激光全息檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

王永紅，閆明巍，劉國增，張 騰

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

激光全息檢測技術(shù)研究與應(yīng)用

王永紅，閆明巍，劉國增，張 騰

（西安航天發(fā)動機(jī)廠，陜西西安710100）

介紹了激光全息檢測技術(shù)的原理、特點(diǎn)和方法。通過研究激光全息檢測位移量與激光全息檢測載荷理論并結(jié)合檢測試驗給出了激光全息檢測工藝流程、工藝方法和工藝規(guī)范。采用該規(guī)范對某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段銑槽夾層結(jié)構(gòu)釬焊縫進(jìn)行了無損檢測，檢測通過的液體火箭發(fā)動機(jī)推力室已經(jīng)完成了飛行任務(wù)考核。

無損檢測；銑槽夾層結(jié)構(gòu)；釬焊縫；激光全息

0　引言

無損檢測（non-destructive testing，簡稱NDT）技術(shù)，是以不損傷被檢對象結(jié)構(gòu)完整性和使用性能，利用一定的物理原理，檢測被檢對象表面和內(nèi)部的不連續(xù)性，借以評價被檢對象質(zhì)量等級和安全程度的一種檢測技術(shù)和方法，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、船舶、核能、電力、冶金、鐵道、石油化工、汽車工程、橋梁工程等領(lǐng)域。激光全息檢測技術(shù)作為一種非接觸光學(xué)無損檢測方法，具有檢測速度快、檢測結(jié)果顯示直觀等特點(diǎn)，可以解決低密度材料粘接、薄層結(jié)構(gòu)粘接的缺陷檢測問題。在飛機(jī)金屬蜂窩膠接結(jié)構(gòu)、碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、固體火箭發(fā)動機(jī)火藥柱包覆層粘接結(jié)構(gòu)、輪胎膠接質(zhì)量、航天器復(fù)合材料高壓容器、渦輪葉片、美國航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)鎳-銅電鑄推力室的無損檢測中均得到了廣泛應(yīng)用。在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)用液體火箭發(fā)動機(jī)生產(chǎn)制造過程中，采用激光全息檢測技術(shù)對推力室收擴(kuò)段釬焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了無損檢測，檢測通過的液體火箭發(fā)動機(jī)推力室已經(jīng)完成了飛行任務(wù)考核。

1　液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段釬焊結(jié)構(gòu)與檢測要求

液體火箭發(fā)動機(jī)是將推進(jìn)劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為氣流動能的裝置。推進(jìn)劑在推力室霧化、混合和燃燒，使推力室處于高溫、高壓工作狀態(tài)，燃燒室內(nèi)壁的熱流密度較大。為降低內(nèi)壁工作溫度，減少燒蝕等情況的發(fā)生，推力室身部均為波紋板、銑槽式夾層通道結(jié)構(gòu)，采用釬焊、擴(kuò)散焊接工藝將推力室內(nèi)、外壁連接為一體。某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段銑槽夾層通道結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖1。發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti（內(nèi)壁） -1Cr21Ni5Ti（外壁），釬焊成型的推力室收擴(kuò)段在進(jìn)行液壓強(qiáng)度試驗時，釬焊焊縫處不允許有鼓包、開裂等現(xiàn)象。

2　激光全息檢測原理

2.1位移量計算

激光全息照相檢測是激光檢測技術(shù)的一種。它是采用激光對被檢測物體分別在加載前后進(jìn)行照射，通過記錄物體加載前后由于形變導(dǎo)致干涉條紋的變化情況來檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量信息的一種非接觸無損檢測技術(shù)。激光全息檢測是激光全息與干涉計量檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物和檢測技術(shù)，其基本檢測原理是：在外力作用下，物體的表面會發(fā)生變形，若物體內(nèi)部存在缺陷，則缺陷部位對應(yīng)的表面與正常部位對應(yīng)的表面變形是不同的，應(yīng)用全息干涉計量檢測方法，把不同表面的變形轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)表示的干涉條紋，并由感光介質(zhì)記錄下來；如果不存在缺陷，則干涉條紋只與外加載荷有關(guān)，而且是有規(guī)律的，每一條條紋都表示結(jié)構(gòu)變形的等位移線；如果存在缺陷，則會產(chǎn)生畸變的干涉條紋，根據(jù)這種畸變的干涉條紋則可以判斷出物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷、缺陷大小和缺陷所處的位置。

當(dāng)激光全息圖再現(xiàn)時，所產(chǎn)生的干涉條紋指示了兩次曝光期間物體的位移量，兩條相鄰干涉條紋所代表的位移量的差值即為再現(xiàn)光波波長的二分之一。

根根光學(xué)原理，當(dāng)兩光波發(fā)生干涉時，干涉條紋數(shù)N與光程差ΔI和光波波長λ之間的關(guān)系為

當(dāng)N為λ/2的偶數(shù)倍時，則得到亮條紋；當(dāng)N為λ/2的奇數(shù)倍時，則得到暗條紋。

在物體受到應(yīng)力作用后，表面產(chǎn)生位移。當(dāng)光線照射方向垂直于物體表面，在垂直方向觀察時，則位移量為

亮條紋

暗條紋

式中：z為位移量；μm；n為自然數(shù)，1，2，3，…。

當(dāng)光線照射方向與物體法線夾角為α，觀察角為β時，則位移量為

亮條紋

暗條紋

根據(jù)公式（2）～公式（5），激光器為氦-氖激光器，則λ=0.632 8 μm，λ/2=0.316 4 μm，此時，物體的變形量均可在激光全息圖上顯現(xiàn)出來。

2.2激光全息檢測載荷

由激光全息檢測原理可知，要獲得激光全息干涉信息，必須給被檢測對象施加一定的但對被檢測對象不構(gòu)成任何破壞的載荷或者擾動。本文施加的載荷為高純氮?dú)?(N2)，氮?dú)鈮毫τ嬎愎揭姽剑?）。

根據(jù)公式（2）～公式（5），滿足全息檢測條件時，被檢測對象的變形量在ε=0.316 4范圍之內(nèi)，對釬焊和擴(kuò)散焊接焊縫上的每一處缺陷來講，理想情況下，可將銑槽筋視為四周固定的圓盤模型，按照周邊緊固的圓盤模型中心撓度計算公式，可得出激光全息檢測載荷 (加載量)即氮?dú)鈮毫τ嬎愎綖?/p>

式中：δ為撓曲量，即缺陷中心位移量，μm；μ為材料的泊松比；E為材料的彈性模量；R為缺陷半徑，μm；h為缺陷埋藏深度，μm；Δp為兩次加載的壓力差，即氮?dú)鈮毫?，MPa。

根據(jù)公式（6）計算結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，激光全息檢測時，施加在被檢測對象上的載荷-高純氮?dú)鈮毫σ话阍?～6 MPa之間。

3　激光全息檢測工藝

激光全息檢測工藝流程為：

被檢對象外表面涂覆白色碳酸鈣粉，以增強(qiáng)激光漫反射強(qiáng)度；檢測光路設(shè)計與布置；干版裝夾；第一次曝光；被檢對象載荷加載，即給被檢對象加載0～6 MPa高純氮?dú)猓∟2）；第二次曝光；干版沖洗處理；全息圖像評判。激光全息檢測系統(tǒng)原理示意簡圖見圖2。

圖2　激光全息檢測系統(tǒng)原理示意簡圖Fig.2　Principle diagram of laser holographic detecting system

激光全息檢測工藝流程框圖見圖3。光路設(shè)計和布置應(yīng)使物光和參考光在被檢對象任何被檢部位處的光程差小于激光器的相干長度，物光和參考光夾角在一定范圍內(nèi)，全息干版的法線平分該夾角；同時，光路設(shè)計還應(yīng)考慮物光的單次覆蓋區(qū)域，以提高檢測效率。被檢對象加載壓力小時，無法產(chǎn)生激光干涉所需要的變形量；加載壓力大時，則干涉條紋密集，全息圖難以觀察，載荷超過一定值后，甚至無法產(chǎn)生全息干涉；被檢對象加載載荷在公式（6）計算結(jié)果的基礎(chǔ)之上，結(jié)合工程經(jīng)驗和檢測試驗結(jié)果進(jìn)行確定。本文對釬焊缺陷試驗件進(jìn)行全息檢測試驗所加載的高純氮?dú)猓∟2）載荷壓力為0～6 MPa，檢測某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段釬焊縫所用載荷壓力為3 MPa。

激光全息檢測系統(tǒng)使用的激光器是He-Ne氣體激光器，激光器波長λ=0.632 8 μm，激光器功率P=50 mW；加載系統(tǒng)是MN701-7型加載試驗臺，加載介質(zhì)是高純氮；試驗平臺是鑄鐵平臺；減振系統(tǒng)是多級混合氣動減振系統(tǒng)。光學(xué)元件有：擴(kuò)束鏡、分光鏡、反射鏡、衰減鏡、光學(xué)快門等；記錄介質(zhì)是三環(huán)GS-I型全息干版。激光全息檢測工藝規(guī)范為：物光光程I1=1 800 mm，參考光光程I2=1 802 mm，物光與參考光夾角α=30°，物光與參考光光強(qiáng)比η=1∶3，缺陷試樣件N2加載壓力p1= 0～6 MPa，某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段N2加載壓力p2=3 MPa。曝光時間，第一次曝光時間t1=6 s，第二次曝光時間t2=6 s。

圖3　激光全息檢測工藝流程框圖Fig.3　Process flow diagram of laser holography detection

4　激光全息檢測結(jié)果與分析

制作缺陷試驗件。編號為1#和2#，缺陷試驗件材料均為不銹鋼 1Cr18Ni9Ti（內(nèi)壁） -1Cr21Ni5Ti（外壁），與發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段材料1Cr18Ni9Ti（內(nèi)壁）-1Cr21Ni5Ti（外壁）一致，缺陷試驗件內(nèi)均預(yù)置 (4，5，6，8，10，12) ×1.2 mm未焊上缺陷。1#缺陷試驗件為平板型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖4；2#缺陷試驗件為筒型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意簡圖見圖5。按照圖2所示的激光全息檢測系統(tǒng)搭建缺陷試驗件的激光全息檢測系統(tǒng)，缺陷試驗件加載負(fù)荷為高純氮?dú)?，壓?～6 MPa。根據(jù)圖3所示激光全息檢測工藝流程，分別對1#和2#缺陷試驗件進(jìn)行激光全息檢測，檢測結(jié)果見表1。

圖4　1#平板型缺陷試驗件結(jié)構(gòu)與缺陷位置示意簡圖Fig.4　Structure and defect positions of 1#plate structural test unit with defects

圖5　2#筒型缺陷試驗件結(jié)構(gòu)與缺陷位置示意簡圖Fig.5　Structure and defect positions of 2# cylinder test unit with defects

表1　缺陷試驗件激光全息檢測結(jié)果Tab.1　Results of laser holography detection for specimens with defects

由表1可知，采用激光全息檢測技術(shù)，可以在較低載荷下檢測出最小4 mm長的未焊上缺陷，激光全息檢測的壓力載荷可在1～5 MPa內(nèi)選擇。當(dāng)載荷為1 MPa時，對于長度小于4 mm的未焊上缺陷，全息圖像的分辨率低，邊緣部位檢測效果差；當(dāng)載荷大于等于5 MPa時，全息干涉條紋密集，觀察、檢測效果差，甚至由于變形量大而不能形成干涉條紋，無法檢測。由此可見，最佳的壓力載荷在3 MPa左右。采用激光全息檢測工藝，對某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明：在3 MPa載荷下，經(jīng)激光全息檢測該發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段未發(fā)現(xiàn)釬焊缺陷，在后續(xù)的14 MPa液壓強(qiáng)度試驗過程中，該發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段釬焊縫部位未發(fā)生變形、鼓包、撕裂等現(xiàn)象，檢測通過的液體火箭發(fā)動機(jī)推力室已經(jīng)完成了飛行任務(wù)考核。由此表明：激光全息檢測技術(shù)可滿足設(shè)計文件對發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段釬焊縫質(zhì)量檢測的技術(shù)要求。

5　結(jié)論

本文研究了激光全息檢測原理、激光全息檢測位移量和被檢對象加載載荷計算方法，給出了激光全息檢測工藝流程、工藝檢測方法、檢測規(guī)范，即物光光程 I1=1 800 mm，參考光光程I2=1 802 mm，物光與參考光夾角α=30°，物光與參考光光強(qiáng)比η=1∶3，缺陷試樣件N2加載壓力p1= 0～6 MPa。采用該激光全息檢測規(guī)范檢測的某型液體火箭發(fā)動機(jī)推力室收擴(kuò)段銑槽夾層結(jié)構(gòu)釬焊縫未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊接質(zhì)量滿足設(shè)計技術(shù)要求。

該發(fā)動機(jī)推力室在14 MPa液壓強(qiáng)度試驗過程中，推力室收擴(kuò)段釬焊縫部位未發(fā)生變形、鼓包、撕裂等現(xiàn)象，激光全息檢測通過的液體火箭發(fā)動機(jī)推力室已經(jīng)完成了飛行任務(wù)考核。

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（編輯：王建喜）

Research and application of laser holography detection technology

WANG Yonghong,YAN Mingwei,LIU Guozeng,ZHANG Teng
（Xi’an Space Engine Factory,Xi’an 710100,China）

The principle,charachteristic and method of laser holography detection technology are introduced in this paper.The technological process,method and specifications of laser holography detection are given based on the study of the displacement and loading theory of laser holography detection as well as in combination with the result ofdetection test.Brazingseams of grooved sandwich structure at the convergent-divergent section of thrust chamber in liquid rocket engine were detected with nondestructive detection method.The liquid rocket engine verified by the detection method has completed its flight qualification.

nondestructive detection;grooved sandwich structure;brazing seam;laser holography

V434-34

A

1672-9374(2016)04-0074-05

2016-05-25；

2016-06-08

中國航天科技集團(tuán)公司重大工藝專項資助項目（ZDGY2010-20）

王永紅（1967—），男，研究員，研究領(lǐng)域為無損檢測技術(shù)