超聲端點(diǎn)反射法檢測(cè)PBX表面裂紋深度

宗和厚, 張偉斌, 肖 麗, 周海強(qiáng), 楊占鋒

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(polymer bonded explosive,PBX)具有高能量密度、優(yōu)良的機(jī)械性能和較高的安全性能，廣泛應(yīng)用于國(guó)防領(lǐng)域。但PBX屬于非均質(zhì)脆性材料，在壓制、機(jī)加、后處理等過程中可能會(huì)產(chǎn)生裂紋，其中表面裂紋嚴(yán)重影響炸藥結(jié)構(gòu)組件的力學(xué)性能及爆轟性能。如裂紋端點(diǎn)處容易形成應(yīng)力集中，在外力的作用或影響下裂紋會(huì)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致炸藥力學(xué)性能劣化。裂紋作為炸藥材料缺陷的一種典型形態(tài)，對(duì)“熱點(diǎn)”的形成具有重要影響，從而影響炸藥的感度及爆轟等性能[1]。另外，裂紋的存在也直接影響炸藥材料的應(yīng)用與加工，因此確定裂紋深度進(jìn)而消除裂紋對(duì)保證炸藥性能具有重要意義。

目前，裂紋的表征及無(wú)損評(píng)價(jià)在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注[2-9]，這些公開文獻(xiàn)的研究對(duì)象主要為不銹鋼、鎳等金屬材料。對(duì)炸藥的研究主要集中在定性分析外力或溫度等影響下的損傷。張偉斌等[10]研究了TATB基PBX不同成型方式初始損傷的微結(jié)構(gòu)無(wú)損表征，易俊婷等[11]對(duì)PBX炸藥進(jìn)行了溫度損傷實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明低溫貯存、溫度沖擊使炸藥件內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，但并未對(duì)產(chǎn)生的裂紋深度、大小進(jìn)行測(cè)量。戴斌等[12]采用微焦點(diǎn)CT成像技術(shù)研究了不同溫度沖擊下，PBX損傷破壞的機(jī)理及其內(nèi)部裂紋的形態(tài)及擴(kuò)展方式。對(duì)裂紋的檢測(cè)主要有超聲波、X射線照相及CT成像等方法。X射線照相法只有當(dāng)射線束的方向與裂紋方向平行時(shí)檢測(cè)效果好，且只能得到裂紋的二維尺寸，且對(duì)表面細(xì)小裂紋檢測(cè)靈敏度差。CT成像技術(shù)對(duì)裂紋缺陷的定位定量分析具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，但難以分辨大試件內(nèi)微間隙裂紋。超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用廣泛，而超聲波端點(diǎn)反射法在裂紋檢測(cè)中的檢測(cè)誤差小、靈敏度高，對(duì)裂紋的檢測(cè)靈敏度已經(jīng)得到認(rèn)可[13-14]。在金屬材料檢測(cè)應(yīng)用中已有研究[15-16]，但該方法在炸藥材料中的檢測(cè)應(yīng)用還未見報(bào)道，目前還沒有快速有效的方法準(zhǔn)確測(cè)量炸藥表面裂紋特別是毫米量級(jí)裂紋深度。

為此，本研究擬建立端點(diǎn)反射法測(cè)量炸藥表面裂紋深度的方法，以定量檢測(cè)HMX基PBX炸藥表面裂紋深度，同時(shí)采用X射線微焦點(diǎn)CT(X-μCT)成像技術(shù)[17]對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，分析超聲波端點(diǎn)反射法測(cè)量炸藥表面裂紋深度的準(zhǔn)確性，為PBX基炸藥表面裂紋檢測(cè)提供一種無(wú)損、便捷、有效的技術(shù)手段。

2 試驗(yàn)方法

2.1 超聲端點(diǎn)反射法

超聲波斜入射進(jìn)入炸藥件，在炸藥中產(chǎn)生折射，當(dāng)超聲波折射到裂紋端部時(shí)有一部分將沿著原路反射，稱為端部反射波。由惠更斯原理[13]知，橫波在裂紋尖端會(huì)形成次波源而產(chǎn)生衍射，稱為端部衍射波。如果端部有一反射面與入射波方向垂直，則反射波的強(qiáng)度很大，衍射波強(qiáng)度減弱甚至消失。端點(diǎn)反射法就是依據(jù)此理論來(lái)測(cè)量裂紋的深度[9]，測(cè)量炸藥裂紋深度示意圖如圖1所示。

圖1端點(diǎn)反射法測(cè)量炸藥裂紋深度示意圖

Fig.1Sketch map of measuring the crack depth of explosive by tip echo method

當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)傾斜入射到另一中介質(zhì)時(shí)，滿足折射定律[13]：

(1)

式中，α為斜探頭的入射角，°；β為超聲波在炸藥內(nèi)的折射角，°；c1為超聲波在有機(jī)玻璃楔塊中的聲速，m·s-1；c2為超聲波在炸藥中的聲速，m·s-1。

根據(jù)探頭入射角、有機(jī)玻璃中聲速、炸藥材料中聲速及三角函數(shù)關(guān)系可得裂紋深度H：

H=Wcosβ

(2)

式中，H為裂紋深度，mm；W為超聲波聲程，mm。

2.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品為HMX基PBX壓制炸藥塊，大小約200 mm×400 mm，厚度不等(40～80 mm)，表面均有未知深度的自然裂紋。試驗(yàn)樣品均由化工材料研究所生產(chǎn)，樣品編號(hào)分別為1#～10#。

2.3 試塊設(shè)計(jì)與加工

為保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可比性，采用材質(zhì)及成型方式均與待測(cè)的HMX基PBX炸藥相同的試塊，通過機(jī)械加工在其端面設(shè)計(jì)加工深度分別為1.0，3.0，5.0，10.0 mm的槽用以模擬裂紋，槽寬約1.5 mm，長(zhǎng)度為20.0 mm，分別加工在2個(gè)試塊上，試塊截面示意圖如圖2所示。

a. specimen 1

b. specimen 2

圖2試塊截面示意圖

Fig.2Schematic diagrams of the cross section of specimens

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置及參數(shù)確定

2.4.1 試驗(yàn)裝置及條件

探傷儀：CTS-9009PLUS型超聲探傷儀，汕頭超聲儀器研究所研制生產(chǎn)； 探頭：2.5P13×13K2斜探頭(入射角49.1°)，汕頭超聲儀器研究所研制生產(chǎn)； 耦合劑：自來(lái)水。

2.4.2 斜探頭校準(zhǔn)

采用CSK-ⅠA標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)量探頭的零點(diǎn)值(z)和前沿值(l)。

2.4.3 試件聲速測(cè)量

由于炸藥材料的縱波聲速與有機(jī)玻璃聲速相當(dāng)，因此采用縱波法檢測(cè)，即聲波首先達(dá)到反射面的波作為檢測(cè)波?？刹捎盟x用的斜探頭測(cè)量縱波聲速，首先設(shè)置探頭零點(diǎn)，再根據(jù)炸藥件厚度調(diào)整超聲波聲速，使測(cè)量厚度與炸藥件厚度一致，這時(shí)聲速即為超聲波在所測(cè)量炸藥試件中的聲速(c2)。

2.4.4 折射角測(cè)量

在試塊上測(cè)量斜探頭的折射角。調(diào)整超聲波反射波到最高位置，這時(shí)測(cè)量前沿到模擬試塊的邊緣距離及試塊厚度和已獲得的探頭前沿值(l)，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可以得到探頭在PBX炸藥中的折射角(β)，并通過多次測(cè)量，取其平均值。其測(cè)量結(jié)果見表1。

2.5 掃查方式

采用超聲波斜探頭在表面不同方向來(lái)回掃查。當(dāng)超聲波遇到裂紋時(shí)會(huì)產(chǎn)生脈沖反射回波，調(diào)整回波達(dá)到最大值即為裂紋的端點(diǎn)，根據(jù)回波聲程及聲波傳播的三角關(guān)系即可獲得裂紋的深度及位置。

表1超聲縱波斜探頭及炸藥聲學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

Table1Measurement results of the ultrasonic longitudinal wave angle probe parameters

parameterl/mmz/μsc2/m·s-1β/(°)valueofmeasurement11．07．3306160．6

Note:lis front edge,zis zero point,c2is sound velocity,βis angle of refraction

3 結(jié)果與分析

3.1 超聲端點(diǎn)反射法測(cè)量預(yù)制裂紋深度

采用試驗(yàn)所用斜探頭及測(cè)量得到的參數(shù)，即超聲波在炸藥中的折射角β、炸藥材料的聲速c2，探頭前沿l、零點(diǎn)z測(cè)量已知缺陷。已知缺陷即為試塊上已知加工深度的預(yù)制裂紋。試塊上預(yù)制裂紋深度測(cè)量典型超聲波圖形如圖3所示。由圖3可見，當(dāng)探頭經(jīng)過裂紋區(qū)域時(shí)，會(huì)有明顯的反射回波，通過計(jì)算可得裂紋的深度值。由于預(yù)制裂紋表面光滑，回波信號(hào)雜波較少。

a. 3.0 mm

b. 5.0 mm

圖3試塊裂紋回波信號(hào)

Fig.3Echo signal of the crack of specimens

表2為試塊預(yù)制裂紋深度的超聲端點(diǎn)反射法檢測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較。實(shí)測(cè)值為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)得，由于三坐標(biāo)測(cè)量誤差在千分位，故認(rèn)為是預(yù)制裂紋的真實(shí)深度。由表2可見，端點(diǎn)反射法對(duì)1～10.0 mm范圍內(nèi)4種不同深度的預(yù)制裂紋的檢測(cè)與真實(shí)深度絕對(duì)誤差最大值為0.54 mm，誤差均在±1.0 mm之內(nèi)，且隨著裂紋深度的增加，測(cè)量誤差呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明該方法對(duì)炸藥表面裂紋深度的無(wú)損檢測(cè)準(zhǔn)確可行。

表2預(yù)制裂紋深度檢測(cè)結(jié)果和真實(shí)值的比較

Table2Comparison of prefab cracks of the experiment results with the measurement ones

processdepthofprefabcracks/mmmeasuringdepthofobjection/mmvaluefromtipechomethod/mmerror/mm1．0 1．14 1．68 0．543．0 3．76 4．27 0．515．0 5．47 5．38-0．0910．0 10．56 10．78 0．22

分析認(rèn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的裂紋深度與其真實(shí)值的差異主要來(lái)源有： 炸藥作為一種不均勻顆粒壓制材料，內(nèi)部的密度差異及微缺陷等都可能引起聲速的差異，此外，溫度是影響測(cè)量聲速的主要因素，由于超聲波的傳播時(shí)間是炸藥裂紋深度測(cè)量的中間結(jié)果，因此聲速的設(shè)置直接影響裂紋深度測(cè)量的誤差。為降低聲速測(cè)量誤差，本實(shí)驗(yàn)采用多次多點(diǎn)測(cè)量其均值的方法使誤差盡可能減小，并控制實(shí)驗(yàn)室溫差小于5 ℃。誤差還可能來(lái)源于儀器線性以及儀器與探頭組合的系統(tǒng)誤差。本實(shí)驗(yàn)采用了在試塊上多次校驗(yàn)以使誤差最小化。

3.2 表面裂紋深度檢測(cè)

斜探頭超聲檢測(cè)HMX基PBX炸藥樣品表面開口裂紋，其典型波形圖(2#、5#和7#)如圖4所示。比較圖4和圖3，可見HMX基PBX炸藥樣品表面開口裂紋的回波信號(hào)基本與模擬試塊相似，圖中所示W(wǎng)和H分別為最大回波時(shí)的聲程和對(duì)應(yīng)的深度。

對(duì)樣品逐一進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)聲程及斜入射三角函數(shù)計(jì)算獲得裂紋的深度，結(jié)果見表3。由表3可見，采用超聲波端點(diǎn)反射法可以測(cè)量炸藥表面深度在1.0～35.0 mm的開口裂紋的深度。

表3HMX基PBX炸藥最大裂紋深度實(shí)測(cè)結(jié)果

Table3Measurement results of the maximum surface crack depth results of HMX based PBX

No．1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#maximumcrackdepth/mm7．025．384．106．516．4811．506．926．796．2934．56

a. 2#b. 5#c. 7#

圖4HMX基PBX炸藥表面裂紋深度檢測(cè)典型波形圖

Fig.4Typical echo signal of the surface crack depth detection of HMX based PBX

3.3 表面裂紋深度CT驗(yàn)證

為進(jìn)一步檢驗(yàn)端點(diǎn)反射法測(cè)量HMX基PBX炸藥表面裂紋深度的準(zhǔn)確性，采用X-μCT技術(shù)檢測(cè)10#樣品裂紋最大深度為34.37 mm，10#樣品裂紋表面實(shí)物圖及X-μCT定量檢測(cè)結(jié)果如圖5所示?？梢?，超聲波端點(diǎn)反射法檢測(cè)結(jié)果(34.56 mm)與X-μCT檢測(cè)結(jié)果差值為0.19 mm，說(shuō)明超聲波端點(diǎn)反射法定量檢測(cè)HMX基PBX炸藥表面裂紋的準(zhǔn)確性較高。

a. physical mapb. crack depth by X-μCT

圖510#樣品實(shí)物及裂紋深度X-μCT檢測(cè)結(jié)果

Fig.510#sample and detection results of crack depth by X-μCT

4 結(jié) 論

采用超聲波斜探頭研究了超聲端點(diǎn)反射法在檢測(cè)炸藥表面裂紋深度中的應(yīng)用，獲得了測(cè)量炸藥裂紋深度的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)炸藥裂紋深度的無(wú)損檢測(cè)。通過對(duì)人工設(shè)計(jì)裂紋檢測(cè)、以及與X-μCT檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明超聲波端點(diǎn)反射法對(duì)炸藥裂紋深度檢測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性?？蓹z測(cè)炸藥表面1.0～35.0 mm范圍的裂紋深度， 誤差在±1.0 mm之內(nèi)。該方法可為HMX基PBX炸藥裂紋檢測(cè)及質(zhì)量控制提供技術(shù)支撐。

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