碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像檢測技術(shù)研究

何華鋒 熊建平 王曉勇 李忠仕

裝配·檢測

碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像檢測技術(shù)研究

何華鋒 熊建平 王曉勇 李忠仕

（湖北三江航天江北機(jī)械工程有限公司，孝感 432100）

采用DR成像檢測技術(shù)，對碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度進(jìn)行測量技術(shù)研究，通過成像軟件的數(shù)據(jù)采集、圖像處理分析、數(shù)值讀取等方法研究，確定絕熱層厚度DR成像檢測技術(shù)方法。研究結(jié)果表明，DR成像檢測技術(shù)可用于碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度的測量。

碳纖維纏繞殼體；厚度；DR成像

1 引言

碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、尺寸穩(wěn)定和材料可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種型號航天器及軍用飛機(jī)上，采用碳纖維纏繞方法制造燃燒室殼體已成為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。碳纖維纏繞殼體內(nèi)側(cè)的絕熱層起到耐燒蝕、絕熱的作用，而絕熱層的常用制造材料有三元乙丙和824兩種。殼體不同部位的絕熱層厚度需要滿足最低值要求，而殼體纏繞成形后固化和絕熱層硫化過程中，絕熱層可能產(chǎn)生流動(dòng)導(dǎo)致絕熱層厚度不均，所以需要測量確認(rèn)絕熱層厚度。

目前碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度缺少一個(gè)行之有效的測量方法。由于碳纖維纏繞殼體材料與鋼殼體材料的的差異性，原有鋼殼體絕熱層厚度的測量方法已不再適用，需要重新摸索一種新的絕熱層厚度測量方法。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)鋼殼體上的絕熱層厚度通常采用渦流測厚方法，根據(jù)渦流場的強(qiáng)弱與渦流線圈距被測材料表面的距離成正相關(guān)的特性來測量的，所以被測材料導(dǎo)電導(dǎo)磁性直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和絕熱層厚度可測性[1]。鋼材質(zhì)比較均勻，導(dǎo)電導(dǎo)磁性好，采用渦流法測量鋼殼體表面附著的絕熱層厚度是一種行之有效的測量方法。其它常用的超聲波測厚方法，由于材料表面較軟且不平整，絕熱層材料對聲波衰減系數(shù)大，導(dǎo)致絕熱層厚度測量結(jié)果誤差很大，這對本身厚度不大的材料厚度測量基本失去意義。工業(yè)CT方法可以實(shí)現(xiàn)絕熱層厚度的測量，其測量源也是X射線源，而且工業(yè)CT檢測系統(tǒng)造價(jià)昂貴、檢測周期長等因素限制了該方法的實(shí)際應(yīng)用[2]。常規(guī)如卡尺測量方法等由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的限制，實(shí)現(xiàn)不了絕熱層厚度測量而碳纖維只有較弱的導(dǎo)電性，且碳纖維與樹脂結(jié)合后不同部位的導(dǎo)電性具有較大差異，所以原有鋼殼體的絕熱層厚度測量方法已不再適用碳纖維纏繞殼體，需要試驗(yàn)采用其它厚度測量方法測量碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度。

碳纖維纏繞殼體的絕熱層厚度是一個(gè)普遍關(guān)注的指標(biāo)，它影響到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的工作安全性，研究探索一種適用的絕熱層厚度測量方法，為設(shè)計(jì)人員及用戶提供絕熱層厚度數(shù)據(jù)，對提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性有很大裨益。

本文就絕熱層厚度DR數(shù)字成像檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)，研究碳纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像測量過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)、測量方法的準(zhǔn)確性和可行性。

2 DR成像技術(shù)材料厚度測量原理及測量方法

2.1 測厚原理

DR數(shù)字成像檢測技術(shù)應(yīng)用初期主要是用于材料內(nèi)部質(zhì)量的檢測及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀察。

DR成像測厚原理主要是應(yīng)用DR成像檢測系統(tǒng)中的尺寸測量功能，根據(jù)判斷影像中的材料不同界面位置，再測量界面之間的距離的一種厚度測量方法。所以要實(shí)現(xiàn)材料厚度測量，首先要確認(rèn)DR圖像中需要測量的材料界面可分辨。DR圖像中的材料界面可分辨性與兩種材料的材質(zhì)有關(guān)系，兩種相鄰材料對X射線的衰減系數(shù)或者材料密度差異程度越大，形成的影像界面對比度反差越大，界面越容易分辨，測量結(jié)果越準(zhǔn)確，反之亦然[3]。

2.2 測厚方法

DR成像厚度測量時(shí)，首先必須對系統(tǒng)成像軟件的測量尺寸進(jìn)行校準(zhǔn)，目的是為軟件中的測量工具制訂一個(gè)尺寸衡量標(biāo)準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)采用一個(gè)已知長度的參照物進(jìn)行成像，例如參照物實(shí)際長度為100mm，若此時(shí)DR成像測量的結(jié)果為60mm，校準(zhǔn)時(shí)將60mm標(biāo)定為參照物的真實(shí)長度100mm，尺寸校準(zhǔn)工作即完成，校準(zhǔn)后的示意圖如圖1所示。

圖1 測量尺寸校準(zhǔn)

尺寸校準(zhǔn)時(shí)參照物的長度不宜過大或過小，參照物太長超出一幅圖像的長度時(shí)就不能測量參照物的影像長度，太短時(shí)校準(zhǔn)得到的尺寸誤差較大，根據(jù)成像寬度參照物一般應(yīng)選用50～100mm的為宜。尺寸校準(zhǔn)完成后，對需檢測的部位進(jìn)行DR成像，在影像中評定出絕熱層邊界，采用軟件測量內(nèi)外邊界間的距離值即為絕熱層真實(shí)厚度。如圖2中絕熱層的內(nèi)側(cè)邊界是絕熱層與空氣界面，兩者密度差異大，這個(gè)界面比較容易區(qū)分，絕熱層的外邊側(cè)界是絕熱層與纏繞層界面，這個(gè)界面可識別性與兩者材質(zhì)對射線的衰減程度直接相關(guān)，理論上兩者密度差異越大，兩者界面越容易區(qū)分，圖2中距測量基準(zhǔn)點(diǎn)50.00mm的絕熱層真實(shí)厚度測量值為15.38mm。

圖2 絕熱層厚度測量示意圖

3 工藝試驗(yàn)

目前碳纖維纏繞殼體絕熱層所采用的材料主要有三元乙丙和824兩種，三元乙丙密度約為1.08g/cm3，824材料密度約為1.25g/cm3，而碳纖維纏繞復(fù)合層的密度約為1.4g/cm3。

3.1 三元乙丙絕熱層厚度測量試驗(yàn)

采用某碳纖維纏繞殼體解剖件進(jìn)行工藝試驗(yàn)，其絕熱層材料為三元乙丙，尺寸校準(zhǔn)時(shí)分別采用金屬參照物和非金屬參照物，分析參照物材質(zhì)差異對測量結(jié)果的影響，金屬參照物和非金屬參照物長度均為100mm，如圖3為三元乙丙絕熱層厚度測量結(jié)果。

圖3 三元乙丙絕熱層厚度測量結(jié)果圖

從試驗(yàn)測試圖像上分析，絕熱材料為三元乙丙時(shí)，材料之間的界面分辨清晰，界面影像完整，可以比較容易判斷測量絕熱層的厚度。材料界面可分辨后可以采用DR軟件的尺寸測量工具對絕熱層厚度直接測量，再采用卡尺測量斷面的絕熱層厚度，對比兩種測量結(jié)果。

表1、表2分別是采用金屬參照物和非金屬參照物時(shí)的絕熱層厚度的測量結(jié)果，從表1、表2的數(shù)據(jù)分析，采用金屬參照物與采用非金屬參照物校準(zhǔn)時(shí)的測量數(shù)據(jù)沒有明顯差異，金屬和非金屬均可作為軟件尺寸校準(zhǔn)的測量基準(zhǔn)參照物，但參照物形狀應(yīng)簡單，長度要適中。從三元乙丙絕熱層測量結(jié)果分析，采用DR成像方法可清晰分辨絕熱層界面，DR成像法與卡尺測量法測量結(jié)果存在一定偏差，最大偏差0.61mm。

表1 金屬參照物的測量結(jié)果 mm

表2 非金屬參照物的測量結(jié)果 mm

圖4 距接頭尖點(diǎn)30mm測量結(jié)果圖

圖5 距接頭尖點(diǎn)50mm測量結(jié)果圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證DR成像法與卡尺法測量結(jié)果差異，采用殼體解剖試樣進(jìn)行了測量對比試驗(yàn)，DR成像圖如圖4、圖5所示。它們分別是距測量基準(zhǔn)點(diǎn)距接頭尖點(diǎn)30mm、50mm的測量結(jié)果，其余測量基準(zhǔn)點(diǎn)距接頭尖點(diǎn)40mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。

表3 測量結(jié)果對比表 mm

表3顯示絕熱層厚度的DR成像測量方法與卡尺測量方法得到數(shù)據(jù)稍有差異，最大差異為0.30mm，測量結(jié)果總體上較為接近。

3.2 824絕熱層厚度測量試驗(yàn)

某纖維纏繞殼體內(nèi)的絕熱層材料為824，從DR成像影像上分析，絕熱層內(nèi)側(cè)與空氣的界面區(qū)分沒問題，顯示也很清晰，但824絕熱層與纏繞層界面不清晰，這是由于824材料與碳纖維材料的密度差異不明顯的原因?qū)е碌?，圖像經(jīng)過軟件的對比度調(diào)節(jié)，圖像銳化等處理后，材料界面的可分辨性稍有改善，測量結(jié)果如圖6所示。從824絕熱層測量試驗(yàn)情況分析，824絕熱層的DR成像方法的可測性較三元乙丙絕熱層差。

圖6 熱層材料為824時(shí)的絕熱層厚度測量效果圖

4 結(jié)束語

DR數(shù)字成像檢測是一種無損檢測技術(shù)，它的主要功能是對產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢測，并對檢測到的缺陷尺寸、缺陷位置進(jìn)行測量和定位，DR成像軟件帶有圖像處理、尺寸測量等功能，為絕熱層厚度測量試驗(yàn)提供了條件，正是基于DR成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，開展了纖維纏繞殼體絕熱層厚度測量試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中的尺寸校準(zhǔn)分別采用了金屬和非金屬試樣，對三元乙丙和824絕熱層材料的厚度進(jìn)行了測量，并將DR成像的測量結(jié)果與卡尺的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果表明：

a. 絕熱層厚度DR成像法的可測性與絕熱層本身的材質(zhì)有關(guān)系，兩種常見的絕熱層材料三元乙丙和824中，三元乙丙密度相對碳纖維纏繞層密度差異較824大，所以三元乙丙絕熱層厚度DR成像法的可測性較好，而824絕熱層厚度可測性較差；

b. DR成像軟件尺寸校準(zhǔn)時(shí)所采用的試樣材質(zhì)對測量結(jié)果帶來的影響不明顯，金屬試樣或非金屬試樣均可采用，但對比試樣的形狀應(yīng)簡單、長度選擇要適宜；

c. DR數(shù)字成像測量方法與卡尺法測量結(jié)果存在一定差異，畢竟DR數(shù)字成像法不是專用的尺寸測量工具，它與卡尺的測量結(jié)果總體差異在10%左右，在可接受的誤差范圍內(nèi)且沒有其它可行的厚度測量方法情況下，纖維纏繞殼體絕熱層厚度DR成像法測量結(jié)果可為產(chǎn)品質(zhì)量證明提供很有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

1 李家偉.無損檢測手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002

2 張俊哲.無損檢測技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1993

3 鄭世才.數(shù)字射線無損檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012

Research on DR Detection Technology of Thermal Insulation Thickness of Carbon Fiber Winding Shell

He Huafeng Xiong Jianping Wang Xiaoyong Li Zhongshi

(Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432100)

In this paper, DR imaging detection technology is used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell。Through the research of date acquisition image processing analysis numerical reading software, the DR imaging detection technology method of insulation layer thickness is determined。The research results show that the DR imaging detection technology can be used to measure the thickness of the thermal insulation layer of the carbon fiber winding shell.

carbon fiber windingshell；thickness；DR imaging

TN24

A

何華鋒（1982），高級工程師，飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)；研究方向：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

2021-01-21