![固体火箭发动机黏接壳体超声C扫描检测系统研制与应用](https://sm.tqys.net/uploadfile/img/2020/09/13/10769d63be5e5a46dcfbdee15d0d807f.jpg)
某固体火箭发动机燃烧室采用壳体/绝热层/包覆层/推进剂的多界面结构形式,其中绝热层采用玻璃纤维缠绕成型后与钢质旋压壳体胶接而成。
在胶接过程中,若存在壳体内部多余物清理不干净、绝热层与壳体配合不严、胶层内部气体未排净等情况,黏接层易产生脱黏缺陷,尤其间隙型大面积脱黏缺陷对产品可靠性的危害极大,该类缺陷的存在往往会引起推进剂的碎裂、燃面的急剧增加,进而导致燃烧室压力失控、发动机壳体烧穿等情况,严重时甚至会引起发动机爆炸等灾难性后果。因此,对发动机燃烧室黏接界面进行质量控制和检测显得尤为重要。
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试验对象及检测需求
某型发动机燃烧室壳体为一个带有锥形过渡段的小直径柱体结构,壳体小端直径约为44mm,大端直径约为72mm,大小直径端通过锥形段过渡,固体火箭发动机燃烧室壳体与绝热层黏接结构示意如图1所示。
图1 固体火箭发动机燃烧室壳体与绝热层黏接结构示意
上述产品在制造过程中,在壳体与绝热层胶接结束后,需要对其胶接质量进行超声检测。目前,采用的检测方法为超声纵波多次反射法,其检测原理是当超声纵波垂直穿过钢壳体与绝热层黏接面时,由于两者的声阻抗不同,声波在界面处会产生反射和透射,若不考虑超声波在耦合剂及钢壳体中的声衰减,则在钢壳体与绝热层界面处产生的一次反射回波的声压P1可简化为式(1):
式中:P0为入射声波声压;T12,T21为耦合剂与钢壳体界面的透射系数;R23为钢壳体与黏接层界面的反射系数;Z2为钢的声阻抗;Z3为黏接层的声阻抗。
由式(1)可知,第n次反射回波声压只与反射系数R23有关,即Pn∝Rn23。当界面脱黏时,|R23|≈1,超声反射回波声压(对应回波信号幅值)随反射次数的增加下降缓慢;当界面黏接良好时,|R23|<1,超声反射回波声压随反射次数的增加迅速下降。这种差异在多次反射后可以明显区分,进而可实现壳体与绝热层界面黏接质量的检测。
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超声C扫描系统的组成及主要工作流程
壳体/绝热层胶接质量的超声C扫描检测系统由x轴、y轴、z轴和r轴组成的4轴卧式系统。其中,硬件部分主要包括超声仪和探头、多轴运动控制和驱动模块、机械扫查模块(其中:y轴和z轴用于检测前探头相对位置的调整,分别采用手动和气动控制调节方式;x轴和r轴用于检测过程中探头与工件相对位置的运动控制,采用电机驱动调节方式)、探头夹持装置、工件夹持装置、工控机、机架主体、气源等;软件部分主要包括超声信号采集控制、机械运动控制、检测图像处理评估等程序。
系统的主要检测流程为:
① 通过软件界面设置超声检测及扫查参数;
② 将壳体横向卧式放置于工件夹持装置上;
③ 手动调节y轴、探头夹持装置气动驱动z轴,使探头下压于壳体正上方;
④ 由多轴运动控制和驱动模块驱动工件夹持装置,带动壳体沿r轴360°旋转,驱动y轴、z轴、探头夹持装置及探头所形成的组合体沿x轴(壳体轴向)移动,完成壳体的自动扫查检测。
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系统关键技术解决方案
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