飞机螺栓孔裂纹的无损检测

飞机螺栓孔裂纹的无损检测

摘要

关键词：无损检测；飞机，；疲劳裂纹；螺栓孔

随着科学技术和现代工业的发展，人们对产品质量的要求变得越来越高。无损检

测技术这门学科就在这时得以飞快的发展，在许多行业得到了非常广泛的应用，并成

为航空维修的一种手段跟着航空维修的发展而发展，已经成为发动机零件、控制飞机

的质量，保障飞机安全飞行，以及延长飞机寿命的手段。

飞机无损检测的任务是检查出使用过程中的缺陷，尤其是疲劳裂纹，以保证飞

行的安全性。飞机机翼大梁螺栓孔以及机翼接头螺栓孔由于受交变应力和扭矩的作用,

都是容易产生疲劳裂纹的地方。这些裂纹的存在会使飞机在飞行时大梁断裂的严重事

故，因此该处的探伤非常重要。

本文对机翼大梁螺栓孔的检查和机翼接头螺栓孔的检查这两个典型案例作了全

面的分析。基本掌握了当中运用的漏磁和超声这两项无损检测的基本方法。并结合一

定的知识，在本文的第三章大胆地提出了飞机螺栓的无损检查方法：用超声的方法解

决以前都用涡流法来解决的螺栓在原位状态下检查的问题，以及用漏磁的方式来取代

磁粉和渗透的方式，完成螺栓在拆下状态下的检查。

目录

1绪论............................................................................3

1.1无损检测的定义..........................................................3

1.2无损检测的方法..........................................................3

1.3常用无损检测方法简介...................................................4

1.3.1射线照相法(RT)......................................................4

1.3.2超声波检测(UT).....................................................4

1.3.3磁粉检测(MT).........................................................5

1.3.4渗透检测(PT).........................................................5

1.3.5.涡流检;则(ET)........................................................3

1.4无损检测方法的选择原则............................................5

1.5.无损检测在航空维修中的应用.........................................6

2飞机螺栓孔裂纹无损检测的典型案例............................................7

2.1机翼大梁螺栓孔的无损检测.................................................7

2.1.1漏磁检测原理.......................................................7

2.1.2螺栓孔裂纹漏磁检测.................................................7

2.2机翼接头螺栓孔疲劳裂纹无损检测..........................................10

2.2.1专用探头设汁原理及制作过程........................................10

2.2.2探伤方法..........................................................12

3螺栓的无损检测.................................................................14

3.1螺栓在原位状态下的检测..................................................14

3.1.1理论基础..........................................................15

4结论...........................................................................16

致谢.........................................................................19

参考文献.........................................................................20

附录.........................................................................21

攻读学位期间取得的研究成果......................................................22

声明.............................................................................23

西安交通大学网络教育学院论文

1绪论

技术工业的不断发展发展，我们越来越看重产品的质量。各个地方都用到了无损

检测技术，对产品的品质和安全操作装备、成本减少有重要作用。无损检测也单独成

为一门的综合性的应用技术学科。

航空维修发展，无损检测也在发展。不单是检查测试，还对飞机安全其作用。航

空维修技术在进步，也开始重视无损检测，从一定层面上来说，无损检测的水平反映

了航空维修的水平。

无损检测技术越来越重要了。它是保障安全的重要手段之一。

1.1无损检测的定义

无损检测是一门新兴应用科学。首先使用性能和状态不能变，用化学和物理对材

料、产品和零部件进行检查，测试安全性。无损检测的优点是能不损坏测试件，所以

越来越受到重视，越来越能得到发展。现在，无损检测技术应用已经非常广泛，是重

要的技术手段。

随着工业发展，技术有了基本的理论，加快了无损检测技术的发展，使这项技术

从质量检验发展为一种多功能的技术。它的内容如下：

(1)无损探伤

能看到大小数量材料性质等。

(2)测试

能检测状态性质。

(3)监控

对部件进行检测，有问题可以反馈给检测者，进行监控，保障安全。

现在无损评价技术以无损检测为根本应运而出。用无损检测技术，对构件评价包

括可靠性和完成性。无损评价技术能发挥的越来越好。

1.2无损检测的方法

电子物理与材料学都属于无损检测技术。现在已经有几十种方法了。表1是按照

检测原理来看的。

从表中看来，涡流检测、磁粉检测、超声检测、射线检测、渗透检测这五种是比

较成熟点的。广泛应用的有磁记忆检测、目视检测、声振检测、红外检测、微波检测、

声发射检测等等。

表1.1无损检测方法分类

类别主要方法

X射线透照法、中子射线照相法、Y射线照相法、X射线光谱法、正

射线法

电子湮没法、X射线衍射法

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a.能用于复合材料、金属和非金属等；

b.穿透力较强；

c.定位较准确；

d.容易检测出面积型缺陷；

e.高灵敏度；

f.低成本、快速，比较轻，无害，方便。

4、局限性:

a.须深入研究定性、定量；

b.难点：不规则外形物件的检测；

c.影响外观；

d.影响材料的晶体度；

1.3.3磁粉检测(MT)

1.会有磁痕是它的原理，大小、形状和位置都能显示出来。

2.局限和适用性：

a.尺寸小、间隙窄。

b.能使原料、成品件、半成品进行检测，也能对其他件进行检测。

1.3.4渗透检测(PT)

1.原理：喷显影剂，渗透液能进入开口缺陷中，光照下，能显示渗透液痕迹，缺

陷可以检测出。

2.优点：

a.检测范围广；

b相应快

c.直观，便宜，简便。

3.缺点：局限性比较大，针对表面进行检测，如表面的开口，表面的粗糙程度，

深度也难确定。

1.3.5涡流检测(ET)

使通电，电流不变。线圈靠近工件，电流会变化。涡流的大小随有没有缺陷而不

同。

把导体放在磁场之中，涡流就存在.导体因为会变化，就能知道导体的性质和状态。

1.4无损检测方法的选择原则

(1)适用性

方法应适合自然条件，如尺寸、状态、工序等，验收标准要求要能检出和满足要

求发现的缺陷。

如果被检测而不可接近，像管道内壁面、螺栓底部、钾钉颈部或压力容器的内壁

面，则应考虑用超声检测方法。

在选择方法时最重要首先是适用性。

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(2)可行性

无损检测方法的实施性，要评估适用的设备、材料及设施等的参数指标能不能满

足要求，及该项要求人员能不能胜任。

(3)可靠性

人员的技术水平有条件，质量保证体系也要建立，并对结果作出判断和评定。

(4)经济性

方法应选择效率高、操作简便且费用低.

就算是一种方法，也应力求在保证质量的前提下充分考虑经济效益。。

1.5无损检测在航空维修中的应用

维修和检测都在发展，他们发展水平紧密相关。

1.5.1老龄飞机的无损检测

包含几个问题：

老龄飞机：

使能力改进，增加服役时间是个问题。由于疲劳腐蚀，老飞机故障多，桁条下免

或珈接件下层板一般使用低频涡流技术来检测侵蚀，目视检查基本可以满足。

另外还有几点。

(a)飞机上所有的区域要检测。

(b)以日历作为间隔。

(c)初始和重复检测要隔多久。

(d)腐蚀的分级为轻微、严重和最严重，有不同的措施。

发展行之有效的腐蚀监控方法是老飞机的无损检测的第一个难题。

1.5.2新飞机新材料的无损检测

新飞机上适用了新材料，特别是复合材料和铸钦合金。面积很大的检测脱黏、分

层及性能退化可用于复合材料。现在用的最多的是激光超声、超声波检测和红外线技

术。

新型机在不断的引进，起到重要作用的是阵列涡流技术或相控超声检测技术，有

极好的应用前景的是涡轮叶片根部裂纹的检测由阵列涡流技术完成。还有的方法是全

波形记录，重要的是可以分析储存。

1.5.3无损检测在飞机日历寿命研究中的作用

确定日历损坏和日历寿命是主要的问题。

对飞机结构影响较大的环境的腐蚀，日历寿命由结构腐蚀变和速率来判断。先要

研究口历损伤才能研究日历寿命。一般用超声或涡流测厚原理检测腐蚀程度，确定程

度和量级根据厚度来判断，但效果不好。重要的是确定日历寿命，监测腐蚀状况，监

测腐蚀程度、损伤和发展规律来判断日历寿命。所以，重中之重要加强无损检测技术。

1.5.4无损检测在飞机疲劳裂纹扩展检测中的作用

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不止腐蚀，老飞机面对的另外的主要问题是疲劳裂纹，怎么检测和监测是个问题。

国外很多国家都在研究机载声发射检测系统。但该技术的问题是飞行过程中的高噪声,

难以适用在现有的技术。有美国公司制造出一种在高噪声条件下还能检测疲劳裂纹声

发射信号的设备。它的设想是，在板平面内发生的疲劳裂纹，信号多为扩展波。所以

它先是先捕获波形，用信号滤波，得到扩展波分量，也获得低频弯曲波分量，把这2

个比值当做参数。这个方法的处理速度不用很快，对存储量要求不大。该公司称，这

种仪器已经为美国的航司和空军解决了很多问题，并获得了专利.

2飞机螺栓孔裂纹无损检测的典型案例分析

2.1机翼大梁螺栓孔的无损检测

机翼的大梁螺栓孔容易受力产生疲劳裂纹。大梁断裂事故有可能会发生。它的断

裂尺寸小，孔也小，检测困难；现阶段主要采用的的方法吃磁粉检测。但灵敏度不高;

并且人工观察荣易产生误差，可靠度较低；很容易漏检；隐藏裂纹也很难分清。误判

率和漏检率比较高。所以螺栓孔裂纹检测较难。电磁类的无损检测技术有相应的漏磁

检测口，首先选择检测钢铁工件，且简单，无污染，耦合剂也不需要，高灵敏度，好

的可靠性，在无损检测中用得越来越多。

2.1.1漏磁检测原理

漏磁检测技术各个学科都有关系。裂纹漏磁检测用磁源的原理对材料磁化，如果

有裂纹时，磁导率低，磁阻就多了，磁化场泄露，构成了漏磁信号。磁力线和铁磁体

断开时，磁力线会成为磁场信号，如果扩散到外面。

漏磁检测的过程如下：

图2-1漏磁检测框医

2.1.2螺栓孔裂纹漏磁检测

1、螺栓孔的周向磁化

可分辨的磁场信号能不能产出是根据漏磁检测的原理，磁场信号越大越好。外泄

磁化场要加大，可磁化被测件，对漏磁提供信号。

双掷开关K

充

磁

铜

充磁棒产螺栓孔充磁棒

生的磁场磁场示意图

图2.2周向磁化的示意图图2.3脉冲式磁化的原理图

图2-2周向磁化的示意图图2-3脉冲式磁化的原理图

如图2-2,周向磁的产生方法：把铜棒穿入螺栓孔中，产生电流就会有周向磁化场。检

测漏磁用磁敏元件，磁化场适合用在小电流的产生，可以使用脉冲式磁化法，原理如

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图2-3。在图里面直流电源：V,VC为电压，C是电容，总电阻为R。开关K在1为C

充电；当C电压到VC时;K1到2,C开始放电，充磁开始。功等于电流作功，有了放

电电流1：

磁化场“：

,螺栓孔直径是d。

磁化场在孔内，畸变会产生，漏磁场会新城，两种磁场相加就会发生磁场H1相加

漏磁场H2,就是H=H1+H2。

磁化结束时，磁场是112。圆周运动时，垂直在壁面漏磁垂直分量Hy检测出。垂直

分量H分正峰和负峰，两峰波形变化如果大，用漏磁垂直分量峰峰变异和梯度变异能

来进行裂纹识别和定量计算。

图2-4为脉冲式直流磁化器。电阻R3有电源输出。打开开关，充磁时，铜棒入孔,

开关1,充电开始，20V电压，开关2,开关1、3转换，放电，开始充磁。充电时，电

流大。电阻R4、铜棒、电感L组成回路。退磁时，铜棒入孔，开关1,开始充电，20V

电压，开关2,开关2、4转换，电容放电。用电路产生的低频衰减振荡加在铜棒上的

电流到零产生退磁。退磁之后，螺栓孔内剩磁不足3高斯。

图2-4脉冲磁化的直流磁化器

2、螺栓孔检测传感器

装置必须有高灵敏度测量漏磁场，磁场范围大；不均匀。霍尔传感装置是现在最

常用的，它可以做得小，非均匀磁场也非常适合；响应频宽较大；温度适应性好。

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图2-5霍尔传感装置

3、空域等距采样

如何使用空域等距采样：探测头上装一个圆形光栅，发射一个脉冲就采一次样，

探测头运动时，能探测到裂纹信息，速度不均匀的影响由圆光栅消除。电机正、反转

动。探头旋转一周，信号采800个点。用Hall片阵检测裂纹，能覆盖很大面积。

2.1.3检测系统组成

如图2-6,检测系统由图中各装置组成。

磁化器-

通信口"

计算机”

(PC/10

采样控制器•

驱动装置。

图2-6螺栓孔裂纹漏磁检测系统

当开始检测，检测信号经探测头转成电信号；信号经过放大、滤波、提纯，转换

成数字信号，发送至计算机；然后滤波、分析信号、提取特征、计算、记录显示，可

以驱动装置、扫描装置适应、控制器的采样、A/D转换器控制。

探测头装在驱动装置上，能自动扫描。为了良好贴合，设置了自适应扫描装置。

采样控制器由光栅、光电信号隔离相、控制器组成。可以是实现空域等距的采样,

采样点分布不均匀的问题消除了。

2.1.4结论

9

现在了解了螺栓孔裂纹漏磁系统能在不解体条件下，对裂纹进行无损检测，能显

示位置和方位角；记录信号，分析处理和状态判断，给出检测结果，避免漏检。并且

可靠性高。

2.2机翼接头螺栓孔疲劳裂纹无损检测

使用中的飞机它的检测任务是检测缺陷，疲劳裂纹尤其重要。新的检测方法必须

要设计出来。

2.2.1专用探头设计原理及制作过程

1、检测原理

这个探头的样式为左前端是圆弧形，圆弧螺栓孑.钢套他们的外径都一样，声束与

钢套外圆要保证相切。有两个很重要的角度为前倾角和内倾角，让声束相切于表面。

圆弧段与内倾角值要采用一个最佳值，此时方向相切于圆弧，垂直于裂纹方向，检测

灵敏度最高就是在这时候。基于在单晶双斜探头，将平面晶片换成聚焦晶片双斜聚焦

探头就能简单的实现声束聚焦，可以大大的提高检测能力。摆放工件和探头的样式见

图2-7,它们检测的原理见图2-8和图2-9。

图2-7工件和探头摆放示意图

图2-8单晶双斜探头检测原理图图2-9单晶双斜聚焦探头检测原理图

io

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2、探头参数选择及考虑因素

与螺栓孔圆弧相切于内倾角传播的方向。一次波用做下表面的探伤，二次波用做

下表面的探伤，单探头不可以相切，所以螺栓孔的上、下表面缺陷必须使用2个探头

来探测（下文1#探头为用来下表面缺陷检测的双斜探头，2#探头为用来上表面缺陷检测

的双斜探头）。

3、斜楔的设计原理

波型转换可以被实现，折射横波产生在物件上，螺栓孔声束的方向传播能用内倾

向来实现。有声陷阱安装在前端，反射杂波能够有效减少。斜楔整体结构如图2-10。

声陷阱

图2.T0斜楔整体结构

2.2.2探伤方法

2.2.2.1试块的制作

制造各种的试块是根据螺栓孔的特点来作为依据的。

1、模拟试块

铝板上加工了2个直径12mm的圆孔的是模拟试块。

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图2T1模拟试块人工缺陷的具体位置

见图，试块上面的的6个缺陷，用线切割开来，0.5mm的开口度，表2.1为缺陷的

径向深度:

表2.1模拟试块缺陷尺寸

缺陷编号缺陷径向深度

1号缺陷2mm

2号缺陷1mm

3号缺陷1mm

4号缺陷1.5mm

5号缺陷1mm

6号缺陷0.5mm

2、对比试块

对比试块的制作等同于机翼螺栓孔的尺寸。使用2个对比试块，见图2-12：左右

孔径都为12m叱右边的孔内有钢套，钢套的直径为18nlm。

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图2-12对比试块

3、无缺陷试块

为更好的观察有缺陷物件时，螺栓孔的上下表面轮廓波。所以制作了无缺陷试块。

见2-13。

图2-13无缺陷试块

2.2.2.2探伤过程

1、检测结果

如用超声模拟探来检测缺陷，见表2.2和表2.3。表2.2是2#探头是检测直射法

进行的，表2.3是检测注探头的。

表2.22#探头检测数据结果

缺陷编号缺陷径向深度(mm)灵敏度余量(dB)

1262

2154

3154

41.558

13

5154

60.550

表2.31#探头检测数据结果

缺陷编号缺陷尺寸(mm)灵敏度余量(dB)

1250

2144

3144

41.548

5144

60.540

2、结果分析

1)斜楔圆弧段要吻合于螺栓孔钢套相在检测的过程中。

2)在弧段与螺栓孔钢套不吻合的时候。上下表面孔周轮廓波让人容易产生视觉疲

劳，影响效果。

2.2.3结论

机翼接头螺栓孔特点设计的专用探头能对工件有效检测；上下表面疲劳裂纹的检

测应用两个参数不同的探头。螺栓孔钢套与定位圆弧段匹配，缺陷波就是当探头旋转

时屏幕上产生的波。

3螺栓的无损检测

3.1螺栓在原位状态下的检测

按维修标准，螺栓在原位检测的时候，一般只要检出大裂纹缺陷就可以。我想到

用超声检测的方法来模拟这个过程。

3.1.1理论基础

一次脉冲反射法

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（a）无缺陷（b）有小缺陷（c）有大缺陷

在无缺陷时，只有始波和一次底波存在。当存在小缺陷时，缺陷波发生在始波与

底波中间，然而缺陷大于声束直径时，就没有底波了，只有缺陷波与始波。

3.1.2检测过程和波形分析

声波从螺栓头部或者螺纹端沿轴向入射，采用的是一次脉冲反射法。

从螺栓头部检测时，如将探头移到边缘，有螺检肩部回波。这时检测范围从螺栓

肩部到螺纹端中间；从螺纹端检测的时候范围从螺纹端到螺栓头部。

检测中，在螺栓的范围内无缺陷，屏幕上只有一次底波和始波。当小缺陷存在，

缺陷波就产生在底波和始波之中，缺陷波相关的是面积和高度。

3.2螺栓在拆下状态下的检测

拆下的螺栓一般不用超声检测，如仍按使用检测大裂纹的方法，检测的灵敏度低

了，是没有意义的。

多数情况下螺栓在拆下状态下检测是通过磁粉与渗透检测方法完成。我想用漏磁

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检测方法模拟这个过程。

因螺栓使用过程受剪切力，会产生周向裂纹，尤其在螺栓和螺栓孔锁紧位置会出

现裂纹，故采用漏磁检测时，将有交变电流检测线圈置于螺栓上，纵向并且连续磁化。

螺栓缺陷，会有泄漏，可经过检测磁场变化，转成数字信号，处理为直观图形，

显示位置。

3.3总结

以上螺栓检测两个方法是我对机翼大梁螺栓孔的疲劳裂纹漏磁检测和机翼接头螺

栓孔的疲劳裂纹超声检测的总结，在螺栓检测领域应用。可能分析片面、不完善。在

学习的路上，可能是一种新的探索和创新。

4结论

本文主要对飞机螺栓孔的无损检测进行了研究与对两案例分析，得到了以卜一结论。

1、用漏磁检测法裂纹进行定量检测，可显示裂纹位置和方位角；对信号记录，处

理与状态判断，给出直观检测结果，避免漏检。

2、用超声检测螺栓孔时，主声束与螺栓孔应相力，用参数不同的两个探头检测上

下表面疲劳裂纹是由于对应声程的不同。

本文的第三章打破了常规的使用了超声方法来检测原位状态下螺栓，用漏磁方法

检测拆下的状态下的螺栓，这些在螺栓的检测领域都未有先例。可能分析的比较片面、

不完善。但是相信用于实践操作以后会逐步完善。

此外，无损检测过程中，漏检难免会发生。预防漏检发生，已经从以前的机械故障

变为了人为差错，首先要考虑人为因素，把设备、环境、人的因素联系起来。对于无

损检测，每种检测法都有独特的优点和局限性，只要选用得当问题就能解决。但由于

人为因素所造成的，则更要检测人员有更好的技术、更好的心理素质，和更严格的纪

律，三者缺一不可。

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致谢

致谢

在这次的论文写作过程中，老师对我的论文无论从选题，构思到最后定稿每个环

节都细心的指引与教导，最终使我顺利完成毕业论文设计。在学习生活中，老师严谨

的态度、知识的丰富渊博，学术思维的敏锐性、工作态度的精益求精和侮人不倦的师

者风范是我永远学习的榜样，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永

远激励着我。

我还获得了老师的关心支持和帮忙。在这里，我要向老师们致以衷心的感谢

和崇高的敬意。最后，我要向百忙中抽空对本文进行审阅，评议和参与的各位老师表

示衷心感谢。

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攻读学位所取得的研究成果

参考文献

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