采用磁粉检测方法，超声波方法极少使用。某些特殊情况（如无法拆卸）会使用超声波检测，但检测灵敏度较低（航空行业如陕飞公司，检测精度为5mm深的裂纹缺陷，而在国内其他行业如电力行业，检测最大精度为1mm深的裂纹缺陷）。本次采用超声波相控阵技术，通过对聚焦深度及扫查角度的精确控制，3D成像法，可检出宽0.2mm，槽深0.3mm的裂纹缺陷，同时检测结果直观，易分辨，满足航空产品控制要求。

2方法调研

某部队有人机机翼机身对合螺栓，在300/600/800定点起落后需要进行探伤无损检测。螺栓为铁磁性材料，材料牌号为30CrMnSiA。常规检测手段为拆卸后进行目视及磁粉检测。但该螺栓绝大部位均安装在其他构件内部，拆卸困难，常规检测无法进行。由于该弹性轴端头部分露出在外，考虑采用超声波方法从端头进行检测。

国内外对螺栓的常规检测均为拆卸后采用磁粉检测，这是因为磁粉检测灵敏度高，能发现微小的裂纹缺陷。采用超声波检测虽然不用拆卸，在效率上能大大提高，但很难达到磁粉检测的灵敏度（零点几毫米），且超声波端头入射法超声波检测机翼机身对合螺栓没有明确的标准。目前螺栓检测技术方法很少，国外有使用导波方法进行研究。在螺栓头安置导波探头，然后采集一系列超声波信号，这些信号来自螺纹，几何体反射、波形转换以及缺陷。这种方法只能根据已有在螺纹中的缺陷的声波物理特性来进行推断有无缺陷，而且需要先了解螺栓的几何形状，所以这种方法的实用性还是未能实现。

今年3月份，海军航空大学组织召开《XX飞机无损检测操作工艺卡编制》评审会。评审发现成飞、陕飞等公司采用常规超声波检测方法，但精度为5mm深的裂纹缺陷，检测精度过低，难以保证螺栓的质量，不能及时排除飞机的飞行风险，受到了现场评审专家的质疑。而在国内其他行业（如电力行业），检测最大精度为1mm深的裂纹缺陷。但也难以满足航空产品的检测要求。为解决这一问题，公司与海军航空大学深入合作，共同研究解决方法。

由于检测没有明确的标准，为保证飞机的飞行安全，从严把控检测质量。设计人员，要求发现宽0.2mm，槽深0.3mm的裂纹类缺陷。

3 对比试样的制作

取一根对合螺栓，其牌号、热处理状态等与某有人机对合螺栓一致。在刻伤之前先对该试样进行超声波、磁粉及射线检测，以确定无影响判断的缺陷。按设计所编《XX飞机无损检测手册》要求，需在螺栓螺帽（距检测面5mm处）及退刀槽处（距检测面18mm处）分别刻制周向人工缺陷。对比试样的人工伤分布为：

缺陷1：在螺栓螺帽处（距检测面5mm）刻一个宽0.2mm，槽深0.3mm，弧长10mm的缺陷;

缺陷2：退刀槽处（距检测面18mm）处一个宽0.2mm，槽深0.3mm，弧长10mm的缺陷;

4 检测方法的确定

陕飞公司采用常规超声波檢测方法，但精度仅为5mm深的裂纹缺陷，对于本方法提出的0.3mm深的缺陷无法检测。

相控阵技术采用多晶片探头，具有聚焦功能，可以对焦柱的长度、焦点的尺寸进行优化控制，提高了检测的分辨率、信噪比。在理论上可以检测因此，本次试验尝试采用相控阵检测技术。又因为本方法需要到部队进行带教，而部队的检测人员超声波检测经验较少，对于螺栓的结构回波难以分辨，因此本次试验采用CTS-PA22T实时3D全聚焦螺栓检测技术。

5 CTS-PA22T实时3D全聚焦螺栓超声波相控阵检测技术简介

CTS-PA22T实时3D全聚焦螺栓超声波相控阵检测技术是运用超声波检测原理。即通过调整激发晶片的序列、数量以及时发晶片的数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等。

对于螺栓检测，相控阵超声探头安装在螺栓的顶部。相控阵超声可以形成纵波扇形扫查。可以采用如图1的双边扫查形式，相控阵探头可以沿着螺栓360度旋转。所有的数据都可以被记录，显示，分析。

6 检测参数的设定

6.1 超声波相控阵探头设计

目前国内外超声波相控阵探头设计一般采用线阵及面阵两种形式。线阵相控阵探头中晶片在直线方向上一维排布，只能实现晶片排列方向的波束偏转。面阵相控阵探头又有矩阵及环阵等类型，能有2个方向的波束偏转，同时环阵设计能实现不同深度的聚焦功能。本次方法采用环阵设计。

由于螺栓端面中心有顶针孔，中心镂空状态对超声波能量及波束偏转均有较大的影响。常规的环阵探头难以满足检测要求，本次设计了新的超声波相控阵探头。

6.2 探头频率及尺寸：本试验采用的是外径为Φ20mm的订制探头，型号为15M8×8-1×1-P2，频率为15MHz。

6.3主要检测参数：①检测厚度：20mm;②声速：5900m/s;③探头频率：15MHZ;④阵原间距：1×1;⑤法则配置：扇形扫查;⑥波型：纵波;⑦晶片数量：64;⑧聚焦深度：5mm（注：螺帽处聚焦）/18mm（注：退刀槽处聚焦）。

6.4 灵敏度调准

连接探伤仪，探头耦合对比试块，找到埋深为5mm及18mm的人工伤的最大回波，将波高调至80%，取2处伤的最大增益作为检测灵敏度。

7 检测结果、缺陷辨识技巧

7.1 检测结果

采用3D超声波相控阵检测法对螺栓对比试块进行检测，缺陷波明显直观，灵敏度及分辨率很高，能达到检测要求。

7.2缺陷辨识技巧

检测5mm缺陷需要加楔块，因此在判断时应注意楔块反射回波的影响，缺陷会在一次楔块反射回波后;检测18mm缺陷时，应注意轮廓回波的影响，但轮廓回波的波高不会超过40%（缺陷波高为80%时）;控阵纵波扇形扫查很适合检测疲劳裂纹，3D成像显示的图像很清晰可靠。所以检测人员很容易通过数图形显示的螺纹数直接能找到裂纹。也能通过图像数据判读出裂纹的位置和大小。

8 结论

8.1 采用超声波相控阵技术能很好的对机翼机身对合螺栓进行原位检测，特别是对于0.3mm的微小缺陷，具有较好的灵敏度及分辨率;

8.2 此方法可以推广到其他需进行原位检测的零件，如发电机弹性轴;

8.3 3D成像显示的图像很清晰可靠，对于检测经验较少的检测人员很容易通过数图形显示的螺纹数直接能找到裂纹。

参考文献

[1]钟志明，梅德松.超声相控阵技术发展及应用[J].无损检测，2002，（2）：69-71