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藥柱包覆層是一種橡膠類的阻燃覆層，廣泛應(yīng)用于多種武器，其具有控制藥柱燃燒面、穩(wěn)定燃?xì)鈮毫Φ淖饔谩，F(xiàn)有的理論和實(shí)踐均已表明，藥柱包覆層的脫黏缺陷是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要原因之一，其會(huì)導(dǎo)致藥柱燃燒截面增大，破壞發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)定推力、壓力的變化規(guī)律，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)爆炸，導(dǎo)致任務(wù)失敗。

 

藥柱包覆層黏接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)是該類產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵工序。自由裝填式藥柱包覆層主要包含丁腈橡膠(NBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)等，目前國(guó)內(nèi)航天、兵器領(lǐng)域藥柱研制生產(chǎn)單位大多采用激光散斑無(wú)損檢測(cè)技術(shù)來(lái)檢測(cè)藥柱包覆層的黏接質(zhì)量。激光錯(cuò)位散斑技術(shù)相對(duì)成熟，但在藥柱包覆層黏接質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，如對(duì)激光錯(cuò)位散斑檢測(cè)靈敏度認(rèn)識(shí)不足造成檢測(cè)要求與檢測(cè)能力不符；對(duì)散斑檢測(cè)錯(cuò)位距離的選取以及對(duì)包覆層表面進(jìn)行無(wú)損處理還缺少試驗(yàn)研究等。

 

藥柱包覆層錯(cuò)位散斑檢測(cè)原理

 

用經(jīng)過(guò)擴(kuò)束的激光照射被檢藥柱表面時(shí)，反射的子波相互干涉，通過(guò)錯(cuò)位裝置(見圖1)及成像系統(tǒng)可在錯(cuò)位方向形成有一定錯(cuò)位量的兩個(gè)散斑場(chǎng)。

 

 

圖1 激光錯(cuò)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

 

利用真空壓力控制系統(tǒng)對(duì)被檢藥柱施加一定的動(dòng)態(tài)負(fù)壓，將CCD(電荷耦合器件)相機(jī)采集的變形前后的散斑圖作相減處理，可以得到表示位移導(dǎo)數(shù)的干涉條紋圖，如圖2所示。

 

 

圖2 藥柱包覆層脫黏缺陷錯(cuò)位散斑檢測(cè)條紋圖

 

以水平方向（x方向）錯(cuò)位為例，可得到：

 

 

式中：w為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)z方向上的離面位移；λ為激光波長(zhǎng)；Isub為散斑圖相減后的光強(qiáng)；I0為原始光強(qiáng)；r為調(diào)制系數(shù)；ф為相位；Δ為相位差；δx為水平方向的錯(cuò)位。

 

傳統(tǒng)條紋圖包含的信息少，要實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)，獲得更為豐富的信息，就需要提取相位信息。相移技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的相位提取技術(shù)之一，其具有很高的空間分辨率和測(cè)試靈敏度，可以分為定步長(zhǎng)相移法和等步長(zhǎng)相移法兩大類。人工缺陷試樣錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖(四步相移法處理結(jié)果)如圖3所示，試樣包覆層為5mm的厚三元乙丙橡膠包覆層，從上至下3排缺陷的直徑分別為10,5,8mm。采用等步長(zhǎng)四步相移法，實(shí)現(xiàn)了0°,90°,180°,270°四步相移并采集了相應(yīng)的散斑圖像，對(duì)相移圖像進(jìn)行濾波、位相計(jì)算可得到缺陷試樣的包裹相位圖及解包裹相位圖。

 

 

圖3 人工缺陷試樣錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖（四步相移法處理結(jié)果）

 

檢測(cè)應(yīng)用

 

缺陷變形與壓差關(guān)系數(shù)值分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

 

藥柱包覆層常見缺陷為脫黏缺陷，缺陷試樣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 

 

 · 圖4 ·   藥柱包覆層缺陷試樣結(jié)構(gòu)示意

 

包覆層在抽真空激勵(lì)作用下，缺陷部位將產(chǎn)生離面位移，根據(jù)光的干涉原理，離面位移和波長(zhǎng)的關(guān)系為：

 

d=N×(λ/2)           (2)

 

式中：d為垂直于表面方向的離面位移；N為干涉條紋級(jí)數(shù)。

 

由式(2)可知，如果在載荷作用下，缺陷部位與周圍正常區(qū)域具有半個(gè)波長(zhǎng)的位移差，缺陷區(qū)域?qū)⑿纬梢患?jí)閉合特征條紋，此特征可用于缺陷的判定。不同材料、厚度包覆層的最小可檢測(cè)缺陷尺寸與材料的彈性模量、泊松比、包覆層厚度、密度以及壓力差等有關(guān)。

 

應(yīng)用ANYSYS軟件對(duì)不同厚度、不同尺寸缺陷在真空加載作用下的變形進(jìn)行仿真分析，得出缺陷可檢出需要的最小壓差。以丁腈橡膠、三元乙丙為對(duì)象，包覆層厚度為1~5mm，把黏接界面的缺陷看成是周邊固支的圓形薄板，按線彈性計(jì)算得出不同尺寸缺陷在真空壓力作用下的位移云圖，并對(duì)缺陷可分辨要求的最小壓差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1、表2所示。

 

表1 不同尺寸、不同厚度丁腈橡膠包覆層缺陷可分辨要求的最小壓差

 

包覆層厚度/mm	_	不同缺陷半徑的壓差/Pa			_
	1mm	2mm	3mm	4mm	5mm
1	2771	494	143	55	25
2	3325	1339	533	245	127
3	-	1642	897	483	273
4	-	1622	1056	675	421
5	-	-	1090	774	535

 

表2 不同尺寸、不同厚度三元乙丙包覆層缺陷可分辨要求的最小壓差

 

包覆層厚度/mm	_	不同缺陷半徑的壓差/Pa			_
	1mm	2mm	3mm	4mm	5mm
1	2229	380	108	41	19
2	2706	1077	402	185	95
3	-	1278	695	364	203
4	-	1254	838	523	318
5	-	1500	860	612	419

 

錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示（圖中L1為激光器；M1為反射鏡及相移器；M2為反射鏡；C1為CCD相機(jī)；BS為分束鏡），加載方式為真空箱負(fù)壓加載。

 

 

 · 圖5 ·   錯(cuò)位散斑檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

 

根據(jù)有限元仿真數(shù)值分析的結(jié)果，對(duì)不同厚度、不同尺寸的丁腈橡膠、三元乙丙藥柱模擬試樣進(jìn)行錯(cuò)位散斑檢測(cè)。藥柱試樣包覆層厚度為1~5mm，根據(jù)厚度預(yù)置不同尺寸的缺陷。實(shí)際檢測(cè)中可適當(dāng)增加壓差，隨著壓差增大，缺陷中心形變?cè)龃?，條紋級(jí)數(shù)增加，更利于識(shí)別缺陷。對(duì)于三元乙丙橡膠包覆層，試驗(yàn)推薦的最小壓差3~5kPa；丁腈橡膠包覆層推薦的最小壓差為4~7kPa。

 

圖6為三元乙丙包覆層藥柱試樣的錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖，圖6(a)缺陷的直徑從上到下4排依次為2,4,6,8mm，試樣包覆層厚度依次為1,2,3,4mm。圖6(b)試樣包覆層厚度為5mm，缺陷直徑從上到下依次為4,5,6,8,10mm。

 

 

 · 圖6 ·   三元乙丙包覆層藥柱試樣的錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖

 

圖7為丁腈包覆層藥柱試樣的錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖，圖7(a)試樣包覆層厚度為4mm，缺陷直徑從上到下依次為4,6,8,10mm。圖7(b)試樣包覆層厚度為5mm，缺陷直徑從下到上依次為6,8,10,15mm。

 

 

 · 圖7 ·   丁腈包覆層藥柱試樣的錯(cuò)位散斑檢測(cè)相位圖

 

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于1~5mm厚的丁腈橡膠和三元乙丙藥柱包覆層，最小可檢缺陷直徑與其厚度近似。

 

包覆層檢測(cè)錯(cuò)位量的選取及缺陷定量

 

激光經(jīng)擴(kuò)束后照射待測(cè)物體，再經(jīng)過(guò)錯(cuò)位裝置后產(chǎn)生兩個(gè)錯(cuò)位圖像，如圖8(a)所示，在一定范圍內(nèi)錯(cuò)位距離越大，測(cè)量分辨力越高，當(dāng)錯(cuò)位達(dá)到缺陷半徑時(shí)，如圖8(b)所示，測(cè)量靈敏度最大，此后，即使錯(cuò)位距離繼續(xù)增大，條紋級(jí)數(shù)也不再增加。

 

 

 · 圖8 ·   錯(cuò)位距離及缺陷測(cè)量示意

 

不同錯(cuò)位距離的丁腈橡膠包覆層散斑檢測(cè)相位圖如圖9所示。包覆層厚度為4mm，加載壓差為7kPa，錯(cuò)位方向?yàn)?5°方向。由圖9可以看出，隨著錯(cuò)位量的增大，條紋級(jí)數(shù)增多，缺陷檢測(cè)靈敏度提高。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)包覆層特點(diǎn)和檢測(cè)要求選取合適的錯(cuò)位量。一般對(duì)于丁腈橡膠、三元乙丙橡膠包覆層，缺陷檢測(cè)能力和厚度近似，選擇的錯(cuò)位距離應(yīng)至少為厚度的一半。

 

 

 · 圖9 ·   不同錯(cuò)位距離的丁腈橡膠包覆層散斑檢測(cè)相位圖

 

檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)“蝴蝶狀”特征干涉條紋，表明條紋區(qū)有脫黏缺陷。在錯(cuò)位方向(以水平方向?yàn)槔?上，缺陷尺寸等于條紋區(qū)尺寸D減去錯(cuò)位距離δx；在垂直錯(cuò)位方向上，缺陷尺寸等于條紋區(qū)的尺寸，如圖8(c)所示。

 

藥柱表面處理

 

采用激光散斑法檢測(cè)黑色光滑的藥柱包覆層時(shí)，反射率較低，散斑效應(yīng)不明顯，檢測(cè)效果差。在包覆層表面涂刷增加漫反射的物質(zhì)來(lái)提高反射率，可解決表面反光或低反射率的藥柱包覆層黏接質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)問(wèn)題。試驗(yàn)選取鈦白粉TiO2和碳酸鈣粉末涂刷在藥柱包覆層表面，待其完全干燥后對(duì)包覆層進(jìn)行檢測(cè)。涂刷TiO2前后的藥柱包覆層外觀如圖10所示，其錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

 

 

 · 圖10 ·   涂刷TiO2前后的藥柱包覆層外觀

 

 

 · 圖11 ·   涂刷TiO2前后的光滑藥柱包覆層錯(cuò)位散斑檢測(cè)結(jié)果

 

結(jié) 語(yǔ)

 

藥柱包覆層黏接質(zhì)量的錯(cuò)位散斑檢測(cè)是錯(cuò)位散斑檢測(cè)技術(shù)較成功的應(yīng)用之一。以上針對(duì)常用的丁腈橡膠、三元乙丙橡膠藥柱包覆層，在真空負(fù)壓加載壓差有限元數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，給出真空加載壓力差的推薦值，得出不同厚度包覆層可檢測(cè)的最小缺陷。對(duì)散斑檢測(cè)錯(cuò)位距離的選取、藥柱包覆層表面處理方法以及缺陷大小的測(cè)量做了詳細(xì)的介紹，有一定的參考價(jià)值。

 

作者：程茶園1，林鑫1，孫霖2，李正勇3，劉哲軍1

工作單位：1. 航天材料及工藝研究所

2. 湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所

3. 上海航天化工應(yīng)用研究所

第一作者：程茶園，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用研究工作。

來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2021年8期