任文堅(jiān)，劉 貞，張 騰，劉國(guó)增，王永紅

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

推力室身部是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵組件，其制造難度大、周期長(zhǎng)、成本與價(jià)值高，工作時(shí)需承受高溫、高壓等惡劣環(huán)境考驗(yàn)。身部在釬焊過(guò)程中可能產(chǎn)生未釬著缺陷和通道堵塞，未釬著缺陷會(huì)降低夾層連接強(qiáng)度且容易發(fā)生液體串流，而通道若發(fā)生堵塞則發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)引起局部再生冷卻障礙，造成內(nèi)壁過(guò)熱燒穿，總之，這些不良缺陷若不能及時(shí)被檢測(cè)出來(lái)且被排除將會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量可靠性[1-3]。由于受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)限制，身部釬焊質(zhì)量檢測(cè)此前一直采用常規(guī)X射線膠片照相手工拍片工藝，為了兼顧檢測(cè)效率，采用較大的單次透照面積，導(dǎo)致底片影像變形大，黑度不均勻。此外，常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)工藝包含透照布置、曝光、暗室處理等多個(gè)環(huán)節(jié)[4]，容易導(dǎo)致檢測(cè)一致性差；底片也不能進(jìn)行對(duì)比度以及圖像處理，部分小缺陷容易出現(xiàn)錯(cuò)漏檢風(fēng)險(xiǎn)；再加上產(chǎn)品體積大、檢測(cè)分區(qū)數(shù)量多，檢測(cè)效率低；X射線膠片照相手工拍片工藝已難以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠性、高密度生產(chǎn)與發(fā)射需求[5]。

針對(duì)推力室身部釬焊質(zhì)量檢測(cè)需開(kāi)展新的檢測(cè)工藝方法研究，X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)(DR)是近年來(lái)興起的一種基于現(xiàn)代傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新的檢測(cè)方法，具有檢測(cè)效率高、圖像易存儲(chǔ)、數(shù)字化、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)和醫(yī)療診斷領(lǐng)域具有廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值[6-11]。本文通過(guò)推力室身部釬焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析、X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、檢測(cè)新工藝試驗(yàn)、檢測(cè)結(jié)果分析等研究工作，實(shí)現(xiàn)推力室身部釬焊縫X射線數(shù)字化自動(dòng)檢測(cè)，從而提高檢測(cè)能力與效率，并進(jìn)一步提升液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 推力室身部釬焊縫結(jié)構(gòu)

1.1.1 波紋板釬焊縫

波紋板式釬焊結(jié)構(gòu)為板式內(nèi)、外壁中間夾波紋板的結(jié)構(gòu)，經(jīng)高溫釬焊成為產(chǎn)品，圖1為波紋板釬焊縫的結(jié)構(gòu)示意圖。波紋板與內(nèi)外壁焊前裝配間隙小，釬焊時(shí)對(duì)內(nèi)腔抽真空，使內(nèi)外壁發(fā)生高溫蠕變而向波紋板貼合，使波紋板小平面與內(nèi)外壁的釬焊縫厚度為0.08 mm，并在兩側(cè)形成焊縫圓角，成型后的焊縫由釬料、基體的化學(xué)元素相互擴(kuò)散后形成的連接接頭與焊縫圓角兩部分組成[12]。

圖1 波紋板釬焊結(jié)構(gòu)Fig.1 Corrugated plate brazing structure

1.1.2 銑槽釬焊縫

銑槽式結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁和外壁均為板式，內(nèi)壁銑槽后與外壁進(jìn)行釬焊。內(nèi)外壁焊前裝配間隙小，釬焊時(shí)對(duì)內(nèi)腔抽真空，外壁高溫蠕變向內(nèi)壁筋肋小平面貼合，貼合緊密，其間隙僅有0.02 mm，肉眼觀察無(wú)明顯焊縫和焊角[12]，圖2為銑槽釬焊縫結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 銑槽釬焊結(jié)構(gòu)Fig.2 Milling groove brazing structure

1.2 推力室身部釬焊縫X射線檢測(cè)特點(diǎn)

待檢區(qū)域的X射線檢測(cè)靈敏度達(dá)到A級(jí)靈敏度要求時(shí)視為有效檢測(cè)，采用像質(zhì)計(jì)靈敏度表示，即在不同透照厚度范圍上放置同種材料制成的不同直徑的細(xì)絲，當(dāng)?shù)灼峡汕宄@示該絲徑且長(zhǎng)度不小于10 mm時(shí)，則認(rèn)為圖像質(zhì)量滿足像質(zhì)計(jì)靈敏度要求。X射線照相的相對(duì)靈敏度為

(1)

式中：TA為被檢部位的穿透厚度，mm；d為射線照片上可識(shí)別金屬絲最小直徑或焊角、小平面的厚度，mm。

將文獻(xiàn)[13]中金屬材料單壁透照時(shí)的像質(zhì)要求數(shù)據(jù)、波紋板焊角d1=0.4 mm、波紋板小平面厚度d2=0.08 mm、銑槽段小平面厚度d3=0.02 mm代入公式(1)，可計(jì)算出推力室身部各部位X射線檢測(cè)相對(duì)靈敏度如表1所示。

表1 推力室身部各部位X射線檢測(cè)靈敏度

Tab.1 Sensitivity of X-ray detection for various parts of thrust chamber body

部位TA/mmA級(jí)靈敏度/%焊角靈敏度/%小平面靈敏度/%端頭5.52.97.31.5圓柱端4.52.88.91.8喉部5.02.58.01.6尾噴管3.52.911.42.3銑槽段7.52.7—0.3

由表1可知，釬焊身部各部位焊角的相對(duì)靈敏度遠(yuǎn)大于A級(jí)像質(zhì)計(jì)靈敏度，因此常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)時(shí)容易識(shí)別出焊角影像；但對(duì)于釬焊小平面，各部位的相對(duì)靈敏度均小于A級(jí)像質(zhì)計(jì)靈敏度，常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)時(shí)，僅在釬焊料完全缺失存在流頭時(shí)才能檢出。對(duì)于銑槽釬焊結(jié)構(gòu)，其0.3%的相對(duì)靈敏度，常規(guī)X射線膠片照相則很難檢出未釬著缺陷。

2 X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

強(qiáng)度均勻的射線束透照物體時(shí)，如果物體局部區(qū)域存在缺陷或結(jié)構(gòu)差異，這種缺陷或差異將改變物體對(duì)射線的衰減，使得不同部位穿透的射線強(qiáng)度不同。采用一定的成像物質(zhì)檢測(cè)記錄透射射線的強(qiáng)度，對(duì)記錄的成像物質(zhì)進(jìn)行處理或識(shí)別后，即可觀測(cè)物體內(nèi)部的缺陷和結(jié)構(gòu)情況[14]。

射線數(shù)字成像采用探測(cè)器記錄射線，射線穿透工件后，探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在顯示器上呈現(xiàn)一定灰度值的圖像，根據(jù)圖像的明暗變化，來(lái)判定被檢產(chǎn)品的內(nèi)部質(zhì)量情況。在射線透照的同時(shí)可實(shí)時(shí)觀察到圖像，實(shí)時(shí)獲取被檢對(duì)象中缺陷的性質(zhì)、尺寸、位置及分布等數(shù)據(jù)。探測(cè)器的寬容度高，調(diào)節(jié)范圍廣，一次透照后，通過(guò)圖像處理可以識(shí)別不同厚度的內(nèi)部情況，而無(wú)需進(jìn)行再次曝光[15]。射線數(shù)字成像檢測(cè)過(guò)程分為透照、信號(hào)探測(cè)與轉(zhuǎn)換、圖像顯示與評(píng)定3個(gè)基本階段[16]。

2.2 系統(tǒng)組成

推力室身部X射線數(shù)字成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由X射線機(jī)、探測(cè)器、機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、輻射防護(hù)裝置等組成。

X射線機(jī)采用可變焦點(diǎn)射線機(jī)，其焦點(diǎn)尺寸分別為0.25，0.30，0.5，0.8 mm；面陣探測(cè)器(將射線信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置)選用非晶硅面陣探測(cè)器，其像素尺寸為200 μm，有效成像面積為200 mm×200 mm。工業(yè)機(jī)器人采用6個(gè)自由度自由調(diào)節(jié)，并由全伺服控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人控制面陣探測(cè)器沿工件外型面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，射線源自動(dòng)讀取機(jī)器人的高度進(jìn)行同步，完成檢測(cè)程序示教后，由機(jī)器自動(dòng)完成推力室身部X射線數(shù)字成像檢測(cè)。根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的身部產(chǎn)品進(jìn)行分類，每一類對(duì)應(yīng)相應(yīng)示教程序，檢測(cè)時(shí)只需根據(jù)被檢產(chǎn)品種類直接調(diào)用相對(duì)應(yīng)的示教程序即可。

3 檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 透照分區(qū)試驗(yàn)

推力室身部采用射線源在內(nèi)單壁單影透照，如圖3所示。推力室身部按設(shè)計(jì)要求需要進(jìn)行100%射線檢測(cè)，由于身部型面為連續(xù)曲面，不同高度方向存在多個(gè)厚度變化的特征區(qū)域，如端頭、圓柱段、收斂段、喉部、尾噴管、搭板等；因此需要綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、面陣探測(cè)器尺寸以及透照布置從高度方向和圓周方向分別進(jìn)行檢測(cè)分區(qū)。

依據(jù)射線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，不同的焦點(diǎn)尺寸允許的放大范圍不同；隨著焦點(diǎn)尺寸的增加，最佳放大倍數(shù)變??；為獲得最佳的圖像質(zhì)量，允許的幾何放大倍數(shù)變小。不同焦點(diǎn)尺寸下可達(dá)到的最佳圖像不清晰度如表2所示。

圖3 推力室身部X射線數(shù)字成像自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) Fig.3 Automatic X-ray digital imaging detection system for thrust chamber body

表2 不同焦點(diǎn)下最佳圖像不清晰度

身部的厚度范圍為3～5 mm，為驗(yàn)證不同放大倍數(shù)對(duì)靈敏度的影響，采用3～5 mm鋼平板試驗(yàn)件進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明在最佳放大倍數(shù)下的檢測(cè)靈敏度最高，如圖4所示從左到右的放大倍數(shù)分別為3.56，2.78，1.64，1.25，最佳放大倍數(shù)下，像質(zhì)計(jì)靈敏度達(dá)到W19，高于標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)要求的W17。在最佳放大倍數(shù)下可獲得最高的圖像分辨率，但由于空間位置影響部分位置無(wú)法滿足最佳放大倍數(shù)要求，只能選擇小焦點(diǎn)尺寸來(lái)改善檢測(cè)圖像質(zhì)量[17]。

放大透照時(shí)，實(shí)際檢測(cè)面積與探測(cè)器的面積不能同等大小直接對(duì)應(yīng)，需對(duì)身部進(jìn)行分區(qū)試驗(yàn)，通過(guò)放大倍數(shù)計(jì)算，粘貼搭接標(biāo)識(shí)后進(jìn)行分區(qū)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化驗(yàn)證，最終確定分區(qū)數(shù)量，如二級(jí)釬焊身部高度方向需分24個(gè)檢測(cè)分區(qū)，每個(gè)高度對(duì)應(yīng)周向分不同的分區(qū)數(shù)，整個(gè)釬焊身部共分535個(gè)區(qū)，對(duì)應(yīng)535張圖像。然后依據(jù)具體檢測(cè)分區(qū)對(duì)探測(cè)器機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行一一規(guī)劃以及示教程序設(shè)定。

圖4 不同放大倍數(shù)下的像質(zhì)計(jì)靈敏度 Fig.4 Sensitivity of image quality meter under different magnification times

3.2 檢測(cè)靈敏度試驗(yàn)

檢測(cè)參數(shù)包括透照參數(shù)及散射線防護(hù)、探測(cè)器響應(yīng)和壞像素校正等。采用射線膠片照相檢測(cè)時(shí)，高電壓會(huì)提高本底灰霧度，造成信噪比下降，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，滿足射線能穿透被檢產(chǎn)品的前提下，應(yīng)盡量選擇低電壓，通過(guò)增加曝光時(shí)間來(lái)提高底片的信噪比[18]。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，考慮檢測(cè)的效率，不能無(wú)限增加時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最小的曝光量及不同厚度下的最高電壓。

針對(duì)X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍然參照常規(guī)射線膠片照相對(duì)最高電壓進(jìn)行了規(guī)定，并且又表示X射線數(shù)字成像可以突破最高電壓的限值，但不能偏離太大，具體偏離值不確定，因此需對(duì)透照電壓進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，表3為推力室身部在不同透照電壓下的檢測(cè)圖像結(jié)果分析，其中D7雙絲指的是標(biāo)準(zhǔn)中的第7號(hào)雙絲[19]。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于射線數(shù)字成像檢測(cè)，適當(dāng)?shù)靥岣咄刚针妷?，有利于提高檢測(cè)圖像的分辨率及信噪比。面陣探測(cè)器的固有不清晰度隨著透照電壓的增加基本不變，而透照電壓的增加對(duì)曝光量的影響則為指數(shù)關(guān)系，因此，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?，可以大幅改善檢測(cè)圖像的信噪比。

表3 不同電壓下身部檢測(cè)圖像結(jié)果對(duì)比表

Tab.3 Comparison table of lower body detection image results under different voltages

編號(hào)灰度/%電壓/kVD7雙絲信號(hào)強(qiáng)度/%信噪比1438026.39742439330.658234310833.318244312034.289654313235.5110164314536.1595

數(shù)字圖像獲得過(guò)程中，圖像數(shù)字化采樣頻率、圖像位數(shù)直接決定圖像質(zhì)量。如何設(shè)置采樣間隔與采樣位數(shù)取決于圖像與效率的平衡，采樣間隔決定了系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)分辨率，采樣位數(shù)決定了實(shí)際檢測(cè)的對(duì)比度靈敏度。

系統(tǒng)采用16位、幀速30幀/s的面陣探測(cè)器，對(duì)推力室身部釬焊縫進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。不同采樣間隔獲得的圖像疊加效果如圖5所示，可見(jiàn)24次的疊加就可以獲得滿足檢測(cè)需求的圖像質(zhì)量，超過(guò)24次后圖像質(zhì)量提升較小，但是會(huì)導(dǎo)致采集時(shí)間、處理時(shí)間增加。

圖5 疊加次數(shù)對(duì)檢測(cè)圖像結(jié)果影響對(duì)比Fig.5 Comparison of influence of overlay times on results

4 檢測(cè)結(jié)果與分析

推力室身部型面為曲面，從理論上分析，檢測(cè)分區(qū)數(shù)量越多，影像變形越??；采用常規(guī)X射線膠片照相手工拍片工藝時(shí)，為了兼顧檢測(cè)效率與周期，分區(qū)數(shù)量受限，其影像變形比較明顯；采用數(shù)字成像自動(dòng)檢測(cè)新工藝時(shí)，檢測(cè)分區(qū)數(shù)量是手工拍片的5倍，其影像幾乎看不出變形，如圖6所示。

圖6 兩種檢測(cè)工藝的圖像對(duì)比Fig.6 Image comparison of two detection processes

推力室釬焊身部存在3個(gè)典型的特征部位，分別為喉部、圓柱段端頭、尾噴管搭板。

采用常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)工藝時(shí)，喉部區(qū)域最大檢測(cè)靈敏度僅能識(shí)別出像質(zhì)計(jì)14號(hào)絲，僅能達(dá)到國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的A級(jí)要求。改用新的檢測(cè)工藝即X射線數(shù)字成像檢測(cè)工藝，對(duì)于喉部同樣位置，可以識(shí)別出像質(zhì)計(jì)16號(hào)絲，如圖7(a)所示，因此喉部檢測(cè)靈敏度得到提高。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，打壓鼓包的大部分產(chǎn)品是由于喉部未釬著造成的，因此提高喉部的檢測(cè)靈敏度對(duì)于推力室釬焊身部的檢測(cè)尤為重要。

對(duì)于圓柱段端頭部位，常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)工藝必須增加一次45°傾斜透視才能獲得波紋板端頭的結(jié)構(gòu)影像，而改用射線數(shù)字成像檢測(cè)工藝后直接通過(guò)圖像窗寬窗位調(diào)節(jié)就可以使集液器下方的波紋板端頭清晰可見(jiàn)，如圖7(b)所示。

圖7 不同部位DR圖像Fig.7 DR image of the different parts

對(duì)于尾噴管搭板部位，在該部位經(jīng)常可能出現(xiàn)焊料漫流或焊料堆積，常規(guī)X射線膠片照相檢測(cè)工藝對(duì)于焊料的漫流狀態(tài)、堆積厚度不能進(jìn)行有效的評(píng)估，而采用X射線數(shù)字成像檢測(cè)工藝后，很容易識(shí)別出焊料的堆積程度，如圖8所示。

圖8 尾噴管搭板部位DR圖像Fig.8 DR image of strapping part of nozzle

5 結(jié)論

1)結(jié)合推力室釬焊身部X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)與數(shù)字射線檢測(cè)工藝研究，能有效檢出釬焊身部釬焊縫2 mm×1.5 mm未釬著缺陷和φ0.5 mm冷卻通道堵塞，檢測(cè)靈敏度能達(dá)到國(guó)軍標(biāo)A級(jí)要求，并且能清晰地識(shí)別出焊角、小平面以及釬焊料漫流狀態(tài)，滿足產(chǎn)品檢測(cè)要求。

2)相比于膠片照相手工拍片，數(shù)字成像自動(dòng)檢測(cè)工藝直接省去了裁片、包片、洗片等多個(gè)繁雜環(huán)節(jié)，完成單臺(tái)釬焊身部檢測(cè)僅需3 h，檢測(cè)效率同比提升300%，大幅縮短了產(chǎn)品檢測(cè)周期，降低了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3)常規(guī)射線膠片照相手工拍片的各個(gè)環(huán)節(jié)均為人工手動(dòng)操作，而數(shù)字成像檢測(cè)工藝則通過(guò)固定程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，因此在檢測(cè)一致性與差錯(cuò)率方面明顯優(yōu)于手工拍片。