相控阵超声检测技术在某型飞机撑杆焊缝检测中的试验研究

（海军航空工程学院青岛校区，青岛 266041）

某型飞机起落架撑杆是支撑飞机重量的重要构件，在飞机滑跑、起降过程中承受较大的交变应力及冲击力，如图1所示。其中焊缝位置因撑杆焊接过后连接件之间产生的相对位移较小，这种结构对应力集中较为敏感，从而会产生裂纹源，进而发展成为疲劳裂纹，明显降低结构的承载能力，在疲劳裂纹周围产生了应力集中而引起断裂，导致严重的后果[1-3]。

1 检测方法确定

由于焊缝内、外部均需要损伤检测，以往检测人员采用了制造厂使用的射线检测技术，但在在役飞机检测中，主要的损伤是平面状的疲劳裂纹，与制造厂检测的气孔、夹渣等体积性缺陷具有很大区别，而射线对裂纹不敏感，容易造成漏检[4-6]。

另外，射线检测还存在原位检测不易实施、对人体有损害等缺点。因此，作者排除了射线检测方法。

图1 起落架撑杆焊缝位置（虚线框部分）Fig.1 Weld joint position on the landing gear strut(The dashed frame part)

超声波具有良好的指向性，其波长短、能量大；超声波能用于检测裂纹、气孔、夹渣等缺陷。超声检测在检测的可靠性方面比射线检测要高，比较容易发现危害较大的面状缺陷，不是射线探测所擅长发现的危害相对较小的体积型缺陷，而且超声波检测的灵敏度高、操作方便，对物体内部缺陷的检测有综合优势，设备对人和环境没有损害[3,7]。采用常规超声横波检测时，由于焊缝区域较大，入射波束难以做到对焊缝区域的全覆盖，极易造成漏检[8-9]，而且试件结构相对复杂，横波在传播时由于声束扩散造成焊缝处超声波能量降低，从而降低了检测灵敏度[10]。

相控阵超声检测技术是常规超声检测技术的延伸，采用多个相互独立阵元晶片制成的阵列换能器，通过设置各阵元晶片的激励与接收超声波的延迟时间，改变超声波到达某点或某区域的相位关系，实现超声合成波束聚焦点和声束方位的变化，即声束的聚焦深度和偏转角度，方便对复杂结构的内部损伤进行检测[3]。因此，本文采用了超声相控阵进行焊缝检测。

2 试块制作

试块是调整检测灵敏度和判断缺陷是否超标的重要依据，由于撑杆内部为空心结构，类似管材，焊缝为V型，可依据GB/T5777-2008使用电火花制作人工标准刻伤。选择撑杆的一段制作成参考试件，焊缝处外径为92mm，内径71mm，在试件的焊缝中间位置从表面往里加工1条长 8mm、深6mm的人工槽来模拟焊缝根部的裂纹，如图2所示。

图2 对比试块人工刻槽部位Fig.2 Artificial groove position on the reference block

3 建模与试验

3.1 焊缝检测建模

因为试件结构相对复杂，为确保检测参数准确可行，先在软件中对该试件建模。使用CAD画出撑杆焊缝模型并导入Tomo View软件或CIVA仿真软件，而后通过软件中的声束覆盖模拟来确定检测位置及扫查角度范围[8]。经过对比分析，确定探头应紧贴焊缝放置，使用探头中的后8个晶片(即9～16号晶片)产生40°～80°的横波来进行扫查，如3图所示。

从图3中可以看出，横波声束可以完全覆盖整个焊缝，若焊缝存在缺陷，就会有超声波反射，经建模分析，使用相控阵超声横波检测是可行的。下面依照建模工艺参数对试件进行检测试验。

3.2 焊缝检测试验

采用的试验设备和附件如下：

相控阵设备：Multi2000，32×128；

相控阵探头： 5MHz，16晶片探头；

相控阵楔块： 55°横波楔块。

图3 相控阵超声建模扫查图Fig.3 Scanning figure of ultrasonic phased array modeling

图4 扇扫、A扫与3D视图中缺陷显示Fig.4 Defect display of fan scanning, a scanning and 3D view

检测结果如图4所示，4（a）是扇扫视图，4（b）是扇扫图中蓝色角度指针所对应的 A扫波形图，4（c）是3D视图，可对检测配置实时显示。从图4（a）中可以看出，在缺陷位置，出现了两个信号，信号1被68°声束发现，出现在焊缝根部，与人工裂纹位置吻合，判断是裂纹根部的反射信号；信号2与信号1处在同一水平位置，深度较深，被52°声束发现。通过将二次波翻折后可以看出，信号2是声束入射到裂纹顶部位置的反射信号，如图5所示。

图5 二次波翻折后扇扫、A扫与3D视图中缺陷显示Fig.5 Defect display of the san scanning, A scanning and 3D view after secondary waves folding

图6 C扫图中缺陷信号分析Fig.6 Defect signal analysis of C scanning figure

添加闸门后，采用内部时钟触发来对焊缝进行连续周向扫查的C扫结果如图6所示。

图6（a）是C扫图，（b）是C扫图中竖直指针所处位置的扇扫图，（c）是扇扫图中蓝色角度指针所对应的A扫图。在C扫图中，横轴是时间轴，代表不同的轴向位置，纵轴是声束覆盖轴，代表试件中不同的轴向位置。从图6中可以看出，整个扫查中只在中段发现了一处信号，该信号位置的扇扫图与前面分析的缺陷处的结果完全一致，所以该信号是人工缺陷的反射信号。试验表明，相控阵超声横波可以检测出焊缝人工缺陷，可靠性较好。

4 结束语

根据试验结果，使用相控阵超声检测技术对飞机起落架撑杆焊缝检测是可行的，检测过程中回波信号与实际焊缝结构吻合良好，研究中使用的检测参数对检测该焊缝也是行之有效的。从检测图形来看，还存在一些杂乱显示，而且缺陷信号没有达到预想的幅值，可在以下两个方面进行改进：一是由于焊缝两边的放置空间有限，使得探头未能完整接触工件，从软件中的3D建模图中可以看出，探头的后半部分是悬空的，这使得检测中探头晶片未能全部激发，且稳定性较差，若针对被检件形状和尺寸定制更小的专用探头，检测效果将会明显改善； 二是试验中使用的是平楔块，而被检件表面是圆柱形，楔块与被检件表面接触面积较小，所以耦合效果较差，改进措施为定制与被检件曲率一致的楔块来提升耦合效果。

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