用于两端含交叉销孔的双头螺栓原位检测探头及双头螺栓原位检测方法与流程

本发明涉及无损检测，具体涉及一种用于两端含交叉销孔的双头螺栓原位检测探头及双头螺栓原位检测方法。

背景技术：

1、螺栓是结构连接的一种重要形式，广泛应用于航空、航天、国防装备、机械、能源动力等多个领域。在服役期间，受载荷、振动或应力腐蚀影响，螺栓易沿截面产生裂纹，且裂纹会不断扩展直至螺栓断裂失效，引发严重灾难性事故后果。因此，螺栓使用安全愈发受到重视，需定期对连接螺栓开展无损检测，及早发现裂纹、排除安全隐患。

2、双头螺栓作为航空结构的核心连接构件，凭借高强度、抗振性及可靠密封性，广泛应用于机翼与机身衔接、发动机舱固定、起落架关键部位等核心场景。其两端螺纹设计可精准适配不同部件装配需求，是航空装备轻量化、高可靠性设计中不可或缺的关键部件。因此，实现航空结构中双头螺栓的有效检测与评价，是保障航空器飞行安全的迫切需求。

3、对于螺栓结构的检测，传统检测方法是将螺栓从结构上拆卸下来逐一进行磁粉或渗透检测，工艺繁琐，拆卸工作量大，而且在螺栓拆卸和安装过程中，若操作不当，会导致螺栓与螺栓孔间产生间隙，从而导致使用过程中损伤概率增加，致使使用寿命减少甚至威胁到结构的使用安全。而对于现代航空结构，为保证高精度的配合需求，很多螺栓都采用的是实装配，一旦安装到位便无法实现无损的拆卸，导致传统的螺栓拆卸检查方案无法满足实际需求。

4、为此，近年来逐渐发展了面向连接螺栓的原位检测方法和技术，利用超声纵波从螺栓的端面实施检测是当前应用最为广泛的螺栓原位检测方法。其中，中国专利cn119757526a公开了一种基于脉冲反射超声的螺栓检测方法、装置和设备，该专利所述是采用小角度纵波（小于或等于10°角）从螺栓的端面进行探测的方法；中国专利cn108931579a公开了一种利用超声导波从螺栓端头进行无损检测的便携式超声导波相控阵螺栓检测系统；中国专利cn111595952a公开了一种利用超声相控阵检测技术从螺栓端头进行损伤检测的环阵探头及螺栓检测系统。中国专利cn114324598a公开了一种利用线阵列超声纵波扇形扫查技术从端面对单头螺栓进行检测的一种螺栓超声检测的高质量成像方法及系统。上述专利所述尽管使用了不同的超声波类型或探头构型，但其共同点就是都需要从螺栓的端面（两端平面）作为检测面来实施检测，这就要求靠近检测面的螺栓中不能存在径向贯穿的开孔或开槽，因为螺栓中靠近检测面的贯穿性径向开孔或开槽会阻碍超声波在螺栓中的传播，使得声波无法达到期望的检测区域。

5、图1所示为某飞机结构上起关键连接作用的螺栓结构图，该螺栓为双头螺栓，在服役过程中在螺栓下部的变截面区和螺纹根部区域容易产生疲劳裂纹（如图1中第一裂纹位置和第二裂纹位置），为此需要对该螺栓进行定期无损检测。由于装配后该螺栓的下半部分植入结构内部不可达且无法从结构中拆除，故现有螺栓检测常用的磁粉和渗透检测方法无法适用。而且由于该螺栓在两端螺纹区均有贯通的十字交叉开口销销孔，导致上述相关专利文件中所提及的从螺栓端面实施原位超声检测的技术方法也无法使用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本说明书实施例提供一种用于两端含交叉销孔的双头螺栓原位检测探头及双头螺栓原位检测方法，以达到无需从螺栓端面入射、不受交叉销孔声波传播路径阻挡即可在结构原位对螺栓实施全覆盖检测的目的。

2、本说明书实施例提供以下技术方案：

3、一种用于两端含交叉销孔的双头螺栓原位检测探头，包括：

4、相控阵探头楔块和线阵超声相控阵换能器；

5、相控阵探头楔块包括斜块和吸声块，斜块为直角梯形结构，斜块的底面为与两端含交叉销孔的双头螺栓外圆周面曲率半径相适配的圆弧面，斜块的顶面为倾斜面并作为安装面，线阵超声相控阵换能器固定设置于安装面上；

6、吸声块固定嵌设在斜块的前端，且吸声块的底面为与斜块的底面相衔接的圆弧面；

7、斜块上设置有耦合剂注入孔，耦合剂注入孔的一端位于斜块的顶面，另一端贯穿至斜块的底面；

8、线阵超声相控阵换能器用于发射和接收超声纵波，斜块用于将超声纵波转换为在两端含交叉销孔的双头螺栓中传播的超声横波，以实现扇形扫查检测。

9、进一步地，吸声块为三棱柱结构，三棱柱结构与设置在斜块前端的三角形斜槽相匹配，吸声块镶嵌于三角形斜槽内，并用于吸收斜块与两端含交叉销孔的双头螺栓界面处的反射声波。

10、进一步地，线阵超声相控阵换能器的探测面与斜块的安装面之间设置有耦合层界面，线阵超声相控阵换能器通过设置在外壳上的安装螺丝与斜块上的换能器安装孔固定连接；

11、线阵超声相控阵换能器还包括至少8个呈线性排布的压电阵元，且线阵超声相控阵换能器通过电缆与相控阵超声仪连接。

12、一种用于两端含交叉销孔的双头螺栓原位检测方法，基于双头螺栓原位检测探头，包括以下步骤：

13、设定相控阵超声仪的聚焦法则参数，使得超声横波在两端含交叉销孔的双头螺栓内部的折射角范围为35°至70°；

14、将双头螺栓原位检测探头耦合放置在两端含交叉销孔的双头螺栓的外圆周面上；

15、控制线阵超声相控阵换能器按聚焦法则参数激发超声横波射入两端含交叉销孔的双头螺栓内部，并接收由两端含交叉销孔的双头螺栓内部反射回来的检测回波信号；

16、获取螺栓对比试块上人工刻槽缺陷对应的参考回波信号的参考幅度数据和参考位置数据；

17、将检测回波信号依次经声程位置预比对和幅度比较后，输出裂纹判定结果。

18、进一步地，控制线阵超声相控阵换能器按聚焦法则参数激发超声横波射入两端含交叉销孔的双头螺栓内部，包括：

19、根据两端含交叉销孔的双头螺栓的轴向几何结构，将两端含交叉销孔的双头螺栓沿轴向划分为至少两个检测区域；

20、沿两端含交叉销孔的双头螺栓的轴向移动双头螺栓原位检测探头，并沿两端含交叉销孔的双头螺栓的周向转动双头螺栓原位检测探头；

21、当双头螺栓原位检测探头沿轴向移动至当前检测区域时，调用与当前检测区域对应的扇形扫查角度范围，扇形扫查角度范围位于折射角范围内，以控制线阵超声相控阵换能器在扇形扫查角度范围内激发超声横波。

22、进一步地，将双头螺栓原位检测探头耦合放置在两端含交叉销孔的双头螺栓的外圆周面上之后，通过耦合剂注入孔向双头螺栓原位检测探头与两端含交叉销孔的双头螺栓的外圆周面之间实时注入耦合剂。

23、进一步地，获取螺栓对比试块上人工刻槽缺陷对应的参考回波信号的参考幅度数据，包括：

24、将双头螺栓原位检测探头耦合放置于螺栓对比试块的外圆周面上，螺栓对比试块在同一轴向截面上的多个不同周向角度位置处分别设置有多个人工刻槽缺陷，各人工刻槽缺陷的深度相同；

25、控制线阵超声相控阵换能器执行扇形扫查，分别在多个不同周向角度位置处获取各人工刻槽缺陷各自对应的参考回波信号的参考幅度数据，计算各参考幅度数据的平均值，将平均值作为最终的参考幅度数据；

26、调节相控阵超声仪的增益值，直至最终的参考幅度数据达到满屏高度的预设百分比值，固定当前增益值，并将当前增益值保存为检测灵敏度参数。

27、进一步地，将检测回波信号依次经声程位置预比对和幅度比较后，输出裂纹判定结果，包括：

28、获取检测回波信号的声程位置数据；

29、获取螺栓对比试块上人工刻槽缺陷对应的参考位置数据；

30、计算声程位置数据与参考位置数据之间的偏差值；

31、当偏差值小于或等于预设阈值时，将该检测回波信号作为初选评定信号输出；

32、比较初选评定信号的幅度数据与所述参考幅度数据，当双头螺栓原位检测探头在两端含交叉销孔的双头螺栓上的位置与灵敏度调节时双头螺栓原位检测探头在螺栓对比试块上的位置偏差在预设位置阈值内，且初选评定信号的幅度数据大于或等于参考幅度数据的预设百分比值时，将两端含交叉销孔的双头螺栓存在裂纹作为判定结果。

33、进一步地，当将两端含交叉销孔的双头螺栓存在裂纹作为判定结果时，还包括：

34、读取初选评定信号对应的声程时间数据和双头螺栓原位检测探头在两端含交叉销孔的双头螺栓上的空间位置数据；

35、将声程时间数据乘以两端含交叉销孔的双头螺栓中的横波声速值，计算出声程距离数据；

36、根据双头螺栓原位检测探头的入射点位置、空间位置数据以及声程距离数据，计算并获得裂纹在两端含交叉销孔的双头螺栓中的三维空间坐标；

37、记录裂纹在两端含交叉销孔的双头螺栓的多个不同周向角度下各自对应的回波幅度数据，根据各回波幅度数据与各周向角度之间的对应关系，确定回波幅度数据为最大值时所对应的目标周向角度，根据目标周向角度修正三维空间坐标中的周向坐标，输出修正后的裂纹位置信息。

38、进一步地，获取螺栓对比试块上人工刻槽缺陷对应的参考回波信号的参考幅度数据，包括：

39、将双头螺栓原位检测探头耦合放置于螺栓对比试块的外圆周面上；

40、控制线阵超声相控阵换能器执行扇形扫查，接收由人工刻槽缺陷反射回来的参考回波信号；

41、提取参考回波信号的波峰幅值作为参考幅度数据；

42、调节相控阵超声仪的增益值，直至参考幅度数据达到满屏高度的预设百分比值，固定当前增益值，并将当前增益值保存为检测灵敏度参数。

43、与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：

44、通过楔块底面的圆弧面设计实现与螺栓外圆周面的面贴合，配合吸声块对界面反射波的吸收以及耦合剂注入孔的实时补液，能够在曲面检测条件下获得稳定、低噪声的回波信号，为后续裂纹识别提供可靠的原始数据。