渦流檢測技術(shù)在航空工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

徐鏡洲 張涵茹

（中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089）

隨著我國航空科技水平的不斷提高，對于飛機(jī)的心臟——發(fā)動機(jī)提出了越來越高的性能要求。航空發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓氣機(jī)和渦輪等核心部件中包含了許多形狀弧面各不相同的葉片，其不僅承受著巨大的氣動載荷和機(jī)械載荷，同時還會受到高溫燃?xì)獾难趸透g[1-2]，因此極易發(fā)生失效現(xiàn)象。事實上，如何科學(xué)地檢測葉片的缺陷一直是一項技術(shù)難題。

渦流檢測對表面疲勞裂紋和亞表面腐蝕缺陷非常敏感[3]，探頭可根據(jù)實際檢測環(huán)境設(shè)計成不同樣式，且無須耦合，較易實現(xiàn)檢驗自動化。

隨著科技水平的不斷提高，渦流檢測技術(shù)得到了持續(xù)改進(jìn)，新型檢測方法不斷涌現(xiàn)，如脈沖渦流檢測（PET）[1]、遠(yuǎn)場渦流檢測、陣列渦流檢測[5]、多頻渦流檢測等[4-5]。

本文基于常規(guī)渦流檢測原理，并結(jié)合新型渦流檢測技術(shù)，設(shè)計并分析航空發(fā)動機(jī)葉片的檢測方法。

1 試驗原理

1.1 常規(guī)渦流檢測

渦流檢測的本質(zhì)是檢測線圈與被檢工件之間的互感耦合，其原理圖如圖1所示。激勵線圈流過某一頻率的交變信號，其周圍會產(chǎn)生感生磁場并進(jìn)入工件。工件相當(dāng)于帶有一定內(nèi)阻的次級線圈，其與激勵線圈相互耦合，產(chǎn)生感生渦流，受耦合效果及工件內(nèi)部參數(shù)變化的影響激發(fā)出新的感生磁場傳遞給檢測線圈，以電壓的形式送回檢測儀。探頭在無缺陷處掃查接收到的是一個穩(wěn)定的信號，當(dāng)移動到缺陷處時，缺陷處的感生渦流發(fā)生畸變，其激發(fā)的感生磁場也相應(yīng)改變，相當(dāng)于接收到了一個突變信號。

圖1 渦流檢測原理圖

磁場強(qiáng)度（即渦流密度）總是集中于導(dǎo)體表面，隨著深度的增加渦流也很快地衰減，而這種衰減是按照一定的指數(shù)關(guān)系衰減，這一現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。根據(jù)半無限平面導(dǎo)體中的電磁場的麥克斯韋方程組出發(fā)可以得到一個滲透深度的公式：

式（1）中：δ——滲透深度，單位為m；

μ——導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，單位為H/m；

σ——導(dǎo)體的電導(dǎo)率，單位為S/m；

f——激勵的頻率，單位為Hz。

應(yīng)用點式探頭檢測時，線圈與工件之間的距離變化會引起檢測線圈阻抗的變化，這種現(xiàn)象被稱為提離效應(yīng)；當(dāng)探頭移至工件邊緣時，渦流流動的路徑會發(fā)生畸變，導(dǎo)致工件邊緣處的渦流密度急劇增加，這種現(xiàn)象叫作邊緣效應(yīng)。這兩種效應(yīng)是檢測中常見的干擾來源。

1.2 多頻渦流檢測

常規(guī)渦流檢測的核心是由福斯特提出的阻抗分析法[3]，即分析檢測線圈的等效阻抗，通過阻抗平面圖中工作點的變化反映缺陷的存在。多頻渦流檢測技術(shù)是由美國科學(xué)家利比（Libby）于1970年首先提出的，其目的是有效抑制多個干擾因素，盡可能多地提取所需要的信號[3]。信號發(fā)生器首先產(chǎn)生兩個不同頻率的激勵，分別傳送到信號輸出電路和相敏檢波器。線圈接收到激勵信號，將檢測試件得到的反饋信號送回信號輸出電路，經(jīng)選頻放大器對兩個頻率的信號分別放大，再分別送至各自的相敏檢波器。相敏檢波器采用實時檢波，將接收到的單頻調(diào)制放大信號與信號發(fā)生器提供的激勵信號相互比對，由此得出對應(yīng)的兩個正交矢量系數(shù)C1，C2與C3，C4。最后將這幾個系數(shù)送給轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)加權(quán)、加減等計算后實現(xiàn)參數(shù)分離，得到各參數(shù)獨立影響下的信號q1、q2、q3、q4。如圖2 所示。

圖2 雙頻渦流檢測原理圖

2 發(fā)動機(jī)葉片多頻渦流檢測平臺的搭建

2.1 試塊的制備

本文主要研究對象為帶有自然缺陷的鋁合金壓氣機(jī)一級轉(zhuǎn)子葉片。圖3為葉片表面缺陷草圖，具體參數(shù)如表1所示。

表1 缺陷參數(shù)及類型

圖3 葉片表面缺陷草圖

2.2 檢測探頭的選擇

渦流檢測中常見的探頭包括穿過式探頭和放置式探頭。穿過式探頭適合于管、棒、線材的檢測；對于航空發(fā)動機(jī)葉片這類非規(guī)則形狀零件，顯然應(yīng)該選用放置式探頭進(jìn)行檢測[2-6]。

3 航空發(fā)動機(jī)葉片多頻渦流檢測試驗

本次試驗選用EEC-35+多頻渦流檢測儀對試塊上的缺陷進(jìn)行測試。

被測試塊表面存在弧度，且厚度不均，因此，探頭沿不同路徑掃查同一缺陷時靈敏度往往會有所不同，為了更好地對其進(jìn)行區(qū)分，采用了不同的檢測路徑（見圖4），每條路徑分別對應(yīng)了不同的干擾因素，具體路徑及其對應(yīng)的干擾因素如表2所示。

表2 探頭掃查路徑及其對應(yīng)的干擾因素

圖4 探頭掃查路徑

試驗所檢測的葉片為非鐵磁性材料，因此可以選擇較高的頻率以提高缺陷的檢測靈敏度。采用放置式探頭時具體的特征頻率計算公式[7-8]如下：

式（2）中σ為葉片電導(dǎo)率，rb為線圈半徑。鋁合金的電導(dǎo)率范圍在25～65 mS/m以內(nèi)。試驗所用的兩種探頭檢測線圈半徑均為5 mm。因此可計算得出特征頻率為（33～86）kHz。

表面裂紋的最佳頻率比為10～50 MHz[4]，因此檢測頻率大致可以取0.33～4 MHz。

探頭沿各條路徑掃過試塊，調(diào)節(jié)合適的頻率，使缺陷信號與干擾信號有足夠的相位差，再調(diào)節(jié)相位將干擾信號旋轉(zhuǎn)至水平位置，最后調(diào)節(jié)增益使缺陷信號達(dá)到一定的幅度。

（1）1、2號路徑掃查結(jié)果（見圖5）。

圖5 1號路徑（左）和2號路徑（右）單頻掃查信號

檢測參數(shù)如表3所示。

表3 沿1、2號路徑單頻掃查參數(shù)

由圖5左圖可以看出，葉片的弧面和提離效應(yīng)所引起的阻抗變化基本重合，缺陷信號可以明顯得到區(qū)分，因此無須混頻。同時可以看到信號增益達(dá)到了37 dB，在單頻檢測中該增益值偏高，這表明該路徑下差動式探頭對c缺陷的檢測靈敏度較低。

由圖5右圖可以看出，2號路徑存在一定的厚度變化，但這一變化并沒有在阻抗圖上很好地體現(xiàn)出來。圖中的水平信號是探頭左右擺動造成的提離效應(yīng)，其與缺陷信號在相位上有明顯的區(qū)分，同樣無須再混頻。將圖5左右圖進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)在缺陷幅度較小的情況下2號路徑所需的增益反而更大，這也表面探頭沿裂紋方向的掃查靈敏度略低于垂直方向的靈敏度。

（2）3號路徑掃查結(jié)果（見圖6）。

圖6 3號路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號（右）

檢測參數(shù)如表4所示。

探頭沿3號路徑掃查到葉尖處容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，由圖6左圖可知，邊緣效應(yīng)已經(jīng)嚴(yán)重影響了缺陷的判斷，而且開口極大，即使調(diào)整相位將其旋轉(zhuǎn)到水平位置依然有可能觸碰警報線，因此需首先采用混頻對其進(jìn)行抑制。將S2頻率設(shè)置為208 kHz，波門框住時基圖中的邊緣效應(yīng)部分，點擊混頻按鈕，儀器中的轉(zhuǎn)換電路將對S1、S2通道下的檢測信號進(jìn)行矢量相加減，使邊緣效應(yīng)部分正好達(dá)到幅度相等，相位相反。混頻后的信號如圖6右圖所示。

混頻后圖中只剩下缺陷信號和提離信號，邊緣效應(yīng)基本被濾除。對比S1和MIX的檢測信號，可以發(fā)現(xiàn)缺陷達(dá)到同樣幅值時混頻信號所需的增益更大，這是因為實際檢測中邊緣效應(yīng)和缺陷信號并非完全獨立互不影響，缺陷信號中往往也會包含一些邊緣信號分量，邊緣信號的變化同樣也會對缺陷信號產(chǎn)生微小的影響。試驗儀轉(zhuǎn)換電路的混頻計算一般采用線性算法，觀察圖6左圖中的邊緣信號，可以發(fā)現(xiàn)圖像呈寬8字形，里面包含了相當(dāng)多的線性分量，其中一部分與缺陷信號的線性分量重合。因此混頻后也會有少量的缺陷信號被抵消，使缺陷信號幅度有所減小。

（3）4號路徑掃查結(jié)果（見圖7）。

圖7 4號路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號（右）

檢測參數(shù)如表5所示。

表5 4號路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

4號路徑采用從上到下的掃查方式，探頭移動過程中弧面變化明顯，始終靠近葉尖，也容易產(chǎn)生邊緣效應(yīng)。圖7左圖中水平方向為弧面干擾信號，其與兩個缺陷信號可以較為清晰地分離開來，但邊緣效應(yīng)超過了報警域，容易被誤認(rèn)為缺陷信號，需要通過混頻來抑制。圖7右圖為抑制后的阻抗平面圖。

混頻后兩個缺陷信號基本上被分離了出來，同3號路徑一樣，混頻后缺陷信號的幅度有所下降，但可以發(fā)現(xiàn)這一次圖中的邊緣效應(yīng)雖然有所減弱，但并沒有被完全濾除，這主要是因為4號路徑始終貼近葉尖，探頭在移動過程中無時無刻不受到邊緣效應(yīng)的影響，且由于弧面的存在以及厚度的微小變化，探頭在不同位置受到的邊緣干擾會有所不同，因此一次混頻很難將所有邊緣干擾全部消除。3號路徑只有探頭最后滑至葉尖的瞬間會產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，因此更容易被消除。

（4）5號路徑掃查結(jié)果（見圖8）。

圖8 5號路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號（右）

檢測參數(shù)如表6所示。

表6 5號路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

由圖8左圖可知，探頭沿5號路徑從右向左滑動時除了會受到提離效應(yīng)的干擾，在探頭到達(dá)最左端的一瞬間也很有可能存在榫頭效應(yīng)的影響。圖8右圖很好地證明這一點，圖中的c缺陷信號、榫頭信號和提離信號均存在一定的相位差。為了更好地分辨出缺陷信號，采用混頻對榫頭信號進(jìn)行抑制，由圖8可以看出，混頻后榫頭效應(yīng)基本被抑制，缺陷信號可以明顯地分辨出來。

（5）6號路徑掃查結(jié)果（見圖9）。

檢測參數(shù)如表7所示。

表7 6號路徑單頻及混頻掃查參數(shù)

由圖9左圖可知，缺陷e位于葉背貼近榫頭處，沿6號路徑葉片的曲率變化較大，理論上會出現(xiàn)榫頭信號、提離效應(yīng)等干擾，實際上在圖中并未發(fā)現(xiàn)明顯的榫頭信號，這可能是因為榫頭在縱向上屬于緩變信號。對于差動式探頭，當(dāng)其沿著縱向移動時，兩檢測線圈始終會接收兩個相近的榫頭信號，因此抵消后的差動信號很小，很難在圖像上反映出來。與4、5號路徑一樣，需要通過混頻消除探頭移至進(jìn)氣邊時產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)?；祛l后缺陷信號如圖9右圖所示。

圖9 6號路徑單頻掃查（左）及混頻后的信號（右）

可以看到邊緣干擾基本被濾除。需要注意的是在探頭剛開始移動的地方出現(xiàn)了一個疑似榫頭信號，可能是因為此處榫頭形變較大引起了阻抗突變，這一干擾總體上不影響缺陷的判斷。

4 未來展望

在飛機(jī)制造過程中，為了提高檢測效率，往往直接進(jìn)行原位檢測，而傳統(tǒng)的筆式探頭檢測時必須要有足夠大的操作空間，否則難以實現(xiàn)與檢測部位的完全耦合。目前使用得最普遍的原位檢測方法是內(nèi)窺鏡檢測法，可以仿照內(nèi)窺式檢測探頭的設(shè)計，將檢測線圈裝在探頭前端，然后通過操作控制手柄使探頭前端深入發(fā)動機(jī)內(nèi)部檢測。在設(shè)計時可以保留原有的內(nèi)窺鏡，其不僅能夠確定探頭和檢測線圈目前的位置，也可以與線圈同時對缺陷進(jìn)行檢測。為提高檢測效率，甚至實現(xiàn)批量檢測，可以增加檢測儀的檢測通道，在上面連接多個檢測探頭，對多個葉片并行檢測。還可將操作控制手柄改為機(jī)械傳動裝置，通過編程規(guī)定好探頭的行進(jìn)路線，實現(xiàn)完全自動化檢測。

整個試驗中僅僅對缺陷進(jìn)行了定位分析，對于裂紋深度、寬度對缺陷信號的影響也僅僅局限于定性的認(rèn)識，難以對其實現(xiàn)定量。要實現(xiàn)缺陷的定量，必須要制作刻有不同深度缺陷的對比試樣，并繪制標(biāo)定曲線。這也是今后試驗中可以具體研究的內(nèi)容。