喷管复合材料扩张段的阵地超声探伤研究

　　1 引言

　　对复合材料的无损检测,除传统的超声、射线等方法外,还有工业CT、红外、激光全息等多种新型方法配合使用的无损检测综合分析方法。虽然新技术发展很快,但超声波探伤以其检测方法简单、便捷、对人体无害、无污染,尤其在界面粘接、层间分层的检测上,有着其它方法不可替代的作用。随着干耦合探头技术的应用,那些不宜涂抹耦合剂、怕污染的非金属复合材料也能够采用超声波检测。在国内,超声干耦合检测技术在金属领域应用已有报道,但对于非金属复合材料报道较少见。20世纪90年代中期以来,43所在国内首先采用超声干耦合技术对喷管复合材料扩张段绝热层进行了超声穿透法无损检测,结合水耦合超声无损检测判伤经验,在探伤中获得成功,基本满足了喷管的检测需求。

　　固体火箭发动机在服役几年后,由于储运环境的变化,非金属材料的储存老化以及一些机械因素的影响,可能导致喷管材料新的损伤。因此,为了确保发动机正常工作,以及研究固体发动机正常储存期限,阵地探伤不可缺少。鉴于导弹在总装后,喷管部位处于弹体尾罩内,只有扩张段内型面暴露出来,而一般情况下导弹弹体是不能轻易折卸的,所以只能采用单面探伤方法,同时考虑到喷管材料不宜浸水,怕污染,以及探伤方法在阵地要求便捷、对人体无危害等特点,超声干耦合单面检测方法成为最理想的方法。

　　2 超声干耦合单面检测原理

　　由于喷管非金属材料为层状缠绕复合结构,对超声波的衰减很严重,传统的超声单面反射法,也就是在金属探伤中常见的纵波单探头反射法,基本无法应用。因此对于阵地探伤来说,通过分析研究超声波的类型及实践最终选定了表面波。

　　当介质表面受到交变应力作用时,介质表面质点作椭圆运动,产生沿介质表面传播的波,称为表面波,如图1所示。也就是说,把发射和接收探头置于喷管的同侧,通过接收表面波对其进行检测。

　　和纵波、横波不同,表面波的能量随传播深度增加而迅速减弱,一般只能发现距工件表面两倍波长深度内的缺陷。而声波波长λ可表示

　　式中,C为超声波在被检测物体中的传播速度;f为超声波探伤所用探头频率。

　　因此在金属探伤通常使用的频率下,只能发现距表面几个毫米内的缺陷,所以金属探伤不常应用表面波。而喷管复合材料因其厚度较薄,整个扩张段厚度变化也不大,且检测非金属材料的探伤频率一般不超过0.5kHz,大大增加了表面波在非金属材料里的检测厚度,因此只要选取合适的探头频率,就能够满足检测的要求。