干耦合穿透法在橡膠復合材料無損檢測中的應用研究

周 娥 王曉勇

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干耦合穿透法在橡膠復合材料無損檢測中的應用研究

周 娥 王曉勇

（湖北三江航天江北機械工程有限公司，孝感 432100）

介紹了一種低頻干耦合穿透法超聲波檢測在固體火箭發動機絕熱結構內部粘接質量檢測中的應用，設計制作了對比試塊以校準該方法的檢測靈敏度，并對實際產品進行了無損檢測，證明該方法適用于絕熱結構內部粘接質量檢測。

低頻；干耦合；穿透法；絕熱結構；粘接質量

1 引言

隨著航天技術的發展，對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越高[1]，絕熱層作為固體火箭發動機內防熱結構的重要部分，起著防止發動機燃燒室殼體內部溫度達到危及自身結構完整性及抵抗高溫、高燃氣流及顆粒物沖蝕的作用[2]。

通過無損檢測的方法控制絕熱結構內部粘接質量尤為重要。以固體火箭發動機絕熱結構某橡膠材料為例，通過工藝試驗，介紹一種應用于橡膠復合材料內部粘接質量超聲波檢測的低頻干耦合穿透法。

2 超聲波檢測原理

超聲波檢測是通過超聲波與工件材料相互作用后的信號幅度、能量衰減以及入射聲波與接收聲波之間的傳播時間評估缺陷。按照原理可將超聲波檢測方法分為：脈沖反射法、衍射時差法、穿透法、共振法等。其中，穿透法是采用一發一收兩只探頭分別置于被檢工件兩端面，依據脈沖波或連續波穿透工件之后的能量變化檢測工件缺陷的超聲波檢測方法。

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

若脫粘嚴重，聲波大量反射，接收探頭無法接收到透射波；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，依據超聲波儀顯示屏上波高與聲壓成正比的關系，可對該部位的粘接質量進行評定。

3 低頻干耦合穿透法超聲波檢測技術應用

3.1 待檢產品結構特點

該絕熱結構采用三元乙丙橡膠、多次硫化整體模壓成型，其外表面為純橡膠，內部鑲嵌金屬或其他加強材料。現需檢測純橡膠層間、橡膠與金屬粘接界面的粘接質量。

3.2 檢測儀器及探頭

檢測儀器選用CTS—9009PLUS，如圖1所示，考慮被檢產品多層界面、材質衰減，選擇低頻探頭進行超聲波穿透法檢測。為避免耦合劑污染被檢產品，采用在縱波探頭前端置橡膠囊，超聲波通過橡膠囊中耦合劑間接向工件傳遞的干耦合方式進行超聲波檢測，經多方調研，設計了專用于穿透法檢測的干耦合探頭，頻率為0.5MHz，其結構如圖2所示。

圖1 數字超聲波探傷儀

圖2 低頻干耦合探頭

3.3 對比試塊的設計與制作

分別選取制品純橡膠部位、橡膠與金屬粘接部位進行分段分區超聲波檢測，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，內部以一定規格、人工開槽模擬脫粘缺陷，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，內部以一定規格、人工開槽模擬脫粘缺陷。試塊規格見表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 檢測用對比試塊規格 mm2

3.4 試塊法確定檢測靈敏度

當采用人工脫粘試塊進行檢測靈敏度調節時，將發射探頭與接收探頭耦合在人工脫粘試塊的兩端面，在試塊上無人工缺陷部位選取不少于6個點測試穿透波幅值，將最低穿透波幅值調整到超聲檢測儀顯示屏滿刻度的80%，對人工脫粘缺陷進行掃查，若穿透波幅值不大于超聲檢測儀顯示屏滿刻度的20%，則靈敏度調節完成。

3.5 試塊的檢測

聲波在不同介質中聲速也有所差異，純橡膠材質中的縱波聲速為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。

干耦合穿透法檢測純橡膠試塊、橡膠與金屬粘接試塊，將一發一收兩只探頭分別耦合在人工脫粘試塊兩側，觀察超聲波儀，如圖5、圖6所示。試塊檢測結果見表2，可知，超聲波干耦合法檢測試塊時，檢測所得脫粘缺陷面積基本與人工開槽缺陷面積吻合。

圖5 干耦合穿透法檢測純橡膠試塊（脫粘區域、粘接良好區域、脫粘邊界位置）

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

表2 試塊檢測結果

3.6 試驗結果與分析

a 產品一

b 產品二

圖7 實際產品脫粘部位解剖圖

檢測靈敏度確定后，即可對實際產品進行干耦合穿透法超聲波檢測，觀察穿透波幅值，若某位置無穿透波形顯示，則判為脫粘；以該位置為中心，沿圓周方向移動探頭，當穿透波上升至顯示屏滿刻度的40%時，記探頭中心位置為脫粘缺陷邊界，以測得的最大長寬乘積作為實際脫粘面積。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結果吻合，檢測結果見表3。

表3 檢測結果與實際脫粘情況對比

4 結束語

采用低頻干耦合縱波穿透法對橡膠、橡膠與金屬粘接材料進行無損檢測，能有效檢測出其中的脫粘缺陷，并對脫粘缺陷進行定量分析。經過多件實際產品的脫粘缺陷檢測，證明本方法可用于固體火箭發動機絕熱結構內部粘接質量的實際檢測。

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動機中的應用[J]. 宇航材料工藝，2009(2)：12～14

2 邱哲明. 固體火箭發動機材料與工藝[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；研究方向：無損檢測技術與應用研究。

2016-12-15