机翼接头螺栓孔疲劳裂纹超声检测方法研究

　　飞机在役无损检测的任务是检出使用过程中产生的缺陷,尤其是疲劳裂纹,以保证后续飞行的安全性。其中机翼接头螺栓孔是易于产生疲劳裂纹的部位,由于其结构的特殊性,相应的检测方法一直未能得到有效解决。因此,迫切需要设计出合适的探头并探索新的检测方法。本文针对机翼接头螺栓孔疲劳裂纹的检测设计了专用双斜探头,从而可以进行有效地检测。

　　1　专用探头设计原理及制作过程

　　1.1　检测原理

　　由于飞机机翼接头是由铝材料制成的,为提高机翼接头螺栓孔的强度和耐磨性,在其螺栓孔内装有钢套,而铝的导热系数和线膨胀系数分别为钢的4倍和8倍,随着机翼使用时间的增加,机翼接头螺栓孔部位因应力集中极易产生疲劳裂纹等缺陷。考虑到疲劳裂纹产生于工件表面,且往往是沿孔的径向扩展,就必须在探头移动过程中,尽量使其在工件中的折射声束与孔周相切,从而有效检测出螺栓孔内表面的疲劳裂纹。为此设计了单晶双斜探头,该探头的前左侧端面加工成圆弧状,此圆弧的半径与螺栓孔钢套外径相同,以确保探头沿螺栓孔钢套移动,声束则与钢套外圆相切。单晶双斜探头有两个关键角度,一个为前倾角,另一个为内倾角,而使声束射向螺栓孔表面且与该表面相切。当探头前侧圆弧段和螺栓孔钢套相吻合时所计算得到的内倾角值即为最佳值,因为此时声束传播方向恰好与螺栓孔圆弧相切,与裂纹方向相垂直,此时检测灵敏度最高。沿着螺栓孔移动探头,即可对螺栓孔周围缺陷进行有效检测。基于单晶双斜探头设计原理,双斜聚焦探头仅将平面晶片换成聚焦晶片以实现声束聚焦,可提高检测能力。工件和探头摆放如图1所示,单晶双斜探头和单晶双斜聚焦探头的检测原理如图2和图3所示。

　　1.2　探头参数选择及考虑因素

　　所设计的双斜探头斜楔内倾角必须实现声束传播方向和螺栓孔圆弧相切。由于下表面缺陷是利用一次波探伤,而上表面缺陷利用二次波探伤,仅用一个探头无法使声束既与螺栓孔上表面轮廓相切又与螺栓孔下表面轮廓相切,考虑以上因素,设计两个探头分别检测螺栓孔上下表面缺陷(为方便陈述,下文将用于检测下表面缺陷的双斜探头和检测上表面缺陷的双斜探头分别编号为1#探头和2#探头)。探头参数选择的考虑因素包括晶片尺寸、晶片曲率半径、K值、斜楔形状、斜楔角度等。

　　1.3　斜楔的设计原理

　　本文中透声斜楔的作用不仅可以实现波型转换,使被探工件中只存在折射横波,而且透声斜楔上内倾角可以实现声束向螺栓孔方向传播。要求透声斜楔的纵波速度必须小于工件中的横波速度,透声斜楔的衰减系数适当,且耐磨、易加工。透声斜楔前端有声陷阱,可以减少反射杂波。在选择斜楔时应考虑到超声波的透声因素,尽可能使斜楔材料的声阻抗与被检介质相近。此外,斜楔材料应具有声速各向同性的特点,这样就不受加工方向的影响,所以选用有机玻璃作为斜楔材料较为合适。斜楔整体结构如图4所示。