某型飞机多层结构缺陷涡流检测的频率选取

某型飞机的机翼壁板采用三层铝合金复合结构,由于地处沿海,腐蚀较为严重,而腐蚀缺陷一般出现在第三层与钢结构框架的结合面,平时维护中很难发现。随着服役年限的增长,这种腐蚀越来越严重,对飞行安全构成严重的威胁。低频涡流检测法是目前解决多层结构腐蚀较为理想的方法,但其激励(工作)频率的选取是关键。以下以理论计算为基础,通过试验,找出检测机翼壁板腐蚀的最佳工作频率。

1　渗透深度

涡流在被检测表面下的渗透深度受到工作频率f、材料的电导率σ和磁导率μr的影响:

　　式(1)表明渗透深度δ与频率f的平方根成反比,f越小,δ越大。因此,检测工件的表面缺陷(如疲劳裂纹)时可以采用较高频率,检测埋藏较深的缺陷时可采用较低的频率。通常把工作在10 kHz~1 MHz频率范围内的涡流称为高频涡流;工作在100 Hz~10 kHz频率范围内的涡流称为低频涡流[2]。

2　参考试件制作

参考试件应力求与被检件一致,因此,从某型飞机机翼部位切割出几何尺寸为200 mm×150 mm的壁板,厚度为4. 0 mm,其中,第一层厚度为1.0 mm,第二层和第三层均为1.5 mm。在第三层与钢结构框架的结合面上制作了直径为15 mm的四个模拟腐蚀缺陷,深度分别为0.25,0.5,0.75和1.0 mm。然后,用结合螺栓加以固定,使之与原机上装配状态一致,如图1。

3　工作频率的选取

3.1　试验设备

试验设备如图2。仪器为德国产ELOTESTB320涡流检测仪;涡流传感器为PKA34-18腐蚀检测探头。

3.2　试验数据

要使得涡流的穿透深度δ等于要检测的深度[3],就要选择合适的工作频率。某型飞机机翼壁板厚度(即检测深度)为4mm,材料为铝合金,其电导率σ约为14. 74×106Ω-1·m-1,μr≈1,根据式(1)可得涡流检测工作频率f≈1 073 Hz。以此频率值为参考,在试件上进行试验。图3是工作频率f与灵敏度的对应关系。

3.3　最佳频率

由图3可以看出,工作频率从500 Hz~1 kHz,四个模拟腐蚀缺陷的幅值都在增加;工作频率由1~1.5 kHz,深度为0.25和0.5 mm两个模拟腐蚀缺陷的幅值在减小,而深度为0.75和1 mm两个模拟腐蚀缺陷的幅值在增加。为了检测不同深度的腐蚀,工作频率在1 kHz应该是检测该多层结构腐蚀缺陷的最佳频率。

4　实际应用

针对该机型机翼壁板的检测试验研究,制订了专门的无损检测工艺,对在役的4架飞机进行了普查,发现了6处腐蚀缺陷。通过与参考试件的模拟缺陷比较,得出了当量腐蚀深度,经分解检查,结果基本一致。检查中发现,该工作频率的选取能保证比其它频率的检测灵敏度高,但现场检测与试件检测相比,灵敏度明显降低,原因是夹层间有不同程度的分离以及夹层间有水分造成的。