干耦合穿透法在橡胶复合材料无损检测中的应用研究

周 娥 王晓勇



干耦合穿透法在橡胶复合材料无损检测中的应用研究

周 娥 王晓勇

（湖北三江航天江北机械工程有限公司，孝感 432100）

介绍了一种低频干耦合穿透法超声波检测在固体火箭发动机绝热结构内部粘接质量检测中的应用，设计制作了对比试块以校准该方法的检测灵敏度，并对实际产品进行了无损检测，证明该方法适用于绝热结构内部粘接质量检测。

低频；干耦合；穿透法；绝热结构；粘接质量

1 引言

随着航天技术的发展，对绝热材料自身的粘接性能及其与金属之间的粘接性能的要求越来越高[1]，绝热层作为固体火箭发动机内防热结构的重要部分，起着防止发动机燃烧室壳体内部温度达到危及自身结构完整性及抵抗高温、高燃气流及颗粒物冲蚀的作用[2]。

通过无损检测的方法控制绝热结构内部粘接质量尤为重要。以固体火箭发动机绝热结构某橡胶材料为例，通过工艺试验，介绍一种应用于橡胶复合材料内部粘接质量超声波检测的低频干耦合穿透法。

2 超声波检测原理

超声波检测是通过超声波与工件材料相互作用后的信号幅度、能量衰减以及入射声波与接收声波之间的传播时间评估缺陷。按照原理可将超声波检测方法分为：脉冲反射法、衍射时差法、穿透法、共振法等。其中，穿透法是采用一发一收两只探头分别置于被检工件两端面，依据脉冲波或连续波穿透工件之后的能量变化检测工件缺陷的超声波检测方法。

粘接面的脱粘缺陷是指相同或不同材质界面未粘好而形成的层间分层或鼓包现象，当超声波垂直穿过被检工件纯橡胶部位或者橡胶与金属粘接部位时，若纯橡胶层间、橡胶与金属层间存在脱粘缺陷，相当于内部存在空气层，其声阻抗与橡胶、金属声阻抗差异较大，声波在该界面产生不同程度的反射或透射。

若脱粘严重，声波大量反射，接收探头无法接收到透射波；若粘接完好或脱粘面积较小（仅为粘接不良），则接收探头能接收到透射波，依据超声波仪显示屏上波高与声压成正比的关系，可对该部位的粘接质量进行评定。

3 低频干耦合穿透法超声波检测技术应用

3.1 待检产品结构特点

该绝热结构采用三元乙丙橡胶、多次硫化整体模压成型，其外表面为纯橡胶，内部镶嵌金属或其他加强材料。现需检测纯橡胶层间、橡胶与金属粘接界面的粘接质量。

3.2 检测仪器及探头

检测仪器选用CTS—9009PLUS，如图1所示，考虑被检产品多层界面、材质衰减，选择低频探头进行超声波穿透法检测。为避免耦合剂污染被检产品，采用在纵波探头前端置橡胶囊，超声波通过橡胶囊中耦合剂间接向工件传递的干耦合方式进行超声波检测，经多方调研，设计了专用于穿透法检测的干耦合探头，频率为0.5MHz，其结构如图2所示。

图1 数字超声波探伤仪

图2 低频干耦合探头

3.3 对比试块的设计与制作

分别选取制品纯橡胶部位、橡胶与金属粘接部位进行分段分区超声波检测，因此分别制备纯橡胶试块、橡胶与金属粘接试块，如图3、图4所示。纯橡胶人工脱粘试块以多层橡胶硫化加压粘接而成，内部以一定规格、人工开槽模拟脱粘缺陷，橡胶与金属粘接人工脱粘试块以橡胶层、金属层、橡胶层顺序粘接而成，内部以一定规格、人工开槽模拟脱粘缺陷。试块规格见表1。

图3 纯橡胶人工脱粘试块

图4 橡胶与金属粘接人工脱粘试块

表1 检测用对比试块规格 mm2

3.4 试块法确定检测灵敏度

当采用人工脱粘试块进行检测灵敏度调节时，将发射探头与接收探头耦合在人工脱粘试块的两端面，在试块上无人工缺陷部位选取不少于6个点测试穿透波幅值，将最低穿透波幅值调整到超声检测仪显示屏满刻度的80%，对人工脱粘缺陷进行扫查，若穿透波幅值不大于超声检测仪显示屏满刻度的20%，则灵敏度调节完成。

3.5 试块的检测

声波在不同介质中声速也有所差异，纯橡胶材质中的纵波声速为1716m/s，空气中纵波声速为344m/s，某金属材料的纵波声速为6260m/s。

干耦合穿透法检测纯橡胶试块、橡胶与金属粘接试块，将一发一收两只探头分别耦合在人工脱粘试块两侧，观察超声波仪，如图5、图6所示。试块检测结果见表2，可知，超声波干耦合法检测试块时，检测所得脱粘缺陷面积基本与人工开槽缺陷面积吻合。

图5 干耦合穿透法检测纯橡胶试块（脱粘区域、粘接良好区域、脱粘边界位置）

图6 干耦合穿透法检测橡胶与金属粘接试块（从左至右依次为脱粘区域、粘接良好区域、脱粘边界位置）

表2 试块检测结果

3.6 试验结果与分析

a 产品一

b 产品二

图7 实际产品脱粘部位解剖图

检测灵敏度确定后，即可对实际产品进行干耦合穿透法超声波检测，观察穿透波幅值，若某位置无穿透波形显示，则判为脱粘；以该位置为中心，沿圆周方向移动探头，当穿透波上升至显示屏满刻度的40%时，记探头中心位置为脱粘缺陷边界，以测得的最大长宽乘积作为实际脱粘面积。解剖脱粘缺陷位置，如图7所示。脱粘位置和脱粘面积与检测结果吻合，检测结果见表3。

表3 检测结果与实际脱粘情况对比

4 结束语

采用低频干耦合纵波穿透法对橡胶、橡胶与金属粘接材料进行无损检测，能有效检测出其中的脱粘缺陷，并对脱粘缺陷进行定量分析。经过多件实际产品的脱粘缺陷检测，证明本方法可用于固体火箭发动机绝热结构内部粘接质量的实际检测。

1 汪建丽，王红丽，熊治荣. 三元乙丙橡胶绝热层在固体火箭发动机中的应用[J]. 宇航材料工艺，2009(2)：12～14

2 邱哲明. 固体火箭发动机材料与工艺[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-），硕士，仪器仪表工程专业；研究方向：无损检测技术与应用研究。

2016-12-15