固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测

即在脱粘中心和脱粘边沿到晶片中心处的声压
图 5 圆晶片辐射的声场 F ig. 5 A cou st ic field of circa la r w afer rad ia t ion
3. 3 试块法确定探伤灵敏度 复合构件是利用试块进行对比检测来确定探伤
灵敏度的, 根据试块检测结果, 以 号试块 A 脱粘 (5 14mm 圆形) 为基准, 将探头对准A 脱粘, 调节仪 器衰减及增益旋钮, 使来自A 脱粘的多次反射波在 仪器示波屏水平刻度“8”格处波幅达 10% , 以此时 仪器面版上的衰减器分贝值作为探伤灵敏度, 灵敏 度调节好后, 分贝值固定不变。
4 喷管粘接界面的超声检测
4. 1 检测过程 被探产品金属件材料为 30C rM nSiA , 非金属件
材料采用高硅氧 酚醛, 被探部位曲率 5 284mm , 金 属件厚 4mm , 金属件与非金属绝热层之间用 944 胶
差为 6dB , 具体实施方法是: 发现脱粘后, 移动探头, 使荧光屏上的反射脉冲幅度达到最高, 然后再上下 左右移动探头, 当反射波幅各降为原来的一半时, 探 头中心线之间的位置即为脱粘的面积, 用 1∶1 比例 透明纸描出脱粘, 用求积仪计算出脱粘的面积。表 2 给出了某批次一些喷管粘接面探伤的检测结果。 4. 2 检则结果及分析
图 2 含有圆形及椭圆脱粘伤的试块 ( 号) F ig. 2 T he test b lock con ta in ing circu la r and
ova lo id shap ed bebond ing ( )
图 3 含自然缺陷的试块 ( 号) F ig. 3 T he test b lock con ta in ing na tu ra l
多 次反射波在示 波 屏 水 平 刻 度“6 ”格 处 波幅达 30% 以上, 在“8”格处波幅 达 10% 多 次反射波在示 波 屏 水 平 刻 度“8 ”格 处 波 幅 达 30% , 在“10”格 处 波 幅 达
20% 多次反射波在示波屏水平刻度“10”格 处波幅达 10% 到 30%
粘接, 产品验收要求: 脱粘面积不得大于总探伤面积
的 40%。
探伤灵敏度确定后, 即可对喷管金属与非金属
粘接界面进行探伤, 以 5 14mm 圆形脱粘为基准, 若
发现某位置的多次反射波在仪器示波屏水平刻度 8
格处波幅达 10% 以上, 则判为脱粘, 脱粘面积的确
定采用半波高度法, 其原理为: 入射声压经过脱粘
的十多次百分之百反射, 已接近球面波, 可用简化式
对两个实际喷管金属与非金属粘接界面, 采用 本文介绍的超声纵波多次反射法进行检验, 都能比 较准确地发现其内部脱粘缺陷。经对喷管解剖对照, 脱粘位置和脱粘面积也与检测结果吻合。
1 引言
固体火箭发动机喷管是由多种材料组成的复 合结构, 要承受高温、高速、高压的热烧蚀及冲刷, 工作环境苛刻, 因而要求每个部件都有高度的可靠 性, 喷管金属壳体与非金属粘接界面, 由于粘接时 工件清理不干净, 内衬与外壳配合不严, 胶层内部 气体未排净等原因, 极易产生脱粘, 尤其是间隙型 大面积脱粘, 对产品可靠性危害极大, 因而对其粘 接界面粘接质量的无损检测也是固体火箭发动机 生产中产品质量控制的关键工序, 各国都投入了大 量的人力物力开展固体火箭发动机各零、部组件无 损检测技术的研究, 对金属材料的超声波探伤已广 为应用, 而复合材料具有异向性高、声衰减大、结构 复杂等特性, 复合材料及其构件的超声波探伤是一 个薄弱环节, 据日本航空宇宙技术研究所“固体火 箭发动机超声波探伤”中报导, 他们曾采用超声波 多次反射法成功地对非金属包覆层和钢壳体粘接 面进行了检测, 经过多年的研究, 采用超声纵波多 次反射法对喷管金属壳体与非金属粘接界面的粘 接质量进行检测, 现已成功地用于产品的批量探 伤。
压的 86% , 透射波声压占 14% , 声波除反射外, 还
有一部分透射。
对于放大线性良好的超声波探伤仪, 仪器荧屏 上波高与声压成正比, 即任意相邻两波高之比等于 相应的声压之比, 二者的分贝差为
∃=
20 lg
P P
rr′20
lg
0.
1 86
=
1dB
通过一次脉冲反射后, 脱粘区与良好粘接区波
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赵慧蓉: 固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测
第2期
表 1 试块检测结果分析 Tab. 1 Ana lysis of the test results of the test block
区域
探伤仪显示情况
良好粘接区 A 脱粘区 B 脱粘区 C 脱粘区
多 次反射波在示 波 屏 水 平 刻 度“6 ”格 以内
高相差 1dB , 采用多次反射法, 当超声波垂直入射
到产品中时, 第一次反射回来的声压为
P 1 = (1 - R 1) (1 + R 1) R 2P 0e- 2Αt
第二次反射回来的声压为
P2 =
(1 -
R
1
)
2R
1R
2 2
P
0e-
2
2Αt
第 n 次反射回来的声压为
Pn =
(1 -
R
1)
2R
n1
1R
摘要: 介绍了超声纵波多次反射法在固体火箭发动机喷管金属与非金属复合构件粘接界面无损检测中的应用原理, 设计制 做了对比试块用来考查方法的探伤灵敏度, 并对实际样品进行了检测, 证明该方法适用于现场检测和阵地探伤。 主题词: 超声检验; 无损检验; 喷管; 粘接缺陷 中图分类号: V 435+·6 文献标识码: A
n 2
P
0e-
2
nΑt
式中 P 0 为到达金属层表面的声压; P n 为 n 次反
射后被探头接收的声压; R 1 为 A 界面的声压反射
率; R 2 为 B 面 (粘接界面) 的声压反射率; Α为金属
件的衰减系数; t 为金属件厚度。
对于给定的金属材料, 其厚度是一定的, 因而
Α、t 是不变的, 在选择了固定的耦合剂后, R 1 也为 常量, 多次反射后的声压 P n 只与 R 2 有关, 即只与 金属层与非金属层的粘接情况有关, 则
压; Z 0 为金属介质的声阻抗; Z 1 为空气介质的声阻
抗。
代入声阻抗数据计算表明, R≈ 1, 即存在脱粘
① 收稿日期: 1999211217。 作者简介: 赵慧蓉, 女, 29 岁, 助工, 从事复合材料无损检测。
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赵慧蓉: 固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测
∃dB =
20lg (P n 脱 P n 好) =
20 lg
0.
1 86n
n = 10 时, ∃dB = 13dB , 即超声纵波经过 10 次
反 射 后, 脱 粘 区 与 良 好 粘 接 区 的 反 射 波 幅 相 差
13dB 以上, 反映在仪器荧屏上, 脱粘区比良好粘接
区波幅增高、波次增多, 据此可很容易地将脱粘区
为了避免试块与被探产品声学性能的差异, 所 研制的 号试块 (图 2) 与被探产品的材料类型、厚 度、曲率、表面光洁度相同, 并且用与被探产品相同 的胶粘剂在金属粘接面上作出形状、大小不同的脱 粘伤。图 2 中A 为圆形脱粘 (14mm 2) , B 为椭圆形 脱粘 (330mm 2)。 号对比试块是从试验后的产品 上切割下来的含自然缺陷的试块 (图 3)。
2 检测原理
超声波是频率高于 20 000H z 的弹性振动波, 所谓纵波即波的传播方向与质点的运动方向相一 致, 粘接界面的脱粘伤是指不同材料界面未粘好而
形成的空气间隙型缺陷, 当超声纵波垂直穿过金属 与非金属粘接面时, 由于产品中两种介质的声阻抗 不同, 声波在界面会产生反射和透射, 声波的传播 路径如图 1 所示, 图中L 1 是入射波; L 2 是反射波; t 是透射波。 声波透过产品各层及界面, 分别穿过 三种介质即金属、空气和非金属。在这三种介质中, 纵波声速分别为 5 900、344 和 2 200m s; 声阻抗分 别为 4. 66×106 和 3. 63×105g·cm - 2·s- 1。
debond ing ( )
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固体火箭技术
第 23 卷
图 3 中 C 为不规则脱粘 (850mm 2)。 3. 2 试块的检测 3. 2. 1 扫描速度的调节
探伤所用仪器型号为 CT S222 型, 探头型号为 5P 14D , 探伤前应根据探测范围调节扫描速度, 使 仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值与实际声 程成一定的比例关系。被探喷管金属件厚 4mm , 采
(b) A 脱粘区 (圆形)
(c) B 脱粘区 (椭圆形)
(d) C 脱粘区 (不规则形)
图 4 对比试块检测结果
F ig. 4 T he test resu lt s of com p a ra t ive test b lock
从图 4 及表 1 可看出: a) 反射波前几次高度相差无几, 这是因为超声
波束并不是从波源开始扩散的, 而是在波源附近存 在一个不扩散的区域, 在未扩散区, 平均声压基本不 变, 圆晶片辐射的声场见图 5 所示;
b ) 良好粘接区, 声波除反射外, 还存在进入非 金属的透射波, 喷管非金属绝热层与金属钢件相比, 结构松散, 组织不均匀、晶粒粗大, 它对声能的衰减 比钢严重的多, 在 5M H z 频率下, 通过计算, 钢的衰
P=
P
0
Πd 2 4Κs
=
P
0
A
Κs
式中 P 0 为初始声压; d 为晶片直径; Κ为波长; s 为 距离; A 为晶片面积。
如果在同一条件下把它们的反射看作新的声
源, 脱粘区等于百分之百 A 面积发射, 半波时等于