一种螺栓裂纹检测方法及螺纹裂纹检测装置与流程

本发明涉及裂纹检测技术领域，具体涉及一种螺栓裂纹检测方法及螺纹裂纹检测装置。

背景技术：

对接螺栓是飞机上的关键承力构件，飞机机身与中央翼对接、水平安定面和垂直安定面与机身对接、主起落架内外侧支柱与机身连接、发动机安装架与承力构架对接等等都是采用螺栓连接。这些对接螺栓的安全与否关系整个飞机的飞行和试验安全。

在某型飞机疲劳试验中，平尾通过连接螺栓固定在机身上，该机整机设计寿命为14000飞行小时，在经历4500小时后平尾连接螺栓出现断裂。根据该处螺栓的受力分析、螺栓断口分析的裂纹扩展的数据和损伤容限设计的分析计算，要保证该处螺栓结构在维修期内螺栓整体不出现断裂破坏，需要在该处螺栓出现裂纹深度为1.0mm时更换新的螺栓。该处螺栓采用过盈配合装配，拆卸后难于二次装配，因此需要对该处螺栓采用非拆卸状态下的原位超声检测。

常用的紧固件超声波原位检测(美国波音公司推荐)的方法是采用超声纵波从螺栓头或底部入射，如图1所示，以相同紧固件的底波高度的40％作为检测灵敏度。由于以底波波高40％作为检测灵敏度，灵敏度较低，同时螺栓的侧壁及螺纹会出现一些杂乱超声反射信号，因此该方法通常只要求检出较大裂纹(深度大于2.5mm)。

到目前为止，对于薄钉盖(小于6mm)螺栓根部小裂纹(深度为1.0mm)进行原位检测还没有一种可靠的检测方法，而发现该处小裂纹关系着平尾乃至整个飞机的安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种螺栓裂纹检测方法及螺纹裂纹检测装置，以解决或至少减轻背景技术中所存在的至少一处的问题。

本发明采用的技术方案是：提供一种螺栓裂纹检测方法，包含以下步骤：

S1,根据被检测试验件设计加工含标准深度模拟裂纹的对比试块；

S2，根据试验件被检测区域的深度定制超声波双晶探头；连接超声设备与超声波双晶探头；

S3，在对比试块上以所述标准深度模拟裂纹进行超声灵敏度调节，取超声波高50％～70％为检测基准波高，作为评判损伤的判据；

S4，以所述步骤S3中的超声灵敏度对所述被检测件进行原位超声检测；若在始波与底波之间没有出现超出所述基准波高的波形信号，则判定该螺栓没有裂纹，完成检测；若在始波与底波之间出现超出所述基准波高的波形信号，记录波形出现的位置信息，并判定该螺栓裂纹超标。

优选地，所述标准深度模拟裂纹为1mm深度。

优选地，所述超声波双晶探头包含发射晶片和接收晶片，所述发射晶片与所述接收晶片相向设置，两个晶片之间的夹角为10度至15度，使得声束在一定深度范围内形成一个菱形交汇区。

优选地，在确定发射晶片的超声入射角度时，声束聚焦焦点深度与被检测区域的深度相同。

优选地，所述声束聚焦焦点深度的计算方法为，

$Q=\frac{\frac{d}{cos\mathrm{\α}}+\frac{L}{2}}{\tan \arcsin \frac{C_{2}sin\mathrm{\α}}{C_1}}$

式中，Q为焦点中心点深度，α为超声入射角度，d为晶片直径，L为隔声层厚度，C₂为被检测材料声速，C₁为探头延迟块声速。

优选地，所述步骤S1中的对比试块为人工裂纹螺栓，所述标准深度模拟裂纹的深度设置为0.5mm～2.0mm，宽度为0.13mm。

本发明还提供了一种螺栓裂纹检测装置，包含超声波探伤仪、超声波双晶探头、耦合剂、对比试块；

所述耦合剂用于将所述超声波双晶探头耦合到被检测螺栓的钉盖上；所述超声波双晶探头通过信号线连接到所述超声波探伤仪。

在所述螺栓裂纹检测装置中，优选地，所述超声波双晶探头包含发射晶片和接收晶片，所述发射晶片与所述接收晶片相向设置，两个晶片之间的夹角为10度至15度，使得声束在一定深度范围内形成一个菱形交汇区。

在所述螺栓裂纹检测装置中，优选地，所述螺栓裂纹检测装置还包含隔声层，所述隔声层设置在发射晶片与接收晶片之间，用于分隔发射声路与接收声路。

在所述螺栓裂纹检测装置中，优选地，所述对比试块为人工裂纹螺栓，模拟裂纹的深度设置为0.5mm～2.0mm，宽度为0.13mm。

本发明的有益效果在于：本发明的螺纹裂纹检测方法不需要拆卸被检测螺栓，直接在螺栓原位上检测，在对比试块组上以深度为1.0mm模拟裂纹进行超声灵敏度调节，取超声波高60％为检测基准波高，探测精度高，能够实现小裂纹的检测。

双晶探头可以获得比较好的信噪比，以减小探头的盲区。

双晶探头中的发射晶片与接收晶片之间设置有隔声层，隔声层可以将发射声路与接收声路分隔，克服了发射声波和回波的相互干扰和阻塞，导致脉冲变窄。减小了超声波检测前端的盲区，使检测区域处于超声波的检测范围之内。

发射晶片与接收晶片相向交汇，使得声束在一定的深度范围内形成一个菱形交汇区。当检测范围处在菱形交汇区，特别是菱形交汇区中心交点附近时，探伤灵敏度极高。通过改变发射晶片角度，使两个晶片的超声波束聚焦于螺栓头根部区域，保障了超声波检测在该区域具有极高灵敏度。

检测声波的主声束和扩散声束能在螺栓头根部上产生回波而形成杂波，影响裂纹的判断，使用检测专用的对比试块寻找回波的规律性及有裂纹时回波的特点，可以据此判断是否有裂纹。

附图说明

图1是本发明一实施例的螺栓裂纹检测方法的流程图。

图2是本发明一实施例的超声波双晶探头的示意图。

图3是本发明超声波在无缺陷人工试块中的射线图。

图4是本发明超声波在无缺陷人工试块中的波形图。

图5是本发明超声波在含人工缺陷的试块中的射线图。

图6是本发明超声波在含人工缺陷的试块中波形图。

其中，1-超声波双晶探头，11-发射晶片，12-接收晶片，13-隔声层，2-无缺陷人工试块，3-含人工缺陷的试块。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明方法使用的原理是超声脉冲回波法，超声纵波声束从螺栓头部面入射螺栓内部，脉冲波在螺栓中传播，当遇到界面时产生反射，反射波被接收晶片接收到，经声—电转换反射信号显示在荧光屏上，通过分析反射信号，可以获取螺栓是否存在缺陷等被检螺栓质量信息。

如图1所示，一种螺栓裂纹检测方法，包含以下步骤：S1,根据被检测试验件设计加工含标准深度模拟裂纹的对比试块。

在本实施例中，所述标准深度模拟裂纹为1mm深度。能够满足本发明的背景技术中对螺栓裂纹深度为1mm小裂纹的检测要求。

可以理解的是，所述标准深度模拟裂纹的深度还可以在0.5mm～2.0mm之间设置，宽度为0.13mm。例如，在一个备选实施例中，所述标准深度模拟裂纹的深度设置为0.6mm。

S2，根据试验件被检测区域的深度定制超声波双晶探头；连接超声设备与超声波双晶探头；

S3，在对比试块上以所述标准深度模拟裂纹进行超声灵敏度调节，取超声波高50％～70％为检测基准波高，作为评判损伤的判据。

在本实施例中，在对比试块组上以1mm模拟裂纹深度进行超声灵敏度调节，取超声波高60％为检测基准波高。可以理解的是，在另一个备选实施例中，检测基准波高可以取超声波高的50％；检测基准波高可以在50％～70％之间任意设定。

S4，以所述步骤S3中的超声灵敏度对所述被检测件进行原位超声检测；所述原位超声检测是指，不拆卸被检测螺栓，而直接在被检测螺栓的正常工作位置检测。其优点在于，提高了检测效率，且不会对无裂纹螺栓造成损伤。若在始波与底波之间没有出现超出所述基准波高的波形信号，则判定该螺栓没有裂纹，完成检测；若在始波与底波之间出现超出所述基准波高的波形信号，记录波形出现的位置信息，并判定该螺栓裂纹超标。

如图3所示，为本发明的超声波在无缺陷人工试块中的射线图，图4为凸3对应的波形图，其中左侧为始波，右侧为底波。在图5中是本发明超声波在含人工缺陷的试块中的射线图，图6为图5对应的波形图，其中，左侧为始波，右侧为底波，中部为裂纹波形。

如图2所示，在本实施例中，所述超声波双晶探头包含发射晶片和接收晶片，所述发射晶片与所述接收晶片相向设置，两个晶片之间的夹角为12度。可以理解的是，所述发射晶片与所述接收晶片之间的夹角可以在10度至15度之间任意设定，使得声束在一定深度范围内形成一个菱形交汇区。当检测范围处在菱形交汇区，特别是菱形交汇区中心交点附近时，探伤灵敏度极高。通过改变发射晶片角度，使两个晶片的超声波束聚焦于螺栓头根部区域，保障了超声波检测在该区域具有极高灵敏度。

在确定发射晶片的超声入射角度时，声束聚焦焦点深度与被检测区域的深度相同。其优点在于，能够保证超声波检测在被检测区域具有极高灵敏度，提高探测精度。

在本实施例中，所述声束聚焦焦点深度的计算方法为，

$Q=\frac{\frac{d}{cos\mathrm{\α}}+\frac{L}{2}}{\tan \arcsin \frac{C_{2}sin\mathrm{\α}}{C_1}}$

式中，Q为焦点中心点深度，α为超声入射角度，d为晶片直径，L为隔声层厚度，C₂为被检测材料声速，C₁为探头延迟块声速。

在本实施例中，所述步骤S1中的对比试块为人工裂纹螺栓，所述标准深度模拟裂纹的深度可以设置为0.5mm～2.0mm，宽度为0.13mm。例如，在一个备选实施例中，所述标准深度模拟裂纹的深度设置为0.6mm，在另一个备选实施例中，所述标准深度模拟裂纹的深度设置为1.5mm。检测声波的主声束和扩散声束能在螺栓头根部上产生回波而形成杂波，影响裂纹的判断，使用检测专用的对比试块寻找回波的规律性及有裂纹时回波的特点，可以据此判断是否有裂纹。

本发明还提供了一种螺栓裂纹检测装置，包含超声波探伤仪、超声波双晶探头、耦合剂、对比试块；所述耦合剂用于将所述超声波双晶探头耦合到被检测螺栓的钉盖上；所述超声波双晶探头通过信号线连接到所述超声波探伤仪。

如图2所示，在本实施例中，所述螺栓裂纹检测装置还包含隔声层，所述隔声层设置在发射晶片与接收晶片之间，用于分隔发射声路与接收声路。克服了发射声波和回波的互相干扰和阻塞，导致脉冲变窄，从而减小了超声波检测前端的盲区，使被检区域处于超声波的检测范围之内。

在本螺栓裂纹检测装置实施例中，所述超声波双晶探头包含发射晶片和接收晶片，所述发射晶片与所述接收晶片相向设置，两个晶片之间的夹角为12度。可以理解的是，所述发射晶片与所述接收晶片之间的夹角可以在10度至15度之间任意设定个，使得声束在一定深度范围内形成一个菱形交汇区。当检测范围处在菱形交汇区，特别是菱形交汇区中心交点附近时，探伤灵敏度极高。通过改变发射晶片角度，使两个晶片的超声波束聚焦于螺栓头根部区域，保障了超声波检测在该区域具有极高灵敏度。

在螺栓裂纹检测装置本实施例中，所述对比试块为人工裂纹螺栓，检测声波的主声束和扩散声束能在螺栓头根部上产生回波而形成杂波，影响裂纹的判断，使用检测专用的对比试块寻找回波的规律性及有裂纹时回波的特点，可以据此判断是否有裂纹。在本实施例中，模拟裂纹的深度可以设置为0.5mm～2.0mm，宽度为0.13mm。例如，例如，在一个备选实施例中，所述标准深度模拟裂纹的深度设置为0.6mm。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。