整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)空氣耦合超聲波C掃描檢測

劉 凱 方文斌 王曉勇 夏美玲

整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)空氣耦合超聲波C掃描檢測

劉 凱1方文斌2王曉勇1夏美玲3

（1.湖北三江航天江北機械工程有限公司，孝感 432100；2.火箭軍裝備部駐孝感地區(qū)第一軍代室，孝感 432100；3.北京航天特種設(shè)備檢測研究發(fā)展有限公司，北京 100074）

整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)是碳纖維纏繞殼體的重要抗沖刷、抗燒蝕和承壓結(jié)構(gòu)。采用空氣耦合超聲波對整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)進行了檢測試驗。試驗結(jié)果顯示，空氣耦合超聲波C掃描檢測可有效檢測出整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)內(nèi)部10mm及以上的分層、脫粘缺陷。使用的探頭頻率越高，檢測靈敏度越高，缺陷邊緣越清晰。

整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)；空氣耦合；超聲波C掃描檢測

1 引言

碳纖維纏繞燃燒室殼體是固體火箭發(fā)動機的重要組成部分，燃燒室殼體在工作的過程中需承受高壓和高溫沖刷、燒蝕。整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)是碳纖維纏繞燃燒室殼體的重要抗沖刷、抗燒蝕和承力結(jié)構(gòu)[1]。主要采用絕熱橡膠材料和金屬接頭整體模壓成型，在成型的過程中由于橡膠的流動會產(chǎn)生分層、脫粘等缺陷。常規(guī)的無損檢測技術(shù)對其檢測均不具備完整的有效性，檢測結(jié)果的可靠性低，人為影響因素較大。采用自動化超聲C掃描檢測可全面、有效地對產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量進行檢測，但由于整體絕熱結(jié)構(gòu)的主要組成橡膠，成型后為軟質(zhì)、異型結(jié)構(gòu)，常規(guī)接觸式耦合和噴水耦合因產(chǎn)品變形導(dǎo)致耦合不良，無法實現(xiàn)掃查和自動化檢測。

2 空氣耦合超聲波檢測特點

傳統(tǒng)的超聲檢測需要采用耦合介質(zhì)（如水、油等）以使超聲波有效傳播到被檢物質(zhì)中。空氣耦合超聲檢測是通過使用特殊換能器在材料中激發(fā)和接收超聲波，檢測過程中不使用傳統(tǒng)的超聲耦合劑，是將空氣作為耦合介質(zhì)的一種非接觸式超聲波檢測技術(shù)[2]。具有非接觸的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)快速自動化掃查，檢測結(jié)果可有效減少人為因素影響，是工程領(lǐng)域復(fù)合材料無損檢測自動化、智能化的重要研究方向。

3 空氣耦合超聲波檢測試驗

3.1 人工缺陷試樣制作

采用橡膠模壓制作1塊200mm×200mm的試樣，并在試樣上分別采用貼紙法模擬制造10mm、20mm、30mm的分層、脫粘缺陷。

3.2 橡膠模壓結(jié)構(gòu)檢測試驗

由于超聲波受到聲波波長和頻率影響在復(fù)合材料中傳播時衰減較大，一般采用穿透法對復(fù)合材料的分層、脫粘缺陷進行檢測。空氣耦合超聲檢測實驗系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、超聲波收發(fā)器、前置放大器、空氣耦合超聲探頭等幾部分構(gòu)成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 空氣耦合超聲檢測實驗系統(tǒng)

超聲波檢測儀為PRACUT雙通道空氣耦合超聲波檢測儀，最大激發(fā)功率為1200V，適配頻率為0.02～10MHz。

空耦探頭：探頭頻率為采用400kHz的空氣耦合探頭，其壓電晶片選用特殊的材料制作，以降低壓電晶片的聲阻抗，實現(xiàn)與空氣有更好的阻抗匹配，減少能量衰減。

將被測試件放置于發(fā)射和接收探頭之間，探頭正對放置在橡膠兩側(cè)距表面一定距離處，調(diào)節(jié)探頭的水平位置使兩探頭軸線保持一致，同時調(diào)節(jié)好距離使接收到的穿透波波形幅值達到最大。調(diào)節(jié)檢測系統(tǒng)，分別將探頭對正試樣的無缺陷部位和人工缺陷部位，觀察在兩個部位空氣耦合探頭穿透波信號的透射情況，其檢測結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 無預(yù)制缺陷的穿透波信號

圖3 人工缺陷的穿透波信號

試驗結(jié)果顯示，無缺陷部位穿透波信號為1000mV，人工缺陷部位穿透波小于20mV，說明采用空氣耦合超聲檢測，可有效識別出橡膠模壓件內(nèi)部的分層、脫粘缺陷。

3.3 整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)空氣耦合超聲C掃描檢測

圖4 整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)缺陷試樣

由于空氣耦合超聲檢測為非接觸式檢測，檢測過程中不受產(chǎn)品變形的影響，可實現(xiàn)橡膠模壓制品的自動化超聲C掃描檢測。在某模壓絕熱結(jié)構(gòu)實物上截取一段弧長約為200mm的試樣，并在試樣上分別采用貼紙法模擬制造10mm、20mm、30mm的分層、脫粘缺陷，試塊如圖4所示。

分別采用頻率為200kHz和400kHz探頭對試樣缺陷部位進行空氣耦合超聲縱波穿透法C掃描檢測，由于檢測探頭的電壓耐受值最大為400V，超聲檢測儀的激發(fā)電壓設(shè)置為400V，掃查增益為30dB，掃描速度為60mm/s，采樣步進為0.4mm，不同幅值的接收信號采用不同顏色顯示。探頭頻率200kHz和400kHz的檢測結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 頻率200kHz檢測結(jié)果

圖6 頻率400kHz檢測結(jié)果

當(dāng)采用200kHz對試樣檢測時，可有效地檢測10mm、20mm、30mm的缺陷,無缺陷部位穿透波信號為1000mV，有缺陷部位穿透波小于20mV。當(dāng)采用400kHz對試樣檢測時，可有效地檢測10mm、20mm、30mm的缺陷,無缺陷部位穿透波信號為200mV，有缺陷部位穿透波小于20mV。對比200kHz和400kHz檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用400kHz檢測時缺陷邊界比200kHz識別度高，10mm缺陷辨識度高于200kHz，說明采用400kHz檢測時檢測靈敏度較高，但接收到的穿透波聲波幅值小于200kHz。對產(chǎn)品檢測時，在保證聲波穿透產(chǎn)品的前提下，可選擇頻率較高的探頭檢測。

在某整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)中截取一段帶有人工脫粘層的試樣，采用400kHz的探頭檢測，結(jié)果如圖7所示。

圖7 人工脫粘層部位檢測結(jié)果

圖8中左側(cè)區(qū)域為人工脫粘層與底層的粘接區(qū)域，右側(cè)區(qū)域為人工脫粘層的非粘接區(qū)域，結(jié)果顯示可明確區(qū)分出粘接區(qū)域與非粘接區(qū)域，且人工脫粘層根部界限識別度高。

4 結(jié)束語

通過采用空氣耦合超聲C掃描對絕熱結(jié)構(gòu)試樣檢測發(fā)現(xiàn)，該方法可有效檢測出整體模壓絕熱結(jié)構(gòu)10mm及以上分層、脫粘缺陷，缺陷可檢尺寸的大小和邊界。識別度與檢測頻率有關(guān)，檢測頻率越高檢測靈敏度越高，邊界可識別度越高。但檢測頻率越高，超聲波的穿透能力越差，故在檢測時應(yīng)根據(jù)檢測需求合理選擇檢測頻率。檢測試樣可有效識別人工脫粘層及其粘接區(qū)邊界，可對人工脫粘層的深度有效監(jiān)測。

1 秦鋒，張崇耿，張新航，等. 耐燒蝕三元乙丙橡膠絕熱層材料的性能研究[J]. 航天制造技術(shù)，2010(3)：26～28

2 沈建中，林俊明. 現(xiàn)代復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2016

Air-coupled Ultrasonic C-scan Testing of Whole Molded Insulation Structure

Liu Kai1Fang Wenbin2Wang Xiaoyong1Xia Meiling3

(1. Hubei Sanjiang Aerospace Jiangbei Machinery Engineering Co., Ltd., Xiaogan 432000;2. First Military Representative of the Rocket Army Equipment Department in Xiaogan Area, Xiaogan 432000;3. Beijing Aerospace Special Testing ＆ Research Co., Ltd., Beijing 100074)

As an important erosion resistant and pressure-bearing structure of carbon-fiber wound shell, whole molded insulation structure is widely used. The air-coupled ultrasonic testing experiments were carried out on whole molded insulation structure. The results show that the delamination and debonding defects of10mm or more in the whole molded insulation structure can be detected by air-coupled ultrasonic C-scan testing, the higher the probe frequency, the higher the detection sensitivity and the clearer the defect edge.

whole molded insulation structure；air-coupled ultrasonic；ultrasonic C-scan

TG115.28

A

劉凱（1992），工程師，測控技術(shù)與儀器專業(yè)；研究方向：無損檢測技術(shù)與應(yīng)用研究。

2021-07-12