鈦合金球形貯箱異常聲發(fā)射信號分析

劉哲軍 邱 斌 張志超 程茶園

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 四川航天長征裝備制造有限公司 成都 610100）

文 摘 針對鈦合金貯箱制造檢測工藝過程中經(jīng)常發(fā)生的質(zhì)量偏差，通過對球形鈦合金貯箱兩例異常聲發(fā)射幅度、時間歷程以及定位結(jié)果等進行綜合分析。結(jié)果表明，聲發(fā)射檢測技術(shù)對貯箱制造工藝狀態(tài)偏差具有很強的敏感性，聲發(fā)射檢測結(jié)果不僅能反映貯箱產(chǎn)品的強度質(zhì)量，還能反映貯箱制造工藝狀態(tài)的穩(wěn)定性和偏差。

0 引言

材料或結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下釋放出彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。在液壓驗收試驗過程中對容器整體進行實時聲發(fā)射監(jiān)測并評價聲發(fā)射嚴重性級別，已經(jīng)成為鈦合金壓力容器質(zhì)量評價的重要規(guī)范之一［1-3］。

衛(wèi)星用鈦合金貯箱為保證在真空失重環(huán)境下能夠順利泵出推進劑，在貯箱內(nèi)部設(shè)計安裝了一套表面張力功能裝置。在貯箱殼體焊接成型過程中為了保護貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝置不受損害，一般在最后焊接的焊縫結(jié)構(gòu)上采用插接或鎖底襯環(huán)的設(shè)計（圖1）。這種焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計避免了焊接飛濺對貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損害，但同時也不可避免會產(chǎn)生粘連類結(jié)構(gòu)型缺陷，從而對聲發(fā)射檢測產(chǎn)生干擾［4-5］。

圖1 焊縫局部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the local structure of the weld

與普通鈦合金氣瓶相比，貯箱聲發(fā)射一般表現(xiàn)為信號數(shù)量多、幅度高、持續(xù)時間長等特征。這與特殊焊縫結(jié)構(gòu)造成的粘連開裂和焊液不規(guī)則流痕處的裂紋擴展有關(guān)［4-5］。焊縫局部點狀粘連和連續(xù)不規(guī)則流痕粘連的剖面示意見圖2。由于焊縫結(jié)構(gòu)不可避免會產(chǎn)生焊液連續(xù)流痕粘連和點狀粘連，當(dāng)這些粘連形態(tài)規(guī)則且不嚴重時，其在壓力考核試驗中就不會產(chǎn)生持續(xù)性的擴展，對貯箱的焊縫強度質(zhì)量不會產(chǎn)生本質(zhì)影響。但有些時候，由于半球配合公差接近或超過設(shè)計極限，或者焊接設(shè)備、焊接參數(shù)或焊接順序等焊接工藝發(fā)生改變時，在焊縫部位往往會造成嚴重的點狀粘連和連續(xù)不規(guī)則的焊液流痕粘連等缺陷。由于檢測技術(shù)的限制，粘連缺陷很難用射線等檢測技術(shù)進行準確評價［3-5］。

圖2 焊液連續(xù)不規(guī)則流痕缺陷和點狀不連續(xù)粘連示意圖Fig.2 Schematic diagram of continuous irregular flow mark defects and spot-shaped discontinuous adhesion

在壓力試驗或者帶壓工作期間，受結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響，焊縫粘連處更容易形成應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中作用下粘連薄弱之處會率先發(fā)生脫粘或開裂，若開裂發(fā)生在連續(xù)不規(guī)則流痕粘連處，則裂紋有可能會持續(xù)擴展下去，最終威脅貯箱的結(jié)構(gòu)強度質(zhì)量和帶壓飛行安全。因此為有效發(fā)現(xiàn)持續(xù)性擴展裂紋，并與一般噪聲干擾進行區(qū)分，本文在結(jié)構(gòu)噪聲信號特征的提取和識別方面進行了研究，總結(jié)出工藝過程偏差造成的焊縫區(qū)域結(jié)構(gòu)噪聲特點以及結(jié)構(gòu)噪聲與裂紋擴展聲發(fā)射信號之間的差異。研究認為，排除結(jié)構(gòu)噪聲的影響是貯箱聲發(fā)射檢測成敗的關(guān)鍵。

1 檢測工藝

球形貯箱赤道焊縫為插接焊縫結(jié)構(gòu)，其聲發(fā)射檢測工藝參照GJB2044—1994 執(zhí)行，檢測門檻通常為40 dB，頻率帶寬100～400 kHz。

在小型球形鈦合金貯箱聲發(fā)射檢測時，有兩種典型的傳感器布置方式：其一為利用4個傳感器以赤道焊縫為中心對稱布置形成矩形平面定位陣［圖3（a）］；其二為將4個傳感器沿赤道環(huán)焊縫均勻布置成正方形平面定位陣列［圖3（b）］。其中焊縫是貯箱聲發(fā)射檢測的重點關(guān)注部位，因此在定位校驗過程中，應(yīng)著重觀察焊縫位置的聲發(fā)射信號能否完全接受，并滿足定位精確度優(yōu)于5%最大傳感器間距的相關(guān)要求［2］。

圖3 球形鈦合金貯箱傳感器布置圖Fig.3 Schematic of spherical titanium alloy tank sensor dispersion

圖4 球形鈦合金貯箱聲發(fā)射定位校準結(jié)果Fig.4 Calibration results of acoustic emission positioning of spherical titanium alloy tank

圖4為球形貯箱分別按照以上兩種布置方式利用鉛筆芯折斷聲發(fā)射模擬源進行定位校準的結(jié)果，其定位精度優(yōu)于3%最大傳感器間距，可見兩種定位方式均能較好的接收來自貯箱焊縫的信號并滿足定位精度要求［2-4］。

2 典型貯箱的聲發(fā)射結(jié)果分析

2.1 工藝正常的優(yōu)質(zhì)貯箱聲發(fā)射信號分析

圖5為01#貯箱的聲發(fā)射結(jié)果，從圖5（a）可以看出，01#貯箱的聲發(fā)射事件主要集中在中部赤道焊縫的局部，少量信號定位在貯箱下部的進液口位置。從圖5（b）上看出，聲發(fā)射信號幅度較低，沒有80 dB以上的高幅度信號，且信號主要來自升壓過程中，在保壓和二次加壓過程均沒有有效聲發(fā)射事件出現(xiàn)。雖然信號定位較為集中，但信號數(shù)量少、幅度低且隨著壓力的變化呈明顯收斂趨勢。事后反定位校準發(fā)現(xiàn)，集中定位在貯箱赤道焊縫局部的信號位置處，焊縫外觀上沒有任何異常，分析認為這些信號與該位置處焊縫的點狀一次性粘連開裂機制相關(guān)。而分布于下部進液口的聲發(fā)射信號來自加壓的初始階段，與加載摩擦等聲發(fā)射機制相關(guān)。綜合分析認為，該貯箱的各個聲發(fā)射源活性和強度都很低，是一例強度質(zhì)量狀態(tài)正常的優(yōu)質(zhì)貯箱。

2.2 兩例異常聲發(fā)射信號貯箱的分析

02#貯箱的聲發(fā)射檢測結(jié)果見圖6。圖6（a）中黑圈部分為聲發(fā)射信號集中區(qū)域，此區(qū)域恰好位于貯箱的赤道焊縫上，且長度超過整個焊縫長度的四分之一。從圖6（b）觀察可見，02#貯箱在升壓和保壓過程中均產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號。

圖6 02#貯箱的聲發(fā)射檢測結(jié)果Fig.6 Acoustic emission result of 02#storage tank

在保壓初期，聲發(fā)射信號十分密集且無收斂趨勢，持續(xù)大約3 min后，信號數(shù)量急劇減少持續(xù)大約5 min 左右，在保壓最后2 min 時聲發(fā)射信號又大量出現(xiàn)，甚至在降壓和二次加壓和三次加壓過程中仍斷續(xù)出現(xiàn)。保壓和二次、三次加壓過程出現(xiàn)的聲發(fā)射信號定位結(jié)果見圖7，可以發(fā)現(xiàn)，這些信號主要來自赤道焊縫的定位集中區(qū)域。分析認為，02#貯箱赤道焊縫的局部存在嚴重的連續(xù)擴展型聲發(fā)射源活動且具有很強的活性。通過與同批次的其他3 個貯箱聲發(fā)射結(jié)果進行橫向?qū)Ρ?，進一步分析認為，造成02#貯箱嚴重聲發(fā)射的原因很可能與貯箱的某種工藝偏差有關(guān)。

圖7 02#貯箱保壓和二次加壓的聲發(fā)射定位圖Fig.7 Acoustic emission location map of 02#holding tank pressure and secondary pressurization

試驗后與生產(chǎn)部門進行了溝通與求證，發(fā)現(xiàn)02#貯箱上下半球配合間隙在整條焊縫上不均勻，一部分位置接近或處于工藝要求的上限，這與聲發(fā)射定位結(jié)果較為吻合。分析認為，配合間隙過大導(dǎo)致在焊接過程中焊液更容易飛濺或流淌到間隙之中，形成嚴重的點狀粘連和不均勻流痕粘連缺陷。點狀粘連開裂是斷續(xù)出現(xiàn)的較高幅度、長持續(xù)時間聲發(fā)射信號的主要來源，而不規(guī)則流痕粘連缺陷的持續(xù)性開裂是產(chǎn)生持續(xù)性聲發(fā)射信號的主要來源。圖6（b）中聲發(fā)射在保壓過程中先收斂后又持續(xù)出現(xiàn)也正說明了這類缺陷擴展的連續(xù)性和不穩(wěn)定性。

另一例異常聲發(fā)射信號貯箱編號為03#。采用將4 個傳感器沿赤道環(huán)焊縫均勻布置成正方形平面定位陣列的定位方式，其赤道焊縫在定位圖上大致位于正方形的內(nèi)切圓上［圖4（b）］。03#貯箱的聲發(fā)射檢測結(jié)果見圖8，從圖8（a）可以看出，該貯箱的聲發(fā)射信號大部分都集中在赤道焊縫上。從圖8（b）可以看出，該貯箱在升壓過程中就有大量的聲發(fā)射信號產(chǎn)生。在保壓過程中，雖然保壓信號幅度隨著時間的變化在緩慢降低，但保壓聲發(fā)射信號收斂趨勢十分微弱，一直持續(xù)到保壓結(jié)束。在隨后的降壓和二次加壓和保壓過程中聲發(fā)射信號的數(shù)量、幅度、持續(xù)性與首次加壓過程幾乎沒有變化。這表明該貯箱的聲發(fā)射源一直處于持續(xù)不斷的釋放狀態(tài)，其聲發(fā)射源的活動性很強。對保壓和二次加壓和保壓信號繪制定位圖（圖9），可以發(fā)現(xiàn)這些信號絕大部分都均勻分布在整個赤道焊縫區(qū)域。

圖8 03#貯箱的聲發(fā)射結(jié)果Fig.8 Acoustic emission result of 03#storage tank

分析認為，聲發(fā)射結(jié)果與點狀粘連缺陷的一次性開裂相關(guān)性不大，極可能與整條環(huán)焊縫上存在的某種持續(xù)性聲發(fā)射源機制相關(guān)。檢測還發(fā)現(xiàn)，同批次其他多只貯箱也出現(xiàn)了類似聲發(fā)射結(jié)果。參照相關(guān)標準和檢測經(jīng)驗認為該批次貯箱聲發(fā)射檢測結(jié)果為不合格［2，4］。進一步綜合分析認為，這種聲發(fā)射現(xiàn)象可能與該批次貯箱的生產(chǎn)工藝狀態(tài)發(fā)生偏差有關(guān)。

后經(jīng)證實，該批次貯箱焊接時使用了最新更換的焊接設(shè)備，焊接過程中直接套用舊有焊接工藝參數(shù)而缺乏對新舊設(shè)備工藝差異的細致摸索與對比試驗，從而造成了該批次貯箱的赤道焊縫成型過程中形成嚴重的連續(xù)型不規(guī)則流痕粘連缺陷。研究認為，焊接工藝裝備和工藝參數(shù)的變化使得焊縫熔池流動性增強，焊液更容易在上下半球間隙處流動并形成沿赤道焊縫周向的連續(xù)型不規(guī)則流痕粘連缺陷。在后續(xù)的壓力考核試驗過程中，連續(xù)粘連缺陷從局部開裂逐漸發(fā)展到在整圈赤道焊縫上的持續(xù)性開裂與擴展，造成聲發(fā)射的持續(xù)發(fā)展。這種焊接缺陷對在軌長期帶壓飛行的鈦合金貯箱結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成重大安全隱患。

圖9 03#貯箱保壓以及二次加壓聲發(fā)射定位圖Fig.9 Acoustic emission location map of 03#holding tank pressure and secondary pressurization

3 結(jié)論

通過對兩例球形鈦合金貯箱的異常聲發(fā)射信號分析，表明產(chǎn)品工藝狀態(tài)不同會對貯箱聲發(fā)射結(jié)果產(chǎn)生重要影響，聲發(fā)射檢測技術(shù)對產(chǎn)品的工藝偏差具有很強的敏感性。聲發(fā)射檢測結(jié)果不僅能真實反映貯箱產(chǎn)品的強度質(zhì)量，還能反映產(chǎn)品制造工藝狀態(tài)的穩(wěn)定性和偏差。檢測實踐證明，聲發(fā)射檢測技術(shù)已成為貯箱產(chǎn)品批生產(chǎn)強度質(zhì)量及工藝穩(wěn)定性監(jiān)測的重要手段。