某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用殼體/絕熱層/包覆層/推進(jìn)劑的多界面結(jié)構(gòu)形式，其中絕熱層采用玻璃纖維纏繞成型后與鋼質(zhì)旋壓殼體膠接而成。

在膠接過(guò)程中，若存在殼體內(nèi)部多余物清理不干凈、絕熱層與殼體配合不嚴(yán)、膠層內(nèi)部氣體未排凈等情況，黏接層易產(chǎn)生脫黏缺陷，尤其間隙型大面積脫黏缺陷對(duì)產(chǎn)品可靠性的危害極大，該類(lèi)缺陷的存在往往會(huì)引起推進(jìn)劑的碎裂、燃面的急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒室壓力失控、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體燒穿等情況，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鸢l(fā)動(dòng)機(jī)爆炸等災(zāi)難性后果。因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室黏接界面進(jìn)行質(zhì)量控制和檢測(cè)顯得尤為重要。

1

試驗(yàn)對(duì)象及檢測(cè)需求

某型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體為一個(gè)帶有錐形過(guò)渡段的小直徑柱體結(jié)構(gòu)，殼體小端直徑約為44mm，大端直徑約為72mm，大小直徑端通過(guò)錐形段過(guò)渡，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體與絕熱層黏接結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體與絕熱層黏接結(jié)構(gòu)示意

上述產(chǎn)品在制造過(guò)程中，在殼體與絕熱層膠接結(jié)束后，需要對(duì)其膠接質(zhì)量進(jìn)行超聲檢測(cè)。目前，采用的檢測(cè)方法為超聲縱波多次反射法，其檢測(cè)原理是當(dāng)超聲縱波垂直穿過(guò)鋼殼體與絕熱層黏接面時(shí)，由于兩者的聲阻抗不同，聲波在界面處會(huì)產(chǎn)生反射和透射，若不考慮超聲波在耦合劑及鋼殼體中的聲衰減，則在鋼殼體與絕熱層界面處產(chǎn)生的一次反射回波的聲壓P1可簡(jiǎn)化為式(1)：

式中：P0為入射聲波聲壓；T12,T21為耦合劑與鋼殼體界面的透射系數(shù)；R23為鋼殼體與黏接層界面的反射系數(shù)；Z2為鋼的聲阻抗；Z3為黏接層的聲阻抗。

由式(1)可知，第n次反射回波聲壓只與反射系數(shù)R23有關(guān)，即Pn∝Rⁿ23。當(dāng)界面脫黏時(shí)，|R23|≈1，超聲反射回波聲壓(對(duì)應(yīng)回波信號(hào)幅值)隨反射次數(shù)的增加下降緩慢；當(dāng)界面黏接良好時(shí)，|R23|<1，超聲反射回波聲壓隨反射次數(shù)的增加迅速下降。這種差異在多次反射后可以明顯區(qū)分，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)殼體與絕熱層界面黏接質(zhì)量的檢測(cè)。

2

超聲C掃描系統(tǒng)的組成及主要工作流程

殼體/絕熱層膠接質(zhì)量的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)由x軸、y軸、z軸和r軸組成的4軸臥式系統(tǒng)。其中，硬件部分主要包括超聲儀和探頭、多軸運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械掃查模塊(其中：y軸和z軸用于檢測(cè)前探頭相對(duì)位置的調(diào)整，分別采用手動(dòng)和氣動(dòng)控制調(diào)節(jié)方式；x軸和r軸用于檢測(cè)過(guò)程中探頭與工件相對(duì)位置的運(yùn)動(dòng)控制，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)方式)、探頭夾持裝置、工件夾持裝置、工控機(jī)、機(jī)架主體、氣源等；軟件部分主要包括超聲信號(hào)采集控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、檢測(cè)圖像處理評(píng)估等程序。

系統(tǒng)的主要檢測(cè)流程為：

① 通過(guò)軟件界面設(shè)置超聲檢測(cè)及掃查參數(shù)；

② 將殼體橫向臥式放置于工件夾持裝置上；

③ 手動(dòng)調(diào)節(jié)y軸、探頭夾持裝置氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)z軸，使探頭下壓于殼體正上方；

④ 由多軸運(yùn)動(dòng)控制和驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)工件夾持裝置，帶動(dòng)殼體沿r軸360°旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)y軸、z軸、探頭夾持裝置及探頭所形成的組合體沿x軸(殼體軸向)移動(dòng)，完成殼體的自動(dòng)掃查檢測(cè)。

3

系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)解決方案

01

探頭耦合及密封設(shè)計(jì)

涉及的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室外部殼體材料為鋼，為了避免超聲檢測(cè)過(guò)程中耦合劑對(duì)鋼殼體表面的腐蝕影響，超聲Ｃ掃描檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用機(jī)油作為耦合劑。同時(shí)，為了確保探頭與殼體表面耦合良好，在耦合方式上仍然采用直接接觸法耦合，將探頭耦合楔塊加工成與殼體檢測(cè)面貼合較好的弧形結(jié)構(gòu)，并在楔塊上加工多個(gè)注油孔，采用局部噴油浸潤(rùn)的耦合方式，從而保證探頭與殼體有效接觸和良好耦合。

與此同時(shí)，考慮到殼體與絕熱層黏接界面的檢測(cè)為過(guò)程工序檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)束后絕熱層內(nèi)部還要進(jìn)行包覆層及推進(jìn)劑的裝填，因此檢測(cè)時(shí)不允許有機(jī)油滲漏到殼體內(nèi)部。而該檢測(cè)狀態(tài)下，殼體為中空結(jié)構(gòu)，且兩端分別有約50mm長(zhǎng)的純金屬端，金屬端周向分布有少量通孔或槽。針對(duì)上述問(wèn)題，除機(jī)械掃查參數(shù)行程設(shè)置上有效避開(kāi)兩側(cè)金屬端檢測(cè)區(qū)域外，同時(shí)在硬件上進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

① 工件夾持裝置采用頂針結(jié)構(gòu)，頂針端采用非金屬材料加工成圓錐狀，在實(shí)現(xiàn)快速夾持、端部?jī)?nèi)撐密封的情況下不會(huì)對(duì)工件表面造成機(jī)械損傷；

② 對(duì)金屬端通孔或槽部位采用具有一定寬度的彈性橡膠密封圈包裹，可以有效防止部分剩余的耦合機(jī)油從開(kāi)口的孔、槽部位滲入。

02

不同直徑端探頭的自適應(yīng)掃查設(shè)計(jì)

采用超聲縱波多次反射法進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，要確保入射聲束始終與待檢黏接面垂直，對(duì)于上述燃燒室殼體檢測(cè)，其機(jī)械掃查過(guò)程中需兼顧直徑為44mm和72mm的不同直徑端以及中間錐形過(guò)渡段的探頭聲束入射方向的自適應(yīng)調(diào)整問(wèn)題。

在對(duì)44mm和72mm直徑端檢測(cè)時(shí)，探頭始終位于殼體正上方，直徑變化對(duì)聲束垂直入射的影響較小，但考慮到工藝要求的最小可檢脫黏缺陷直徑為5mm，且在保證檢測(cè)效果的同時(shí)又要降低大尺寸探頭接觸耦合及聲束擴(kuò)散帶來(lái)的影響，最終選擇直徑為3mm的小晶片探頭進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)于錐形過(guò)渡段的探頭自適應(yīng)問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將探頭夾持端設(shè)計(jì)成可上下運(yùn)動(dòng)以及楔塊可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，檢測(cè)過(guò)渡段時(shí)通過(guò)探頭夾持裝置的氣動(dòng)下壓力確保探頭與檢測(cè)面始終貼合，同時(shí)利用探頭夾持端的楔塊自由轉(zhuǎn)動(dòng)以確保直筒和錐形段的有效過(guò)渡。

4

黏接殼體超聲Ｃ掃描檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證

01

對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)制作

為了進(jìn)一步驗(yàn)證超聲Ｃ掃描檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度、機(jī)械掃查裝置的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)制作了對(duì)比試塊，并開(kāi)展了檢測(cè)工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，試塊制作選用發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體與絕熱層黏接工件實(shí)物，采用機(jī)械切割方式將殼體中間半個(gè)柱體切除后，再通過(guò)鉆孔加工方式從絕熱層加工不同孔徑的平底孔，對(duì)比試塊中平底孔的孔徑及分布位置如下：

? 直筒段：孔徑分別為20，17，14，12.5，9.5，7，5mm

? 錐形段：孔徑分別為10，7，5mm

孔深為相應(yīng)部位絕熱層的厚度，從而確保所加工的平底孔的孔底部即為殼體與絕熱層的黏接面。

02

試驗(yàn)與應(yīng)用驗(yàn)證

采用研制的超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)上述發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體/絕熱層對(duì)比試塊中人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法為縱波多次反射法，探頭頻率為10MHz，掃查方式為切片掃查，切片掃查路徑示意如圖2所示，掃查間距和采樣間距均為2 mm，C掃描成像方式為波幅高度成像。得到的檢測(cè)結(jié)果如圖3～5所示，其中圖3為探頭位于對(duì)比試塊中人工缺陷部位時(shí)的A掃描信號(hào)波形，圖4為探頭位于黏接完好部位時(shí)的A掃描信號(hào)波形，圖5為整體掃查結(jié)束后所得到的C掃描檢測(cè)圖像。

圖2 切片掃查路徑示意

圖3 對(duì)比試塊中人工缺陷部位的A掃描信號(hào)波形

圖4 對(duì)比試塊中黏接完好部位的A掃描信號(hào)波形

圖5 對(duì)比試塊的整體C掃描檢測(cè)圖像

由圖5可以看出，在上述檢測(cè)工藝參數(shù)下，對(duì)比試塊中位于直筒段和錐形過(guò)渡段的Ф5mm及以上的人工缺陷均能夠有效檢出，檢測(cè)靈敏度滿足產(chǎn)品驗(yàn)收技術(shù)條件的需求。利用檢測(cè)軟件中的圖像處理評(píng)估功能，可實(shí)現(xiàn)缺陷面積測(cè)量，在降低人為因素影響的同時(shí)能夠有效提高檢測(cè)效率。此外，通過(guò)對(duì)不同批次的上百件產(chǎn)品的檢測(cè)應(yīng)用，驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)所采用的接觸式噴油耦合、過(guò)渡段自適應(yīng)掃查及端部密封設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，能滿足實(shí)際產(chǎn)品的批量自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用需求。

結(jié)

語(yǔ)

針對(duì)某固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體與絕熱層黏接結(jié)構(gòu)批量化的檢測(cè)需求，研制了自動(dòng)化超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)有效兼顧了殼體檢測(cè)過(guò)程中的表面銹蝕與內(nèi)腔滲油防護(hù)、殼體不同直徑端及錐形過(guò)渡段的自適應(yīng)檢測(cè)問(wèn)題，經(jīng)對(duì)比試塊工藝試驗(yàn)及工程應(yīng)用驗(yàn)證，表明該系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度、穩(wěn)定性均能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)于類(lèi)似發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體或管件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化超聲檢測(cè)具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者：王飛1，盛濤2，涂俊1，吳振成1

1.上海航天精密機(jī)械研究所

2.上海復(fù)合材料科技有限公司

作者簡(jiǎn)介：王飛，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2020年1期

無(wú)損檢測(cè)NDT

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的c++ 反射_固体火箭发动机黏接壳体超声C扫描检测系统研制与应用的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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