賈慶龍,蘇志軍,成 曙,楊 明
(中國人民解放軍96630部隊,北京 102206)
射線檢測中,缺陷定位的方法主要有黑度法、體視法、工業(yè)CT和視差法等,其中視差法應用最為廣泛?!睹绹鵁o損檢測手冊·射線卷》提出了射線照相缺陷定位的視差法[1];楊飛等通過數字成像實現視差法對缺陷定位,并分析了影響視差法定位精度的因素[2];張勤儉等提出了材料缺陷的三維定位模型,主要為斷裂力學提供準確數據[3]。固體火箭發(fā)動機射線照相因工件和射線源的獨特性,缺陷定位方法區(qū)別于一般工件,不能直接套用基本視差法公式。筆者簡單介紹發(fā)動機射線照相的透照工藝,給出了界面脫粘的定位方法,推導了推進劑內部缺陷定位的二次成像法計算公式,創(chuàng)造性提出了幾何作圖法,方法簡單,突出實用性,指導實踐工作。
固體發(fā)動機燃燒室一般為旋轉對稱的空心結構,主要由殼體、絕熱層、推進劑和人工脫粘層等組成。內絕熱層位于燃燒室殼體內表面和推進劑藥柱之間,主要起到保護殼體,防止殼體過度升溫及保持結構完整性的作用,制作工藝有手工逐層貼片法和噴涂法,可能形成的缺陷有界面脫粘和絕熱層內分層、孔洞、疏松等缺陷。旋轉切線照相法可最大化地穿過脫粘延伸面,檢測靈敏度達到1%,是檢測界面脫粘缺陷的有效方法。推進劑藥柱一般為內孔星型復雜結構,多采用帖壁式澆注工藝,其內部易形成氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。推進劑藥柱內部缺陷一般采用徑向照相方法,可將膠片放置在星孔內或星孔外部兩種方式。
根據固體發(fā)動機結構特點和檢測技術要求,一般將透照工藝分為兩類,即切線照相和徑向透照。
切線照相是射線束與燃燒室截面圓相切,主要用于檢測界面脫粘或材料分層,如圖1所示。徑向照相又分為單壁徑向透照和雙壁徑向透照,主要用于檢測推進劑的裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。單壁徑向透照是將膠片放在藥柱芯孔內,射線穿透單側藥柱在膠片上成像,如圖2(a)所示;雙壁徑向透照是將膠片放在燃燒室外側,射線穿透整個藥柱在膠片上成像,如圖2(b)所示。
圖1 切線照相
圖2 徑向透照工藝
發(fā)動機的界面脫粘或分層包括一、二、三界面脫粘和絕熱層內部分層等,圖3(a)所示為發(fā)動機前封頭的襯層與藥柱脫粘(即第三界面脫粘),通常采用切線照相方法檢測。一般情況下,某角度的界面脫粘缺陷會直接反映在底片相應界面結構上,其它角度的缺陷影像因黑度反差小而不易被發(fā)現。特殊情況下,其它角度脫粘可投影到該角度底片上,影像較清晰,評定時注意排除干擾。
建立發(fā)動機結構的三維坐標系ζ(x,r,θ),發(fā)動機軸線為X軸,半徑方向為r軸,周向方向為θ軸。以封頭某角度的粘接界面脫粘F1F2(F1為起始點,F2為終點)為例,對其進行定位,如圖4所示。定位步驟為:
圖3 固體發(fā)動機界面脫粘和藥柱氣孔缺陷
圖4 界面脫粘缺陷定位方法
(1)選取產品上易識別部位的影像作為參考點C(若底片上無產品易識別部位的影像,則可以在產品表面放置鉛制標記,將其在底片上的影像作為參考點),再在底片上用量具測量缺陷至參考點的弧長CF1,然后除以放大倍數,得出缺陷起始點至參考點的實際距離。
(2)以產品Ⅰ象限刻度線為角度坐標零點,檢測部位過發(fā)動機軸線切面OCF1F2與Ⅰ象限刻度線的夾角φ作為缺陷的角度坐標。
(3)根據缺陷F1F2至產品殼體內表面(或產品軸線)的距離判定其所在界面。
射線照相方法是把工件的三維信息反映在底片上,一次照相無法確定空間信息,可通過多次照射反推缺陷的空間位置,理論上照射次數越多定位精度越高,但工程上兩次照射就能夠滿足基本要求。固體發(fā)動機一般為旋轉對稱體,結合射線源的特點,兩次照相可分別通過移動X射線源和旋轉工件實現,即平移二次成像法和旋轉二次成像法。藥柱內缺陷一般包括氣孔、夾雜、裂紋等,圖3(b)為星型藥柱內氣孔缺陷,氣孔與夾雜為非方向性缺陷,兩種方法都可以使用,并對平移距離和旋轉角度沒有嚴格要求。裂紋為方向性缺陷,不適用該方法。2.2.1 平移二次成像法
如圖5所示,以燃燒室縱軸線和橫截面的交點為原點,建立直角坐標系ζ(x,y)。當發(fā)現缺陷時,通過垂直平移焦點位置,以相同工藝二次透照,根據缺陷在底片上的位置變化及照相參數確定缺陷在發(fā)動機內位置f(x,y)。
圖5 平移二次照相定位方法
缺陷P的位置坐標計算公式如下:
式中:D為焦點至燃燒室軸心的距離;F為焦點至膠片的距離D+T;y0為兩次照相焦點垂直移動距離;y1為一次照相時的缺陷影像相對X軸的偏移量;y2為二次照相時同一缺陷影像相對X軸的偏移量。
2.2.2 旋轉二次成像法
圖6 旋轉二次照相定位
如圖6所示,以發(fā)動機某軸切面中心為原點建立極坐標系。在第一次照相發(fā)現缺陷的情況下,保持加速器焦點位置和發(fā)動機軸切面不變,將發(fā)動機旋轉一定角度θ,進行二次照相,通過對底片缺陷和照相參數的測量,計算缺陷的極坐標值(R,α)。
缺陷P的位置坐標計算公式如下:
式中:a=DFn+F2h-m(Fcosθ-nsinθ);
b=m(Fsinθ+ncosθ)-DE;
m=DH+HT;
n=H+d-h(huán);
F=D+h;
E=H-h(huán)。
A,B面分別為兩個垂直方向的軸心面;h為焦點至A面距離;D為焦點至B面距離;T為膠片至B面距離;H為一次照相缺陷在底片上的影像距離A面距離;缺陷兩次成像之間距離為d;旋轉角度θ。
2.2.3 幾何作圖法
幾何作圖法利用射線照相的幾何原理,可快速確定缺陷位置,適用于定位精度要求不高的工程應用。
固體火箭發(fā)動機射線照相工藝一般要求D/T不小于3,焦距較大,可以假設射線束為平行束。這樣,某一照相角度θ1的底片上測量缺陷中心至發(fā)動機水平軸線的距離d,根據幾何原理反推缺陷位置,一定在以發(fā)動機軸線為中心,以d為半徑的圓的切線上,且在發(fā)動機內部,如圖7所示的L1+L2線段。同樣原理,當發(fā)動機旋轉至角度θ2時,也可以得到L′1+L′2線段。將兩個角度幾何作圖合成,兩線段的交點c即為缺陷位置。測量c點距離圓心O的距離R,以及OC連線與I-Ⅲ象限線的夾角α,缺陷C位置坐標為(R,α),如圖8所示。
圖7 幾何作圖法原理
一般情況,兩個角度的底片即可確定缺陷位置。若有n個角度底片均能反映同一缺陷,幾何作圖產生的n條線段相交產生n(n-1)/2個交點,用涵蓋所有交點的最小包絡圓的圓心表示缺陷位置,測量圓心的坐標(R,α),如圖8所示。該方法可以減小系統的測量誤差。
圖8 幾何作圖法對缺陷定位
固體火箭發(fā)動機缺陷分為界面脫粘缺陷和推進劑內部缺陷,兩類缺陷分別需要采用切線照相和徑向透照工藝。界面脫粘可通過一次切線照相進行三維定位,推進劑內部缺陷通常采用平移二次成像法和旋轉二次成像法,幾何作圖法可作為一種實用的工程方法被應用于實踐。
[1]美國無損檢測學會.美國無損檢測手冊·射線卷[M].上海:世界圖書出版公司,1992.
[2]楊飛.X射線數字成像中的缺陷定位檢測技術研究[D].山西:華北工學院,2003.
[3]張勤儉,張建華,李敏,等.射線照相缺陷三維定位的數學模型[J].無損檢測,2001,23(2):59-61.