某固體火箭發(fā)動機燃燒室采用殼體/絕熱層/包覆層/推進劑的多界面結構形式，其中絕熱層采用玻璃纖維纏繞成型后與鋼質旋壓殼體膠接而成。

在膠接過程中，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、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產(chǎn)品可靠性的危害極大，該類缺陷的存在往往會引起推進劑的碎裂、燃面的急劇增加，進而導致燃燒室壓力失控、發(fā)動機殼體燒穿等情況，嚴重時甚至會引起發(fā)動機爆炸等災難性后果。因此，對發(fā)動機燃燒室黏接界面進行質量控制和檢測顯得尤為重要。

1

試驗對象及檢測需求

某型發(fā)動機燃燒室殼體為一個帶有錐形過渡段的小直徑柱體結構，殼體小端直徑約為44mm，大端直徑約為72mm，大小直徑端通過錐形段過渡，固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體與絕熱層黏接結構示意如圖1所示。

圖1 固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體與絕熱層黏接結構示意

上述產(chǎn)品在制造過程中，在殼體與絕熱層膠接結束后，需要對其膠接質量進行超聲檢測。目前，采用的檢測方法為超聲縱波多次反射法，其檢測原理是當超聲縱波垂直穿過鋼殼體與絕熱層黏接面時，由于兩者的聲阻抗不同，聲波在界面處會產(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，即Pn∝Rⁿ23。當界面脫黏時，|R23|≈1，超聲反射回波聲壓(對應回波信號幅值)隨反射次數(shù)的增加下降緩慢；當界面黏接良好時，|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，進而可實現(xiàn)殼體與絕熱層界面黏接質量的檢測。

2

超聲C掃描系統(tǒng)的組成及主要工作流程

殼體/絕熱層膠接質量的超聲C掃描檢測系統(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、多軸運動控制和驅動模塊、機械掃查模塊(其中：y軸和z軸用于檢測前探頭相對位置的調(diào)整，分別采用手動和氣動控制調(diào)節(jié)方式；x軸和r軸用于檢測過程中探頭與工件相對位置的運動控制，采用電機驅動調(diào)節(jié)方式)、探頭夾持裝置、工件夾持裝置、工控機、機架主體、氣源等；軟件部分主要包括超聲信號采集控制、機械運動控制、檢測圖像處理評估等程序。

系統(tǒng)的主要檢測流程為：

① 通過軟件界面設置超聲檢測及掃查參數(shù)；

② 將殼體橫向臥式放置于工件夾持裝置上；

③ 手動調(diào)節(jié)y軸、探頭夾持裝置氣動驅動z軸，使探頭下壓于殼體正上方；

④ 由多軸運動控制和驅動模塊驅動工件夾持裝置，帶動殼體沿r軸360°旋轉，驅動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，完成殼體的自動掃查檢測。

3

系統(tǒng)關鍵技術解決方案

01

探頭耦合及密封設計

涉及的發(fā)動機燃燒室外部殼體材料為鋼，為了避免超聲檢測過程中耦合劑對鋼殼體表面的腐蝕影響，超聲Ｃ掃描檢測系統(tǒng)設計時采用機油作為耦合劑。同時，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面貼合較好的弧形結構，并在楔塊上加工多個注油孔，采用局部噴油浸潤的耦合方式，從而保證探頭與殼體有效接觸和良好耦合。

與此同時，考慮到殼體與絕熱層黏接界面的檢測為過程工序檢測，檢測結束后絕熱層內(nèi)部還要進行包覆層及推進劑的裝填，因此檢測時不允許有機油滲漏到殼體內(nèi)部。而該檢測狀態(tài)下，殼體為中空結構，且兩端分別有約50mm長的純金屬端，金屬端周向分布有少量通孔或槽。針對上述問題，除機械掃查參數(shù)行程設置上有效避開兩側金屬端檢測區(qū)域外，同時在硬件上進行了以下優(yōu)化設計：

① 工件夾持裝置采用頂針結構，頂針端采用非金屬材料加工成圓錐狀，在實現(xiàn)快速夾持、端部內(nèi)撐密封的情況下不會對工件表面造成機械損傷；

② 對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油從開口的孔、槽部位滲入。

02

不同直徑端探頭的自適應掃查設計

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

在對44mm和72mm直徑端檢測時，探頭始終位于殼體正上方，直徑變化對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，且在保證檢測效果的同時又要降低大尺寸探頭接觸耦合及聲束擴散帶來的影響，最終選擇直徑為3mm的小晶片探頭進行檢測。

對于錐形過渡段的探頭自適應問題，系統(tǒng)設計過程中，將探頭夾持端設計成可上下運動以及楔塊可以轉動調(diào)節(jié)，檢測過渡段時通過探頭夾持裝置的氣動下壓力確保探頭與檢測面始終貼合，同時利用探頭夾持端的楔塊自由轉動以確保直筒和錐形段的有效過渡。

4

黏接殼體超聲Ｃ掃描檢測試驗驗證

01

對比試塊的設計制作

為了進一步驗證超聲Ｃ掃描檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度、機械掃查裝置的穩(wěn)定性，設計制作了對比試塊，并開展了檢測工藝驗證試驗。其中，試塊制作選用發(fā)動機燃燒室殼體與絕熱層黏接工件實物，采用機械切割方式將殼體中間半個柱體切除后，再通過鉆孔加工方式從絕熱層加工不同孔徑的平底孔，對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

試驗與應用驗證

采用研制的超聲C掃描檢測系統(tǒng)對上述發(fā)動機燃燒室殼體/絕熱層對比試塊中人工缺陷進行檢測，檢測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。得到的檢測結果如圖3～5所示，其中圖3為探頭位于對比試塊中人工缺陷部位時的A掃描信號波形，圖4為探頭位于黏接完好部位時的A掃描信號波形，圖5為整體掃查結束后所得到的C掃描檢測圖像。

圖2 切片掃查路徑示意

圖3 對比試塊中人工缺陷部位的A掃描信號波形

圖4 對比試塊中黏接完好部位的A掃描信號波形

圖5 對比試塊的整體C掃描檢測圖像

由圖5可以看出，在上述檢測工藝參數(shù)下，對比試塊中位于直筒段和錐形過渡段的Ф5mm及以上的人工缺陷均能夠有效檢出，檢測靈敏度滿足產(chǎn)品驗收技術條件的需求。利用檢測軟件中的圖像處理評估功能，可實現(xiàn)缺陷面積測量，在降低人為因素影響的同時能夠有效提高檢測效率。此外，通過對不同批次的上百件產(chǎn)品的檢測應用，驗證了檢測系統(tǒng)所采用的接觸式噴油耦合、過渡段自適應掃查及端部密封設計合理，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，能滿足實際產(chǎn)品的批量自動檢測應用需求。

結

語

針對某固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體與絕熱層黏接結構批量化的檢測需求，研制了自動化超聲C掃描檢測系統(tǒng)，通過方案優(yōu)化設計有效兼顧了殼體檢測過程中的表面銹蝕與內(nèi)腔滲油防護、殼體不同直徑端及錐形過渡段的自適應檢測問題，經(jīng)對比試塊工藝試驗及工程應用驗證，表明該系統(tǒng)檢測靈敏度、穩(wěn)定性均能夠滿足實際應用需求，對于類似發(fā)動機燃燒室殼體或管件產(chǎn)品結構的自動化超聲檢測具有極大的推廣應用價值。

作者：王飛1，盛濤2，涂俊1，吳振成1

1.上海航天精密機械研究所

2.上海復合材料科技有限公司

作者簡介：王飛，高級工程師，主要從事無損檢測技術研究與應用工作。

來源：《無損檢測》2020年1期

無損檢測NDT

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總結

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