干耦合穿透法在橡膠復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

周 娥 王曉勇

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干耦合穿透法在橡膠復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

周 娥 王曉勇

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432100）

介紹了一種低頻干耦合穿透法超聲波檢測(cè)在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制作了對(duì)比試塊以校準(zhǔn)該方法的檢測(cè)靈敏度，并對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，證明該方法適用于絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接質(zhì)量檢測(cè)。

低頻；干耦合；穿透法；絕熱結(jié)構(gòu)；粘接質(zhì)量

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)絕熱材料自身的粘接性能及其與金屬之間的粘接性能的要求越來(lái)越高[1]，絕熱層作為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)防熱結(jié)構(gòu)的重要部分，起著防止發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室殼體內(nèi)部溫度達(dá)到危及自身結(jié)構(gòu)完整性及抵抗高溫、高燃?xì)饬骷邦w粒物沖蝕的作用[2]。

通過(guò)無(wú)損檢測(cè)的方法控制絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接質(zhì)量尤為重要。以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱結(jié)構(gòu)某橡膠材料為例，通過(guò)工藝試驗(yàn)，介紹一種應(yīng)用于橡膠復(fù)合材料內(nèi)部粘接質(zhì)量超聲波檢測(cè)的低頻干耦合穿透法。

2 超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)是通過(guò)超聲波與工件材料相互作用后的信號(hào)幅度、能量衰減以及入射聲波與接收聲波之間的傳播時(shí)間評(píng)估缺陷。按照原理可將超聲波檢測(cè)方法分為：脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法、共振法等。其中，穿透法是采用一發(fā)一收兩只探頭分別置于被檢工件兩端面，依據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化檢測(cè)工件缺陷的超聲波檢測(cè)方法。

粘接面的脫粘缺陷是指相同或不同材質(zhì)界面未粘好而形成的層間分層或鼓包現(xiàn)象，當(dāng)超聲波垂直穿過(guò)被檢工件純橡膠部位或者橡膠與金屬粘接部位時(shí)，若純橡膠層間、橡膠與金屬層間存在脫粘缺陷，相當(dāng)于內(nèi)部存在空氣層，其聲阻抗與橡膠、金屬聲阻抗差異較大，聲波在該界面產(chǎn)生不同程度的反射或透射。

若脫粘嚴(yán)重，聲波大量反射，接收探頭無(wú)法接收到透射波；若粘接完好或脫粘面積較小（僅為粘接不良），則接收探頭能接收到透射波，依據(jù)超聲波儀顯示屏上波高與聲壓成正比的關(guān)系，可對(duì)該部位的粘接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

3 低頻干耦合穿透法超聲波檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

3.1 待檢產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該絕熱結(jié)構(gòu)采用三元乙丙橡膠、多次硫化整體模壓成型，其外表面為純橡膠，內(nèi)部鑲嵌金屬或其他加強(qiáng)材料?，F(xiàn)需檢測(cè)純橡膠層間、橡膠與金屬粘接界面的粘接質(zhì)量。

3.2 檢測(cè)儀器及探頭

檢測(cè)儀器選用CTS—9009PLUS，如圖1所示，考慮被檢產(chǎn)品多層界面、材質(zhì)衰減，選擇低頻探頭進(jìn)行超聲波穿透法檢測(cè)。為避免耦合劑污染被檢產(chǎn)品，采用在縱波探頭前端置橡膠囊，超聲波通過(guò)橡膠囊中耦合劑間接向工件傳遞的干耦合方式進(jìn)行超聲波檢測(cè)，經(jīng)多方調(diào)研，設(shè)計(jì)了專用于穿透法檢測(cè)的干耦合探頭，頻率為0.5MHz，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 數(shù)字超聲波探傷儀

圖2 低頻干耦合探頭

3.3 對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)與制作

分別選取制品純橡膠部位、橡膠與金屬粘接部位進(jìn)行分段分區(qū)超聲波檢測(cè)，因此分別制備純橡膠試塊、橡膠與金屬粘接試塊，如圖3、圖4所示。純橡膠人工脫粘試塊以多層橡膠硫化加壓粘接而成，內(nèi)部以一定規(guī)格、人工開(kāi)槽模擬脫粘缺陷，橡膠與金屬粘接人工脫粘試塊以橡膠層、金屬層、橡膠層順序粘接而成，內(nèi)部以一定規(guī)格、人工開(kāi)槽模擬脫粘缺陷。試塊規(guī)格見(jiàn)表1。

圖3 純橡膠人工脫粘試塊

圖4 橡膠與金屬粘接人工脫粘試塊

表1 檢測(cè)用對(duì)比試塊規(guī)格 mm2

3.4 試塊法確定檢測(cè)靈敏度

當(dāng)采用人工脫粘試塊進(jìn)行檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)時(shí)，將發(fā)射探頭與接收探頭耦合在人工脫粘試塊的兩端面，在試塊上無(wú)人工缺陷部位選取不少于6個(gè)點(diǎn)測(cè)試穿透波幅值，將最低穿透波幅值調(diào)整到超聲檢測(cè)儀顯示屏滿刻度的80%，對(duì)人工脫粘缺陷進(jìn)行掃查，若穿透波幅值不大于超聲檢測(cè)儀顯示屏滿刻度的20%，則靈敏度調(diào)節(jié)完成。

3.5 試塊的檢測(cè)

聲波在不同介質(zhì)中聲速也有所差異，純橡膠材質(zhì)中的縱波聲速為1716m/s，空氣中縱波聲速為344m/s，某金屬材料的縱波聲速為6260m/s。

干耦合穿透法檢測(cè)純橡膠試塊、橡膠與金屬粘接試塊，將一發(fā)一收兩只探頭分別耦合在人工脫粘試塊兩側(cè)，觀察超聲波儀，如圖5、圖6所示。試塊檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，可知，超聲波干耦合法檢測(cè)試塊時(shí)，檢測(cè)所得脫粘缺陷面積基本與人工開(kāi)槽缺陷面積吻合。

圖5 干耦合穿透法檢測(cè)純橡膠試塊（脫粘區(qū)域、粘接良好區(qū)域、脫粘邊界位置）

圖6 干耦合穿透法檢測(cè)橡膠與金屬粘接試塊（從左至右依次為脫粘區(qū)域、粘接良好區(qū)域、脫粘邊界位置）

表2 試塊檢測(cè)結(jié)果

3.6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

a 產(chǎn)品一

b 產(chǎn)品二

圖7 實(shí)際產(chǎn)品脫粘部位解剖圖

檢測(cè)靈敏度確定后，即可對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行干耦合穿透法超聲波檢測(cè)，觀察穿透波幅值，若某位置無(wú)穿透波形顯示，則判為脫粘；以該位置為中心，沿圓周方向移動(dòng)探頭，當(dāng)穿透波上升至顯示屏滿刻度的40%時(shí)，記探頭中心位置為脫粘缺陷邊界，以測(cè)得的最大長(zhǎng)寬乘積作為實(shí)際脫粘面積。解剖脫粘缺陷位置，如圖7所示。脫粘位置和脫粘面積與檢測(cè)結(jié)果吻合，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際脫粘情況對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

采用低頻干耦合縱波穿透法對(duì)橡膠、橡膠與金屬粘接材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，能有效檢測(cè)出其中的脫粘缺陷，并對(duì)脫粘缺陷進(jìn)行定量分析。經(jīng)過(guò)多件實(shí)際產(chǎn)品的脫粘缺陷檢測(cè)，證明本方法可用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部粘接質(zhì)量的實(shí)際檢測(cè)。

1 汪建麗，王紅麗，熊治榮. 三元乙丙橡膠絕熱層在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用[J]. 宇航材料工藝，2009(2)：12～14

2 邱哲明. 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)材料與工藝[M]. 北京：宇航出版社，1995. 253

Application of Dry Coupled Penetration Method in Nondestructive Testing of Rubber Composites

Zhou E Wang Xiaoyong

(Jiangbei Machinery Engineering Co.,Ltd., Xiaogan 432000)

An application of a low frequency dry coupled penetration method in the detection of the internal bonding quality of the thermal insulation structure of the solid rocket motor was introduced in this paper. A contrast test block was designed to calibrate the detection sensitivity of the method. And the method was used to detect the actual products. It is proved that the method is suitable for the detection of the internal bonding quality of the thermal insulation structure.

low frequency；dry coupled；penetration method；thermal insulation structure；bonding quality

周娥（1989-），碩士，儀器儀表工程專業(yè)；研究方向：無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用研究。

2016-12-15