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金属材料的超声波探伤已广为应用

2017/4/19

  1由多种材料组成的复合结构,要承受高温、高速、高压的热烧蚀及冲刷,工作环境苛刻,因而要求每个部件都有高度的可靠性,喷管金属壳体与非金属粘接界面,由于粘接时工件清理不干净,内衬与外壳配合不严,胶层内部气体未排净等原因,极易产生脱粘,尤其是间隙型大面积脱粘,对产品可靠性危害极大,因而对其粘接界面粘接质量的无损检测也是固体火箭发动机生产中产品质量控制的关键工序,各国都投入了大量的人力物力开展固体火箭发动机各零、部组件无损检测技术的研究,对金属材料的超声波探伤已广为应用,而复合材料具有异向性高、声衰减大、结构复杂等特性,复合材料及其构件的超声波探伤是一个薄弱环节,据日本航空宇宙技术研究所“固体火箭发动机超声波探伤”中报导,他们曾采用超声波多次反射法成功地对非金属包覆层和钢壳体粘接面进行了检测,经过多年的研究,采用超声纵波多次反射法对喷管金属壳体与非金属粘接界面的粘接质量进行检测,现已成功地用于产品的批量探伤。

  2检测原理超声波是频率高于20000Hz的弹性振动波,所谓纵波即波的传播方向与质点的运动方向相一致,粘接界面的脱粘伤是指不同材料界面未粘好而形成的空气间隙型缺陷,当超声纵波垂直穿过金属与非金属粘接面时,由于产品中两种介质的声阻抗不同,声波在界面会产生反射和透射,声波的传播路径如图1所示,图中L是入射波;L是反射波;t是透射波。声波透过产品各层及界面,分别穿过三种介质即金属、空气和非金属。在这三种介质中,纵波声速分别为5900、344和2200m/s;声阻抗分粘接界面存在脱粘时,相当于超声纵波垂直入射到金属与空气界面,此时界面的声压反射率为式中P为入射波声压;P为脱粘界面反射波声为金属介质的声阻抗;Z为空气介质的声阻抗。

  代入声阻抗数据计算表明,R≈1,即存在脱粘固体火箭技术时,声压反射率趋于1,透射率趋于0,声波在此近乎100%反射。但粘接良好时,界面的声压反射率不为0,计算式如下:式中r为良好粘接界面的声压反射率;P为良好粘接界面反射波声压;Z为非金属介质的声阻抗。

  计算得到即反射波声压占入射波声压的86%,透射波声压占14%,声波除反射外,还有一部分透射。

  对于放大线性良好的超声波探伤仪,仪器荧屏上波高与声压成正比,即任意相邻两波高之比等于相应的声压之比,二者的分贝差为通过一次脉冲反射后,脱粘区与良好粘接区波高相差1dB,采用多次反射法,当超声波垂直入射到产品中时,第一次反射回来的声压为第二次反射回来的声压为第n次反射回来的声压为式中P为到达金属层表面的声压;P为n次反射后被探头接收的声压;R为A界面的声压反射为面(粘接界面)的声压反射率;T为金属件的衰减系数;t为金属件厚度。

  对于给定的金属材料,其厚度是一定的,因而T、t是不变的,在选择了固定的耦合剂后,R也为常量,多次反射后的声压P只与R有关,即只与金属层与非金属层的粘接情况有关,则n脱n好n=10时,ΔdB=13dB,即超声纵波经过10次反射后,脱粘区与良好粘接区的反射波幅相差13dB以上,反映在仪器荧屏上,脱粘区比良好粘接区波幅增高、波次增多,据此可很容易地将脱粘区与良好粘接区分辨开来,进而评价粘接质量。

  3对比试块3.1设计与制做超声波探伤都是通过观察探伤仪荧光屏上反射回波的位置、波幅等特征来评判被探件质量的优劣,考虑到实际中形成的缺陷形状各异,声学关系复杂,难以定量计算分析,因而实际探伤时只能借助于已知特定形状的人工缺陷来调节探伤灵敏度,并以此为尺度评价缺陷,保证检验结果的再现,运用试块作为参考依据进行比较是超声波探伤的一个特点。

  为了避免试块与被探产品声学性能的差异,所研制的Ⅰ号试块(图2)与被探产品的材料类型、厚度、曲率、表面光洁度相同,并且用与被探产品相同的胶粘剂在金属粘接面上作出形状、大小不同的脱粘伤。图2中A为圆形脱粘(14mm为椭圆形)。Ⅱ号对比试块是从试验后的产品上切割下来的含自然缺陷的试块(图3)。

  赵慧蓉:固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测3.2试块的检测3.2.1扫描速度的调节探伤所用仪器型号为CTS-22型,探头型号为探伤前应根据探测范围调节扫描速度,使仪器示波屏上时基扫描线的水平刻度值与实际声程成一定的比例关系。被探喷管金属件厚4mm,采用汕头超声仪器研究所生产的标准深度试块调节扫描速度,调节仪器面板上的水平旋钮及深度细调旋钮,扩大扫描量程,时基扫描线比例1∶2.5,接收到多次反射回波。

  3.2.2试块的检测结果及分析试块检测结果的照片见图4.试块检测结果的波形分析见表1.

  (a)试块良好粘接区(b)A脱粘区(圆形)(c)B脱粘区(椭圆形)(d)C脱粘区(不规则形)从图4及表1可看出:a)反射波前几次高度相差无几,这是因为超声波束并不是从波源开始扩散的,而是在波源附近存在一个不扩散的区域,在未扩散区,平均声压基本不变,圆晶片辐射的声场见图5所示;b)良好粘接区,声波除反射外,还存在进入非金属的透射波,喷管非金属绝热层与金属钢件相比,结构松散,组织不均匀、晶粒粗大,它对声能的衰减比钢严重的多,在5MHz频率下,通过计算,钢的衰减系数小于0.002dB,非金属绝热层达到6dB/mm,这使得良好粘接时,进入非金属件的透射波被累次吸收,能量衰减大,在仪器示波屏水平刻度6格以内,反射波包络线呈光滑弧线快速下降;c)在脱粘区,入射波被百分之百反射,反射波的波次增多,在仪器示波屏水平刻度8格处至满屏出波,比之良好粘接区,在示波屏同一水平刻度处,波幅增高,并随脱粘面积的增大,波次越多,波幅越高,反射波包络线呈锯齿状缓慢下降。

  固体火箭技术区域探伤仪显示情况良好粘接区多次反射波在示波屏水平刻度“6”格以内A脱粘区多次反射波在示波屏水平刻度“6”格处波幅达30%以上,在“8”格处波幅脱粘区多次反射波在示波屏水平刻度“8”格处波幅达30%,在“10”格处波幅达C脱粘区多次反射波在示波屏水平刻度“10”格处波幅达10%到30%3.3试块法确定探伤灵敏度复合构件是利用试块进行对比检测来确定探伤灵敏度的,根据试块检测结果,以Ⅰ号试块A脱粘圆形)为基准,将探头对准A脱粘,调节仪器衰减及增益旋钮,使来自A脱粘的多次反射波在仪器示波屏水平刻度“8”格处波幅达10%,以此时仪器面版上的衰减器分贝值作为探伤灵敏度,灵敏度调节好后,分贝值固定不变。

  4喷管粘接界面的超声检测4.1检测过程被探产品金属件材料为30CrMnSiA,非金属件材料采用高硅氧/酚醛,被探部位曲率Υ284mm,金属件厚4mm,金属件与非金属绝热层之间用944胶粘接,产品验收要求:脱粘面积不得大于总探伤面积探伤灵敏度确定后,即可对喷管金属与非金属粘接界面进行探伤,以Υ14mm圆形脱粘为基准,若发现某位置的多次反射波在仪器示波屏水平刻度8格处波幅达10%以上,则判为脱粘,脱粘面积的确定采用半波高度法,其原理为:入射声压经过脱粘的十多次百分之百反射,已接近球面波,可用简化式式中P为初始声压;d为晶片直径;λ为波长;s为距离;A为晶片面积。

  如果在同一条件下把它们的反射看作新的声源,脱粘区等于百分之百A面积发射,半波时等于A面积发射,则即在脱粘中心和脱粘边沿到晶片中心处的声压差为6dB,具体实施方法是:发现脱粘后,移动探头,使荧光屏上的反射脉冲幅度达到最高,然后再上下左右移动探头,当反射波幅各降为原来的一半时,探头中心线之间的位置即为脱粘的面积,用1∶1比例透明纸描出脱粘,用求积仪计算出脱粘的面积。表2给出了某批次一些喷管粘接面探伤的检测结果。

  4.2检则结果及分析对两个实际喷管金属与非金属粘接界面,采用本文介绍的超声纵波多次反射法进行检验,都能比较准确地发现其内部脱粘缺陷。经对喷管解剖对照,脱粘位置和脱粘面积也与检测结果吻合。

  在以后的应用中,经过近百台产品的检测,证明本方法可较准确地发现下列工件的内部脱粘缺陷:a.间隙型大面积脱粘。这类脱粘多是由于工件清理不净,内衬与外壳配合不严、工件变形等原因造成,此时其粘接强度比良好粘接强度低,反映在仪器示波屏上,多次反射波幅在水平刻度“10”格处达30%左右。

  b.孔隙型小块脱粘。这类脱粘多是由于涂胶不固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测均、胶层内部气体未排净和胶粘剂失效等原因造成,此时其粘接强度也低于良好粘接强度,反映在仪器示波屏上,多次反射波幅在水平刻度“8”格处达10%以上。

  6结束语采用超声波多次反射法,利用常规仪器设备,能较准确地发现粘接界面的各种脱粘缺陷。对固体火箭发动机喷管粘接界面的实际检测证明,本方法适用于生产线上的现场检测及阵地的探伤。