固体火箭发动机射线照相缺陷定位法

2014-05-14贾庆龙苏志军

无损检测 2014年2期

贾庆龙，苏志军，成曙，杨明

（中国人民解放军96630部队，北京 102206）

射线检测中，缺陷定位的方法主要有黑度法、体视法、工业CT和视差法等，其中视差法应用最为广泛。《美国无损检测手册·射线卷》提出了射线照相缺陷定位的视差法［1]；杨飞等通过数字成像实现视差法对缺陷定位，并分析了影响视差法定位精度的因素［2]；张勤俭等提出了材料缺陷的三维定位模型，主要为断裂力学提供准确数据［3]。固体火箭发动机射线照相因工件和射线源的独特性，缺陷定位方法区别于一般工件，不能直接套用基本视差法公式。笔者简单介绍发动机射线照相的透照工艺，给出了界面脱粘的定位方法，推导了推进剂内部缺陷定位的二次成像法计算公式，创造性提出了几何作图法，方法简单，突出实用性，指导实践工作。

1 固体火箭发动机射线照相透照工艺

1.1 固体火箭发动机结构与缺陷

固体发动机燃烧室一般为旋转对称的空心结构，主要由壳体、绝热层、推进剂和人工脱粘层等组成。内绝热层位于燃烧室壳体内表面和推进剂药柱之间，主要起到保护壳体，防止壳体过度升温及保持结构完整性的作用，制作工艺有手工逐层贴片法和喷涂法，可能形成的缺陷有界面脱粘和绝热层内分层、孔洞、疏松等缺陷。旋转切线照相法可最大化地穿过脱粘延伸面，检测灵敏度达到1%，是检测界面脱粘缺陷的有效方法。推进剂药柱一般为内孔星型复杂结构，多采用帖壁式浇注工艺，其内部易形成气孔、夹杂、裂纹等缺陷。推进剂药柱内部缺陷一般采用径向照相方法，可将胶片放置在星孔内或星孔外部两种方式。

1.2 典型透照工艺

根据固体发动机结构特点和检测技术要求，一般将透照工艺分为两类，即切线照相和径向透照。

切线照相是射线束与燃烧室截面圆相切，主要用于检测界面脱粘或材料分层，如图1所示。径向照相又分为单壁径向透照和双壁径向透照，主要用于检测推进剂的裂纹、气孔、夹杂等缺陷。单壁径向透照是将胶片放在药柱芯孔内，射线穿透单侧药柱在胶片上成像，如图2（a）所示；双壁径向透照是将胶片放在燃烧室外侧，射线穿透整个药柱在胶片上成像，如图2（b）所示。

图1 切线照相

图2 径向透照工艺

2 固体火箭发动机射线照相缺陷定位法

2.1 界面脱粘的定位方法

发动机的界面脱粘或分层包括一、二、三界面脱粘和绝热层内部分层等，图3（a）所示为发动机前封头的衬层与药柱脱粘（即第三界面脱粘），通常采用切线照相方法检测。一般情况下，某角度的界面脱粘缺陷会直接反映在底片相应界面结构上，其它角度的缺陷影像因黑度反差小而不易被发现。特殊情况下，其它角度脱粘可投影到该角度底片上，影像较清晰，评定时注意排除干扰。

建立发动机结构的三维坐标系ζ（x，r，θ），发动机轴线为X轴，半径方向为r轴，周向方向为θ轴。以封头某角度的粘接界面脱粘F1F2（F1为起始点，F2为终点）为例，对其进行定位，如图4所示。定位步骤为：

图3 固体发动机界面脱粘和药柱气孔缺陷

图4 界面脱粘缺陷定位方法

（1）选取产品上易识别部位的影像作为参考点C（若底片上无产品易识别部位的影像，则可以在产品表面放置铅制标记，将其在底片上的影像作为参考点），再在底片上用量具测量缺陷至参考点的弧长CF1，然后除以放大倍数，得出缺陷起始点至参考点的实际距离。

（2）以产品Ⅰ象限刻度线为角度坐标零点，检测部位过发动机轴线切面OCF1F2与Ⅰ象限刻度线的夹角φ作为缺陷的角度坐标。

（3）根据缺陷F1F2至产品壳体内表面（或产品轴线）的距离判定其所在界面。

2.2 药柱内缺陷二次成像定位方法

射线照相方法是把工件的三维信息反映在底片上，一次照相无法确定空间信息，可通过多次照射反推缺陷的空间位置，理论上照射次数越多定位精度越高，但工程上两次照射就能够满足基本要求。固体发动机一般为旋转对称体，结合射线源的特点，两次照相可分别通过移动X射线源和旋转工件实现，即平移二次成像法和旋转二次成像法。药柱内缺陷一般包括气孔、夹杂、裂纹等，图3（b）为星型药柱内气孔缺陷，气孔与夹杂为非方向性缺陷，两种方法都可以使用，并对平移距离和旋转角度没有严格要求。裂纹为方向性缺陷，不适用该方法。2.2.1 平移二次成像法

如图5所示，以燃烧室纵轴线和横截面的交点为原点，建立直角坐标系ζ（x，y）。当发现缺陷时，通过垂直平移焦点位置，以相同工艺二次透照，根据缺陷在底片上的位置变化及照相参数确定缺陷在发动机内位置f（x，y）。

图5 平移二次照相定位方法

缺陷P的位置坐标计算公式如下：

式中：D为焦点至燃烧室轴心的距离；F为焦点至胶片的距离D＋T；y0为两次照相焦点垂直移动距离；y1为一次照相时的缺陷影像相对X轴的偏移量；y2为二次照相时同一缺陷影像相对X轴的偏移量。

2.2.2 旋转二次成像法

图6 旋转二次照相定位

如图6所示，以发动机某轴切面中心为原点建立极坐标系。在第一次照相发现缺陷的情况下，保持加速器焦点位置和发动机轴切面不变，将发动机旋转一定角度θ，进行二次照相，通过对底片缺陷和照相参数的测量，计算缺陷的极坐标值（R，α）。

缺陷P的位置坐标计算公式如下：

式中：a＝DFn＋F2h－m（Fcosθ－nsinθ）；

b＝m（Fsinθ＋ncosθ）－DE；

m＝DH＋HT；

n＝H＋d－h；

F＝D＋h；

E＝H－h。

A，B面分别为两个垂直方向的轴心面；h为焦点至A面距离；D为焦点至B面距离；T为胶片至B面距离；H为一次照相缺陷在底片上的影像距离A面距离；缺陷两次成像之间距离为d；旋转角度θ。

2.2.3 几何作图法

几何作图法利用射线照相的几何原理，可快速确定缺陷位置，适用于定位精度要求不高的工程应用。

固体火箭发动机射线照相工艺一般要求D/T不小于3，焦距较大，可以假设射线束为平行束。这样，某一照相角度θ1的底片上测量缺陷中心至发动机水平轴线的距离d，根据几何原理反推缺陷位置，一定在以发动机轴线为中心，以d为半径的圆的切线上，且在发动机内部，如图7所示的L1＋L2线段。同样原理，当发动机旋转至角度θ2时，也可以得到L′1＋L′2线段。将两个角度几何作图合成，两线段的交点c即为缺陷位置。测量c点距离圆心O的距离R，以及OC连线与I－Ⅲ象限线的夹角α，缺陷C位置坐标为（R，α），如图8所示。