CN104181224A - 发动机涡轮叶片缺陷acfm检测激励台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于航空发动机涡轮叶片缺陷交流电磁场检测(简称ACFM)法的电磁激励台的设计和制作。ACFM检测法中需施加外加交变磁场激励，比涡流检测方法更适于检测铁基材料裂纹类缺陷，更易发现亚表面或更深处裂纹。本发明中针对叶片这种非规则曲面零件，设计了专门励磁和夹持机构，并设计了可产生空间旋转磁场的地磁激励台。由于实际叶片裂纹缺陷位置和方向是随机分布的，而ACFM检测方法对不同方向裂纹检测灵敏度不同，故空间旋转磁场对不同方向的裂纹均可较好磁化，保证了较好的检测灵敏度。本激励台可在一定范围内调节激励强度和频率，经仿真计算和实际测试表明，可以满足铁基涡轮叶片的检测需求，且效果良好。

Description

发动机涡轮叶片缺陷ACFM检测激励台

技术领域

本发明用于进行交变磁场法(简称ACFM法)进行叶片类曲面零件无损检测时外加励磁装置研制。ACFM法是电磁无损检测技术的重要组成部分，在进行曲面零件缺陷检测时，可以比涡流检测法施加更大的激励信号能量，信号频率也更低，因而可以检测亚表面裂纹和埋藏更深的裂纹缺陷。为了对叶片上随机分布的不同方向裂纹均有较好的检测灵敏度，该激励装置可以实现匀强磁场的旋转，使叶片不同方向实现均匀磁化。 

背景技术

ACFM法是上世纪80年代国际上出现的一种电磁无损检测技术。这种方法以交变电流激发被测试件产生交变磁场，通过测量磁场变化实现表面和亚表面缺陷的定性和定量评价。这种技术以电磁理论数学模型为基础，由于不需要预先标定、能够实现非接触检测以及被测对象无需去除锈蚀和油漆层等，因此，非常适用于铁磁和非铁磁类导电体。 

航空发动机叶片类零件，其特点是属于小曲率非规则曲面，工作时承受气压和温度载荷，极易产生疲劳损伤，因此出厂前和使用中对叶片损伤进行及时检测，对于防止事故发生十分重要。目前在用的对叶片零件的缺陷检测方法，主要有磁粉检测法和渗透检测法等，虽然检测结果可靠，容易判读，但自动化程度低、人工依赖性强。 

开展叶片类零件ACFM法检测研究，十分必要。该方法不仅可以提升检测技术自动化水平，适应大批量生产需要，而且可以降低因人工疲劳产生的不确定因素，发现人工难以发现的亚表层和内部缺陷。 

利用ACFM法进行叶片类曲面零件的检测，要解决的一个问题是如何对零件施加电磁激励。因为曲面零件边缘不规则，必须实现较好的接触，才能降低磁路磁阻，实现有效的磁激励。第二个问题是如何对叶片上随机分布的裂纹缺陷进行有效检测，因为ACFM法对不同裂纹走向检测灵敏度也不同，施加电磁激励场时，必须考虑对不同走向裂纹都可进行有效激励。 

本专利针对上述问题，提出了一种解决方案，对ACFM法在曲面零件缺陷检测中的应用，具有重要参考意义。 

发明内容

本发明的目的在于利用线圈通电产生磁场的原理设计可用于ACFM无损检测的外加激励装置，设计一种可以对试件进行空间磁化，可调节磁场方向、强度的装置。该装置既可以根据需要，实现X和Y的单方向磁化，也可以实现旋转磁化。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

所设计的励磁装置为正方形台式结构，如图1所示。磁化功能由安装在工作台四周的16个8对立式磁化线圈1、2、3、4来完成；在X、Y方向分别布置4对线圈1和3，2和4，每个线圈安装在退火低碳钢制作的铁芯上，以增加磁力；因为叶片面积较大，适当增加线圈数量，可以增加磁化均匀性，保证磁化效果。线圈和激励台上面四周金属条5、下面金属底板6构成导磁通路，当把被测叶片试件(图2中7)放在工作台上面时，可以形成闭合回路，从而对叶片试件形成有效磁化。 

当1对线圈内通以激励电流时，则在沿线圈的连线方向上产生稳定的激励磁场；当在同一方向的两对至四对绕组内同时施加激励电流时，则会在激励台上单一方向产生较强激励磁场；在X、Y方向的几对绕组上同时通以激励电流时，会产生某一角度的、方向稳定的激励磁场；当分别在X、Y方向上通以幅值、频率相同，相角相差90度的正弦激励电流时，会产生幅值恒定、方向变化的匀强磁场。理论上讲，通过改变激励绕组的个数与激励电流的大小，该激励台可以得到任意方向、任意大小的磁场。 

由于发动机叶片属于非规则小曲率曲面零件，有叶尖、榫头等部分，给固定带来实质困难，为此，在激励台上专门设计了固定、夹持、导磁装置8。由厚度为5mm的低碳钢退火金属板，经过修磨，以实现和叶片曲面边缘的配合，以及均布的固定压紧螺钉9实现叶片的压紧和固定。 

通过激励工作台的接线柱连接引线，连接外部电子驱动电路，进行工作台激励。由函数发生芯片MA03B产生正弦波，由组成推挽形式的功率放大芯片TDA2030驱动线圈，由Ua741移相器在X、Y方向产生900相差实现工作台的旋转磁化。 

叶片上缺陷信号拾取，由所设计的三维磁敏传感器完成。传感器的结构为：由二轴AMR磁敏电阻HMC1022和差动式线圈组成三维磁场分量测试传感器，磁敏电阻负责拾取X、Y两维切向磁场强度分量；差动式线圈负责拾取Z向法向磁场强度信号。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明： 

图1是电磁激励工作台三维造型图； 

图2是励磁工作台安装叶片的实物图； 

图3是电磁激励工作台实物图； 

图4是工作台旋转磁化示意图； 

图5是叶片在工作台上磁化激励和拾取信号总体电路图； 

图6是驱动各绕组的电路关系图； 

图7是三维传感器实物图； 

图8是励磁工作台总体工作图； 

图9是线圈励磁驱动电路图(4组)； 

图10是正弦信号产生和移相电路图； 

图11是工作台励磁电路实物图； 

图12是磁传感器沿裂纹不同角度扫描B_x信号输出结果； 

(a)和裂纹成30°交角；(b)和裂纹成45°交角；(c)和裂纹成90°交角。 

图13是磁传感器沿裂纹不同角度扫描B_y信号输出结果； 

(a)和裂纹成30°交角；(b)和裂纹成45°交角；(c)和裂纹成90°交角。 

图14是磁传感器沿裂纹不同角度扫描B_z信号输出结果； 

(a)和裂纹成30°交角；(b)和裂纹成45°交角；(c)和裂纹成90°交角。 

有益效果 

本发明为ACFM电磁无损检测提供了一种电磁激励装置，该装置可根据需要，实现单方向磁化，也可以实现旋转磁化，且方向、磁场可以调节；既可以用于实验研究，也可以用于工程实践。 

具体实施方式

以某型发动机铁基叶片为例，用微细电火花蚀刻加工方式在叶面上加工出长×宽×深为5mm×0.1mm×0.2mm的槽形伤，将叶片安装固定在电磁激励台上(如图2)，接通激励电源，使工作台处于工作状态(如图8)，将传感器接通电源，和示波器或采集卡相连，将传感器沿叶片上裂纹处轻轻划过，则传感器中会 有三维信号输出；当改变传感器方向，沿裂纹不同方向扫查时，均可以发现缺陷信号波型(如图12，13，14)。 

本实施例仅为对叶片试件进行励磁的工作过程，当更换固定和夹持装置后，还可以对其它试件进行有效励磁，可形成较好的空间磁场，便于研究人员对其他物体在空间磁场的影响下进行研究。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都包含于本发明保护的范围。 

Claims (5)

1.一种适用于航空涡轮发动机曲面叶片交流电磁场检测(ACFM)的电磁激励台结构方案。该激励台由激励线圈、导磁元件、叶片固定夹紧装置、引线柱、激励台底面、旋转磁化激励电路等组成。其基本特征在于：

(1)该激励台为正方形结构，周围安装16个立式磁化线圈，每个线圈安装退火低碳钢磁化铁芯，以实现试件沿X、Y方向的磁化；

(2)激励台通过修配的曲面导磁元件和固定螺钉安装曲面叶片，以实现叶片试件的有效磁化；

(3)激励台通过施加正余弦交变电流，来产生磁化方向旋转的激励磁场，以保证对叶片零件不同方向上裂纹均具有较高的检测灵敏度，实现叶片上随机出现裂纹的有效检测。

2.根据权利1要求所述的电磁激励台，由16个绕制圈数为400匝的立式激励线圈、曲面叶片零件定位夹紧机构、导磁元件、引线柱、旋转激励磁化电路等部分组成。

3.根据权利1要求的激励台叶片导磁部分，由厚度为5mm的低碳钢退火金属板，经过修磨，以实现和叶片曲面边缘的配合，以及均布的固定压紧螺钉实现的。

4.根据权利1要求ACFM检测传感器，其结构为：由二轴AMR磁敏电阻HMC1022和差动式线圈组成三维磁场分量测试传感器，磁敏电阻负责拾取X、Y两维切向磁场强度分量；差动式线圈负责拾取Z向法向磁场强度信号。

5.根据权利1要求的激励台旋转磁场的产生，由函数发生芯片MA03B产生正弦波，由组成推挽形式的功率放大芯片TDA2030驱动线圈，由Ua741移相器在X、Y方向产生90°相差实现的。具体原理为：

在X、Y向两组激励线圈中(每组4对8个)分别通以大小、频率相同、相位相差90°的正弦激励信号：

式中，f为激励线圈电流频率，φ₀为初始相位，I₀为幅值。

试件表面的感应电流幅值和相位为

$\left|I\right|=\sqrt{I_x^2+I_y^2}=I_0$

由上式可知，正交激励线圈在试件中产生的感应电流大小保持不变，方向随时间发生周期性匀速旋转。使得对任意方向裂纹都有较高检测灵敏度的目的，使缺陷形状、方位的判定成为可能。