由多種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，要承受高溫、高速、高壓的熱燒蝕及沖刷，工作環(huán)境苛刻，因而要求每個(gè)部件都有高度的可靠性，噴管金屬殼體與非金屬粘接界面，由于粘接時(shí)工件清理不干凈，內(nèi)襯與外殼配合不嚴(yán)，膠層內(nèi)部氣體未排凈等原因，極易產(chǎn)生脫粘，尤其是間隙型大面積脫粘，對產(chǎn)品可靠性危害極大，因而對其粘接界面粘接質(zhì)量的無損檢測也是固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵工序，各國都投入了大量的人力物力開展固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各零、部組件無損檢測技術(shù)的研究，對金屬材料的超聲波探傷已廣為應(yīng)用，而復(fù)合材料具有異向性高、聲衰減大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特性，復(fù)合材料及其構(gòu)件的超聲波探傷是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)日本航空宇宙技術(shù)研究所“固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)超聲波探傷”中報(bào)導(dǎo)，他們曾采用超聲波多次反射法成功地對非金屬包覆層和鋼殼體粘接面進(jìn)行了檢測，經(jīng)過多年的研究，采用超聲縱波多次反射法對噴管金屬殼體與非金屬粘接界面的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測，現(xiàn)已成功地用于產(chǎn)品的批量探傷。
2檢測原理超聲波是頻率高于20000Hz的彈性振動(dòng)波，所謂縱波即波的傳播方向與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向相一致，粘接界面的脫粘傷是指不同材料界面未粘好而形成的空氣間隙型缺陷，當(dāng)超聲縱波垂直穿過金屬與非金屬粘接面時(shí)，由于產(chǎn)品中兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，聲波在界面會產(chǎn)生反射和透射，聲波的傳播路徑如圖1所示，圖中L是入射波;L是反射波;t是透射波。聲波透過產(chǎn)品各層及界面，分別穿過三種介質(zhì)即金屬、空氣和非金屬。在這三種介質(zhì)中，縱波聲速分別為5900、344和2200m/s;聲阻抗分粘接界面存在脫粘時(shí)，相當(dāng)于超聲縱波垂直入射到金屬與空氣界面，此時(shí)界面的聲壓反射率為式中P為入射波聲壓;P為脫粘界面反射波聲為金屬介質(zhì)的聲阻抗;Z為空氣介質(zhì)的聲阻抗。
代入聲阻抗數(shù)據(jù)計(jì)算表明，R≈1，即存在脫粘固體火箭技術(shù)時(shí)，聲壓反射率趨于1，透射率趨于0，聲波在此近乎100%反射。但粘接良好時(shí)，界面的聲壓反射率不為0，計(jì)算式如下：式中r為良好粘接界面的聲壓反射率;P為良好粘接界面反射波聲壓;Z為非金屬介質(zhì)的聲阻抗。
計(jì)算得到即反射波聲壓占入射波聲壓的86%，透射波聲壓占14%，聲波除反射外，還有一部分透射。
對于放大線性良好的超聲波探傷儀，儀器熒屏上波高與聲壓成正比，即任意相鄰兩波高之比等于相應(yīng)的聲壓之比，二者的分貝差為通過一次脈沖反射后，脫粘區(qū)與良好粘接區(qū)波高相差1dB，采用多次反射法，當(dāng)超聲波垂直入射到產(chǎn)品中時(shí)，第一次反射回來的聲壓為第二次反射回來的聲壓為第n次反射回來的聲壓為式中P為到達(dá)金屬層表面的聲壓;P為n次反射后被探頭接收的聲壓;R為A界面的聲壓反射為面(粘接界面)的聲壓反射率;T為金屬件的衰減系數(shù);t為金屬件厚度。
對于給定的金屬材料，其厚度是一定的，因而T、t是不變的，在選擇了固定的耦合劑后，R也為常量，多次反射后的聲壓P只與R有關(guān)，即只與金屬層與非金屬層的粘接情況有關(guān)，則n脫n好n=10時(shí)，ΔdB=13dB，即超聲縱波經(jīng)過10次反射后，脫粘區(qū)與良好粘接區(qū)的反射波幅相差13dB以上，反映在儀器熒屏上，脫粘區(qū)比良好粘接區(qū)波幅增高、波次增多，據(jù)此可很容易地將脫粘區(qū)與良好粘接區(qū)分辨開來，進(jìn)而評價(jià)粘接質(zhì)量。
3對比試塊3.1設(shè)計(jì)與制做超聲波探傷都是通過觀察探傷儀熒光屏上反射回波的位置、波幅等特征來評判被探件質(zhì)量的優(yōu)劣，考慮到實(shí)際中形成的缺陷形狀各異，聲學(xué)關(guān)系復(fù)雜，難以定量計(jì)算分析，因而實(shí)際探傷時(shí)只能借助于已知特定形狀的人工缺陷來調(diào)節(jié)探傷靈敏度，并以此為尺度評價(jià)缺陷，保證檢驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)，運(yùn)用試塊作為參考依據(jù)進(jìn)行比較是超聲波探傷的一個(gè)特點(diǎn)。
為了避免試塊與被探產(chǎn)品聲學(xué)性能的差異，所研制的Ⅰ號試塊(圖2)與被探產(chǎn)品的材料類型、厚度、曲率、表面光潔度相同，并且用與被探產(chǎn)品相同的膠粘劑在金屬粘接面上作出形狀、大小不同的脫粘傷。圖2中A為圓形脫粘(14mm為橢圓形)。Ⅱ號對比試塊是從試驗(yàn)后的產(chǎn)品上切割下來的含自然缺陷的試塊(圖3)。
趙慧蓉：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管粘接界面的超聲檢測3.2試塊的檢測3.2.1掃描速度的調(diào)節(jié)探傷所用儀器型號為CTS-22型，探頭型號為探傷前應(yīng)根據(jù)探測范圍調(diào)節(jié)掃描速度，使儀器示波屏上時(shí)基掃描線的水平刻度值與實(shí)際聲程成一定的比例關(guān)系。被探噴管金屬件厚4mm，采用汕頭超聲儀器研究所生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)深度試塊調(diào)節(jié)掃描速度，調(diào)節(jié)儀器面板上的水平旋鈕及深度細(xì)調(diào)旋鈕，擴(kuò)大掃描量程，時(shí)基掃描線比例1∶2.5，接收到多次反射回波。
3.2.2試塊的檢測結(jié)果及分析試塊檢測結(jié)果的照片見圖4.試塊檢測結(jié)果的波形分析見表1.
(a)試塊良好粘接區(qū)(b)A脫粘區(qū)(圓形)(c)B脫粘區(qū)(橢圓形)(d)C脫粘區(qū)(不規(guī)則形)從圖4及表1可看出：a)反射波前幾次高度相差無幾，這是因?yàn)槌暡ㄊ⒉皇菑牟ㄔ撮_始擴(kuò)散的，而是在波源附近存在一個(gè)不擴(kuò)散的區(qū)域，在未擴(kuò)散區(qū)，平均聲壓基本不變，圓晶片輻射的聲場見圖5所示;b)良好粘接區(qū)，聲波除反射外，還存在進(jìn)入非金屬的透射波，噴管非金屬絕熱層與金屬鋼件相比，結(jié)構(gòu)松散，組織不均勻、晶粒粗大，它對聲能的衰減比鋼嚴(yán)重的多，在5MHz頻率下，通過計(jì)算，鋼的衰減系數(shù)小于0.002dB，非金屬絕熱層達(dá)到6dB/mm，這使得良好粘接時(shí)，進(jìn)入非金屬件的透射波被累次吸收，能量衰減大，在儀器示波屏水平刻度6格以內(nèi)，反射波包絡(luò)線呈光滑弧線快速下降;c)在脫粘區(qū)，入射波被百分之百反射，反射波的波次增多，在儀器示波屏水平刻度8格處至滿屏出波，比之良好粘接區(qū)，在示波屏同一水平刻度處，波幅增高，并隨脫粘面積的增大，波次越多，波幅越高，反射波包絡(luò)線呈鋸齒狀緩慢下降。
固體火箭技術(shù)區(qū)域探傷儀顯示情況良好粘接區(qū)多次反射波在示波屏水平刻度“6”格以內(nèi)A脫粘區(qū)多次反射波在示波屏水平刻度“6”格處波幅達(dá)30%以上，在“8”格處波幅脫粘區(qū)多次反射波在示波屏水平刻度“8”格處波幅達(dá)30%，在“10”格處波幅達(dá)C脫粘區(qū)多次反射波在示波屏水平刻度“10”格處波幅達(dá)10%到30%3.3試塊法確定探傷靈敏度復(fù)合構(gòu)件是利用試塊進(jìn)行對比檢測來確定探傷靈敏度的，根據(jù)試塊檢測結(jié)果，以Ⅰ號試塊A脫粘圓形)為基準(zhǔn)，將探頭對準(zhǔn)A脫粘，調(diào)節(jié)儀器衰減及增益旋鈕，使來自A脫粘的多次反射波在儀器示波屏水平刻度“8”格處波幅達(dá)10%，以此時(shí)儀器面版上的衰減器分貝值作為探傷靈敏度，靈敏度調(diào)節(jié)好后，分貝值固定不變。
4噴管粘接界面的超聲檢測4.1檢測過程被探產(chǎn)品金屬件材料為30CrMnSiA，非金屬件材料采用高硅氧/酚醛，被探部位曲率Υ284mm，金屬件厚4mm，金屬件與非金屬絕熱層之間用944膠粘接，產(chǎn)品驗(yàn)收要求：脫粘面積不得大于總探傷面積探傷靈敏度確定后，即可對噴管金屬與非金屬粘接界面進(jìn)行探傷，以Υ14mm圓形脫粘為基準(zhǔn)，若發(fā)現(xiàn)某位置的多次反射波在儀器示波屏水平刻度8格處波幅達(dá)10%以上，則判為脫粘，脫粘面積的確定采用半波高度法，其原理為：入射聲壓經(jīng)過脫粘的十多次百分之百反射，已接近球面波，可用簡化式式中P為初始聲壓;d為晶片直徑;λ為波長;s為距離;A為晶片面積。
如果在同一條件下把它們的反射看作新的聲源，脫粘區(qū)等于百分之百A面積發(fā)射，半波時(shí)等于A面積發(fā)射，則即在脫粘中心和脫粘邊沿到晶片中心處的聲壓差為6dB，具體實(shí)施方法是：發(fā)現(xiàn)脫粘后，移動(dòng)探頭，使熒光屏上的反射脈沖幅度達(dá)到最高，然后再上下左右移動(dòng)探頭，當(dāng)反射波幅各降為原來的一半時(shí)，探頭中心線之間的位置即為脫粘的面積，用1∶1比例透明紙描出脫粘，用求積儀計(jì)算出脫粘的面積。表2給出了某批次一些噴管粘接面探傷的檢測結(jié)果。
4.2檢則結(jié)果及分析對兩個(gè)實(shí)際噴管金屬與非金屬粘接界面，采用本文介紹的超聲縱波多次反射法進(jìn)行檢驗(yàn)，都能比較準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部脫粘缺陷。經(jīng)對噴管解剖對照，脫粘位置和脫粘面積也與檢測結(jié)果吻合。
在以后的應(yīng)用中，經(jīng)過近百臺產(chǎn)品的檢測，證明本方法可較準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)下列工件的內(nèi)部脫粘缺陷：a.間隙型大面積脫粘。這類脫粘多是由于工件清理不凈，內(nèi)襯與外殼配合不嚴(yán)、工件變形等原因造成，此時(shí)其粘接強(qiáng)度比良好粘接強(qiáng)度低，反映在儀器示波屏上，多次反射波幅在水平刻度“10”格處達(dá)30%左右。
b.孔隙型小塊脫粘。這類脫粘多是由于涂膠不固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管粘接界面的超聲檢測均、膠層內(nèi)部氣體未排凈和膠粘劑失效等原因造成，此時(shí)其粘接強(qiáng)度也低于良好粘接強(qiáng)度，反映在儀器示波屏上，多次反射波幅在水平刻度“8”格處達(dá)10%以上。
6結(jié)束語采用超聲波多次反射法，利用常規(guī)儀器設(shè)備，能較準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)粘接界面的各種脫粘缺陷。對固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管粘接界面的實(shí)際檢測證明，本方法適用于生產(chǎn)線上的現(xiàn)場檢測及陣地的探傷。