发电机弹性轴的超声波相控阵检测

(中航贵州飞机有限责任公司, 安顺 561016)

某部队无人机发电机弹性轴(见图1)在使用过程中发生断裂，经专家分析，该弹性轴在安装时存在同轴度装配误差，从而发生了扭转疲劳断裂(见图2)。

图1 发电机弹性轴实物图片及尺寸示意

图2 断裂的弹性轴宏观形貌

为及早检查该弹性轴的缺陷情况，需要对该型在役飞机的弹性轴进行无损检测。但由于该弹性轴绝大部分均安装在其他构件内部，仅端头部分露在外面，拆卸困难，离位难度较大，部队无能力对该轴进行拆装，因此只能进行原位检测。而正因为其仅端头部分露在外面，原位检测无法采用目视和渗透检测方式，故只能采用超声波方法从端头进行检测，超声波声束传播路径示意如图3所示。

图3 超声波声束传播路径示意

1 对比试样的制作

根据该轴的失效频次(4次)及断口断裂模式，金相专家分析认为,该轴的失效方式为周向扭转断裂，因此周向裂纹应当是无损检的测的重点监控对象。为确定超声波检测的相关检测参数，须先制作相应的试样，制作时，取两根弹性轴，其牌号、热处理状态等与无人机弹性轴的一致。在刻伤之前先对该试样进行超声波、磁粉及射线检测，以确定不存在影响判断的缺陷。由于试验需对大约160 mm长的螺杆部分进行检测，故为了保证检测的灵敏度及分辨率，需在螺杆端头(距检测面15 mm处)、尾部(距检测面160 mm处)及缺陷集中的位置(距检测面90 mm处)分别刻制周向人工缺陷，而且为了防止缺陷反射信号的互相干扰，人工缺陷的相位应不同。

由于此次检测没有明确的标准，设计人员要求能检测出宽0.2 mm，槽深1 mm的裂纹类缺陷。对比试样上的人工缺陷的分布如图4所示，具体为：

① 在距检测面15 mm处刻一个宽0.2 mm，槽深1 mm的缺陷,标为缺陷1；② 试样偏转120°，在距检测面90 mm处刻同样的缺陷，标为缺陷2；③ 再 偏转120°，在距检测面160 mm处刻同样的缺陷，标为缺陷3。

图4 对比试样结构示意

2 检测方法的确定

由于该零件隐藏在发电机内部，仅端头露出，因此，选择纵波直探头从端头垂直入射。从图3可知，端头内径为φ7 mm，因此选择直径为φ6 mm的探头进行检测，频率选择1 MHz～10 MHz。

常规探头超声波检测效果如图5所示，从图5可以看出，其检测效果不理想，难以发现缺陷,原因有以下几点：① 端头接触面积小，小直径探头的半扩散角大，声能小，灵敏度低；② 由于弹性轴直径小，侧壁干扰严重，所以杂波较多，分辨率低；③ 单一晶片既发射又接收，盲区大，导致靠近端部的缺陷不能检出。

图5 常规探头超声波检测效果图

由于常规超声检测技术存在以上弊端，而相控阵超声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和信噪比[1]。同时相控阵检测仪可控制波束的偏转，使声束能与缺陷形成一定角度，而且不移动探头也能对零件进行全覆盖检测，对该轴周向裂纹有很好的检出率。因此，试验确定采用相控阵检测技术。

3 相控阵超声检测原理

相控阵超声检测技术能按照一定的规则和时序激发新的波束,波束的形状、偏转角度等可以通过调整激发晶片的数量、序列、以及激发时间来实现。而常规的超声波检测通常采用一个压电晶片来产生超声波,只能产生一个固定的波束 ,其波形是预先设计的且不能更改。

操作者按需要对仪器输入波束角度、焦距、激活波晶片数量、扫查类型( 扇扫、线扫) 、扇扫的步进角度等参数进行采集，根据这些参数，利用采集与分析软件计算时间的延迟，然后根据计算结果控制硬件模块产生相应的动作，完成完整的相控阵控制。根据以上原理 ,相控阵超声技术能形成 3 种基本的波形进行扫查,分别是电子扫查、波束偏转扫查和变深度聚焦扫查(见图6)。

图6 相控阵超声技术的3种基本波形扫查图

4 检测参数的设定及距离-波幅曲线的制作

4.1 探头频率及尺寸

试验采用外径为6 mm的订制探头，型号为10L16-CA,频率为5 MHz(因为频率越高,灵敏度越高,分辨率越好；但频率越高,声能衰减及侧壁干扰越严重，检测盲区增大。试验采用了1 MHz～10 MHz 多个频率的探头逐一对比,发现5MHz探头综合效果更好)。

4.2 主要检测参数

检测参数有：检测厚度,160 mm(螺杆最大长度)；材料,钢;材料中的声速，5 890 m·s-1；法则配置，扇形扫查；波型，纵波；晶片数量，16；扇扫描角度，20°(检测90 mm缺陷时)/10°(检测160 mm缺陷时)/5°(检测15 mm缺陷时)；聚焦深度，15 mm/100 mm/160 mm(分段聚焦，保证灵敏度及分辨率)。

图7 检测时的超声声束覆盖示意图

4.3 灵敏度校准

连接检测仪，探头耦合对比试块，找到埋深为15,160 mm的人工缺陷的最大回波，将波高调至80%(相对满屏)，取2处缺陷的最大增益作为检测灵敏度；此外,弹性轴断裂位置集中在90 mm处，因此在检测时也要着重观察90 mm处人工缺陷的灵敏度及分辨率。

5 缺陷判读与辨识

各缺陷的A扫及C扫图如图810所示。

缺陷判读与辨识时，应注意以下几点。

图8 15 mm深人工缺陷的A扫及C扫图

图9 90 mm深人工缺陷的A扫及C扫图

图10 160 mm深人工缺陷的A扫及C扫图

(1) 在检测15 mm深的缺陷时需要加楔块，因此在判断时应注意楔块反射回波的影响(见图8)，缺陷会在一次楔块反射回波后。

(2) 在检测90，160 mm深的缺陷时，应注意轮廓回波的影响(见图9，10)，但轮廓回波的波高不会超过40%(缺陷波高为80%时)。

(3) 根据设计人员的要求，弹性轴不应有裂纹类缺陷，因此使用上述方案检测时，只要有缺陷回波信号(波高超过80%或底波严重下降)即可认定为超标缺陷，即认定该弹性轴为不能再使用的故障件。

6 结论

(1) 采用超声波相控阵技术能很好地对弹性轴进行原位检测，具有较好的灵敏度及分辨率。

(2) 此方法可以推广到其他需进行原位检测的零件检测中，如机翼机身对合螺栓。