硅橡膠-鋼粘接質(zhì)量的超聲檢測(cè)

中航工業(yè)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 董德秀 朱 萍 柏 鎮(zhèn) 李 永

隨著膠接技術(shù)的快速發(fā)展，膠接結(jié)構(gòu)在航空、航天以及國(guó)防等重要領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，因此對(duì)膠接結(jié)構(gòu)粘接質(zhì)量的無損檢測(cè)要求也越來越高。某新型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇包容機(jī)匣組件首次采用硅橡膠-鋼粘接工藝制造，零件尺寸較大，粘接工藝不可避免地存在粘接不均勻、脫粘及密集型氣孔等缺陷，發(fā)動(dòng)機(jī)工作中硅橡膠與金屬脫粘部位易出現(xiàn)鼓包，導(dǎo)致風(fēng)扇葉片與機(jī)匣內(nèi)壁刮磨，產(chǎn)生振動(dòng)，同時(shí)會(huì)增大轉(zhuǎn)、靜子間隙，影響風(fēng)扇性能，所以膠接結(jié)構(gòu)件的粘接質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1]。采用先進(jìn)的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)風(fēng)扇包容機(jī)匣組件粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，對(duì)飛機(jī)的安全飛行，具有重要意義。

1 超聲檢測(cè)方案

膠接結(jié)構(gòu)的無損檢測(cè)方法主要包括聲振法、超聲法、紅外熱成像法、激光散斑成像檢測(cè)法等，其中超聲法應(yīng)用最為廣泛[2-3]。本文采用超聲法進(jìn)行硅橡膠-鋼粘接質(zhì)量研究。首先采用與風(fēng)扇包容機(jī)匣組件相同材料及工藝制造硅橡膠-鋼試驗(yàn)件，在試驗(yàn)件粘接層預(yù)埋聚四氟已烯薄片模擬脫粘缺陷，對(duì)試驗(yàn)件采用脈沖反射法和穿透法分別進(jìn)行超聲波C掃描檢測(cè)試驗(yàn)，獲得超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果圖像，然后將試驗(yàn)件解剖，得到了解剖后粘接層的真實(shí)信息，比較試驗(yàn)件超聲波C掃描檢測(cè)結(jié)果與解剖后粘接層實(shí)際結(jié)果，通過分析檢測(cè)結(jié)果確定超聲波檢測(cè)工藝。按確定的檢測(cè)工藝對(duì)風(fēng)扇包容機(jī)匣組件零件進(jìn)行超聲波檢測(cè)試驗(yàn)，獲得超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果圖像，并對(duì)試驗(yàn)后的零件解剖，比較零件超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果與解剖后粘接層實(shí)際結(jié)果，驗(yàn)證風(fēng)扇包容機(jī)匣超聲檢測(cè)工藝可行性。

2 試驗(yàn)件的超聲檢測(cè)

2.1 試驗(yàn)件的制備

風(fēng)扇包容機(jī)匣組件是采用膠粘劑將風(fēng)扇易磨環(huán)（硅橡膠）與風(fēng)扇包容機(jī)匣（鋼）粘接成組件。采用與零件相同的材料、工藝制造2個(gè)試驗(yàn)件，在每個(gè)試驗(yàn)件的粘接層上分別預(yù)埋聚四氟已烯薄片模擬脫粘缺陷。預(yù)埋的聚四氟已烯薄片尺寸分別為： 20mm×20mm、30mm×30mm，聚四氟已烯薄片厚度0.1mm，聚四氟已烯薄片采用兩層以保證脫粘缺陷的形成，試驗(yàn)件人工缺陷位置及尺寸設(shè)計(jì)圖見圖1。

2.2 試驗(yàn)件超聲脈沖反射法檢測(cè)

脈沖反射法原理：探頭發(fā)出的脈沖波通過水介質(zhì)傳播到試件內(nèi)部，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或試件底面的反射波的情況來對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)的方法[4]，脈沖反射法原理見圖2。脈沖發(fā)射法主要是檢測(cè)硅橡膠與鋼的粘接層缺陷，因此將閘門放在粘接層位置。

采用以色列SCANMASTER 公司生產(chǎn)的LS200超聲水浸檢測(cè)系統(tǒng)，采用頻率5MHz,晶片直徑19mm,焦距150mm水浸點(diǎn)聚焦探頭，硅橡膠側(cè)作為超聲波入射面，檢測(cè)時(shí)采用平面掃描方式，X軸為掃描軸，Y軸為步進(jìn)軸，將探頭焦點(diǎn)聚焦在試驗(yàn)件粘接層處，檢測(cè)過程由計(jì)算機(jī)程序控制，試驗(yàn)件超聲脈沖反射法C掃描檢測(cè)結(jié)果見圖3。

圖1 試驗(yàn)件1、2人工缺陷位置、尺寸設(shè)計(jì)圖（mm）Fig.1 Location and the size of artificial defects of the test piece1 and piece2 (mm)

圖2 脈沖反射法超聲檢測(cè)原理圖Fig.2 Illustrative diagram of pulse echo technique

2.3 試驗(yàn)件超聲穿透法檢測(cè)

穿透法檢測(cè)原理：穿透法采用兩只探頭，分別放置在試件兩側(cè)，一個(gè)將脈沖波發(fā)射到試件中，另一個(gè)接收穿透試件后的脈沖信號(hào)，依據(jù)脈沖波穿透試件后能量的變化來判斷內(nèi)部缺陷的情況[4]。穿透法檢測(cè)原理圖見圖4。零件粘接層有缺陷，穿透法表現(xiàn)為底波的變化，因此閘門監(jiān)控底波。

圖3 試驗(yàn)件1、2脈沖反射法C掃描圖像Fig.3 Pulse echo technique C-scan of test piece1 and piece2

圖4 穿透法超聲檢測(cè)原理圖Fig.4 Illustrative diagram of transmission technique

采用以色列SCANMASTER公司生產(chǎn)的DS-200超聲噴水檢測(cè)系統(tǒng)，采用頻率為1MHz、晶片直徑為19mm、焦距為48mm水浸點(diǎn)聚焦探頭，硅橡膠側(cè)探頭發(fā)射超聲波，鋼側(cè)探頭接收超聲波，檢測(cè)時(shí)采用平面掃描方式，X軸為掃描軸，Y軸為步進(jìn)軸，探頭噴水耦合，發(fā)射探頭與接收探頭同步運(yùn)行，試驗(yàn)件超聲穿透法C掃描檢測(cè)結(jié)果見圖5。

2.4 試驗(yàn)件解剖

為了驗(yàn)證脈沖反射法、穿透法超聲檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將試驗(yàn)件1、2解剖，比較兩種檢測(cè)方法C掃評(píng)定的缺陷尺寸與解剖后的試驗(yàn)件粘接層實(shí)際情況相符性。本試驗(yàn)采用兩種方法解剖：一是機(jī)械解剖——通過外力將硅橡膠與鋼金屬“撕開”；二是液氮冷凍解剖——將試驗(yàn)件放在液氮容器里，通過調(diào)整冷凍時(shí)間，將試驗(yàn)件硅橡膠與鋼金屬分開。為了比較機(jī)械解剖及液氮冷凍方法解剖后的試驗(yàn)件粘接面情況，將試驗(yàn)件1采用機(jī)械解剖，解剖后粘接面情況見圖6；試驗(yàn)件2采用液氮冷凍解剖，解剖后粘接面情況見圖7。

圖5 試驗(yàn)件1、2穿透法C掃描圖像Fig.5 Transmission technique C-scan of test piece1 and piece2

圖6 試驗(yàn)件1機(jī)械解剖表面圖Fig.6 Real situation of steel-side and rubber-side of test piece1 in laniating way

圖7 試驗(yàn)件2液氮冷凍解剖表面圖Fig.7 Real situation of rubber-side and steel-side of test piece1 in freezing way

3 零件的超聲檢測(cè)

風(fēng)扇包容機(jī)匣組件零件外廓尺寸約φ1.9m×0.38m，風(fēng)扇易磨環(huán)（硅橡膠）粘接在風(fēng)扇包容機(jī)匣內(nèi)壁，呈現(xiàn)黑色，風(fēng)扇包容機(jī)匣外部有3條加強(qiáng)筋，零件局部圖如圖8所示。

由于試驗(yàn)件的超聲脈沖發(fā)射法檢測(cè)與試驗(yàn)件解剖后的粘接面實(shí)際情況不同，脈沖發(fā)射法檢測(cè)不能反應(yīng)試驗(yàn)件粘接面缺陷的真實(shí)情況。因此，風(fēng)扇包容機(jī)匣組件零件采用穿透法檢測(cè)，采用的檢測(cè)設(shè)備、探頭及檢測(cè)參數(shù)與試驗(yàn)件穿透法檢測(cè)相同，零件穿透法C掃描檢測(cè)結(jié)果見圖9，從圖9超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果可以看出，零件局部有嚴(yán)重的脫粘缺陷。為了驗(yàn)證穿透法檢測(cè)結(jié)果的正確性，將零件存在脫粘部位采用機(jī)械方法解剖（由于該零件尺寸較大，液氮冷凍解剖無法實(shí)施），解剖后的粘接面情況見圖10。

圖8 風(fēng)扇包容機(jī)匣組件局部圖Fig.8 Partial view of fan cartridge receiver

圖9 風(fēng)扇包容機(jī)匣組件穿透法檢測(cè)超聲C掃描圖Fig.9 Transmission technique C-scan of fan cartridge receiver

圖10 風(fēng)扇包容機(jī)匣組件機(jī)械解剖圖Fig.10 Real situation of fan cartridge receiver in laniating way

4 檢測(cè)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)件的超聲檢測(cè)

4.1.1 脈沖發(fā)射法檢測(cè)結(jié)果分析

從圖3試驗(yàn)件脈沖反射法C掃描檢測(cè)圖像及圖6～7解剖后的粘接面實(shí)際情況來看，脈沖反射法檢測(cè)結(jié)果與解剖后粘接面實(shí)際情況差異很大。因?yàn)槊}沖反射法比穿透法多了1倍聲程，零件衰減嚴(yán)重，沒有底波，脈沖反射法閘門只能監(jiān)控粘接面位置。對(duì)于密集性氣孔缺陷，沒有反射波，反應(yīng)在底波降低，因此，超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果不能完全反應(yīng)零件粘接層的真實(shí)情況。

4.1.2 穿透法檢測(cè)結(jié)果分析

從圖5試驗(yàn)件穿透法C掃描檢測(cè)圖像與圖6～7解剖后的粘接面實(shí)際情況來看，穿透法檢測(cè)結(jié)果與解剖后粘接面實(shí)際情況幾乎相同。

（1）超聲穿透法檢查1號(hào)試驗(yàn)件，圖5（b）中的較規(guī)則缺陷C掃描缺陷顯示尺寸為28mm×29mm，機(jī)械解剖后測(cè)量缺陷尺寸為30mm×30mm；不規(guī)則缺陷C掃描顯示類似圓形，但從解剖后的粘接面實(shí)際情況來看，機(jī)械解剖破壞了不規(guī)則缺陷的具體粘接情況，不易比較。

（2）超聲穿透法檢查2號(hào)試驗(yàn)件，圖5（b）中超聲C掃描檢測(cè)的缺陷評(píng)定尺寸為30mm×29mm，液氮冷凍解剖后檢測(cè)缺陷尺寸為30mm×30mm。由于制造工藝的原因，另一缺陷形狀不規(guī)則，但穿透法檢查C掃描缺陷形貌與液氮冷凍解剖后缺陷形貌幾乎完全相同。

4.1.3 解剖結(jié)果分析

1號(hào)試驗(yàn)件機(jī)械解剖，從圖6可以看出，外力工具破壞了粘接面真實(shí)情況；2號(hào)試驗(yàn)件液氮冷凍解剖，從圖7可以看出，試驗(yàn)件粘接面平整，更接近真實(shí)情況。

4.2 零件的超聲檢測(cè)

從圖9可以看出，零件的超聲C掃描顯示中有8處缺陷，2處大缺陷，6處小缺陷。2處大缺陷超聲C掃顯示與機(jī)械解剖后的結(jié)果幾乎相同，6處小缺陷由于機(jī)械解剖所用工具對(duì)粘接面有所破壞，無法與C掃描圖像比較。圖9上規(guī)則的3條紅色顯示為零件的3條筋的結(jié)構(gòu)顯示。

5 結(jié)論

（1）硅橡膠-鋼粘接質(zhì)量超聲波脈沖反射法檢查，其聲程是穿透法的2倍，超聲波衰減嚴(yán)重，超聲波C掃描結(jié)果不能完全反映零件粘接缺陷的真實(shí)情況。

（2）硅橡膠-鋼粘接質(zhì)量超聲波穿透法檢查，其聲程是脈沖反射法的1/2，底波C掃描結(jié)果反映了零件粘接缺陷的真實(shí)情況，缺陷尺寸評(píng)定更接近真實(shí)值。

（3）液氮冷凍解剖與機(jī)械解剖相比，液氮冷凍解剖其粘接層表面更平整、易觀察、更接近真實(shí)情況。

（4）采用穿透法可以檢測(cè)風(fēng)扇包容機(jī)匣組件粘接質(zhì)量。

[1] 楊曉翔，張永弘，曲寶.橡膠-鋼雙材料界面斷裂韌性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 .大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，22(4)：63-65.

[2] 朱波，蔡珣，王成國(guó)，等. 聲發(fā)射特性與材料斷裂韌性相關(guān)性研究 . 物理學(xué)報(bào)，2003，52(8)：1960-1964.

[3] 李建文，王增勇，孫朝明，等.粘接質(zhì)量成像檢測(cè)研究.中國(guó)膠粘劑，2010,19(6)：1-3.

[4] 國(guó)防科技工業(yè)無損檢測(cè)人員資格鑒定與認(rèn)證培訓(xùn)教材編審委員會(huì).超聲檢測(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.