基于x射線切向照技術(shù)的推進(jìn)劑裝藥包覆層藥柱黏接界面脫黏缺陷檢測(cè)

基于x射線切向照技術(shù)的推進(jìn)劑裝藥包覆層藥柱黏接界面脫黏缺陷檢測(cè)

包層是固體緊固件裝載的重要組成部分。與緊固件的結(jié)合質(zhì)量直接影響固體緊固件的工作性能。在固體推進(jìn)劑裝藥試制過程中,可能由于黏接面受到污染或黏合面內(nèi)部的氣體未能排出,導(dǎo)致界面黏接力較弱或黏接面分離,形成脫黏缺陷;裝藥固化時(shí)由于推進(jìn)劑內(nèi)部材料收縮,可能使黏接面受力而引起黏接面分離,形成脫黏缺陷;對(duì)于儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)的推進(jìn)劑裝藥,黏接劑老化失效也可能導(dǎo)致黏接面分離,形成脫黏缺陷。在固體推進(jìn)劑裝藥缺陷中,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)威脅最大的就是黏接界面脫黏缺陷。藥柱與包覆層之間的脫黏缺陷會(huì)導(dǎo)致燃?xì)饣蚧鹧媾c脫黏藥柱表面直接接觸,在推進(jìn)劑裝藥工作時(shí)燃面突然增大,曲線異常,推力偏離其設(shè)計(jì)值,可能導(dǎo)致發(fā)射失敗,特別是當(dāng)燃燒表面面積大大超過設(shè)計(jì)值,燃燒室殼體無法承受過高壓力時(shí),將導(dǎo)致災(zāi)難性的燃燒室爆炸。因此脫黏缺陷的檢測(cè)技術(shù)是控制固體推進(jìn)劑裝藥質(zhì)量的關(guān)鍵X射線照相檢測(cè)技術(shù)是最基本,也是靈敏度最高的檢測(cè)技術(shù),在固體推進(jìn)劑裝藥藥柱內(nèi)部缺陷的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用1插裝式固體制劑/藥柱黏接界面檢測(cè)X射線切向照相,即中心射線束與被檢測(cè)試件的圓周切向部位相對(duì)正投影的一種檢測(cè)方法。此原理的導(dǎo)出可按圖1討論如圖1所示,設(shè)AB為平行于被檢件軸向的任一射線束,它與被檢件的中心距離為x,在射線照相檢測(cè)的各種透照布置中,不同射線束的透照厚度比k與所形成的射線束夾角β,決定于該射線束與被檢試件中心的距離。當(dāng)x<r時(shí)式(1)中:T'為邊緣射線束透照厚度(mm);R為被檢件外徑(mm);r為被檢件內(nèi)徑;x為射線束與被檢件中心的距離。式(2)中:T為中心射線束透照厚度;D為被檢件外徑;k為透照厚度比。整理得到:從式(4)可以證明,隨著x值的增大透照厚度比也將增大,因而,總存在某個(gè)x值,即某個(gè)照射角,使透照厚度比k達(dá)到限定的最大值。透照厚度比k與射線束方向的夾角β的關(guān)系可用如下方式建立。在圖1的△AOE中,按余弦定理有所以用k、T、D代替有關(guān)的量,進(jìn)行整理,得到式(5)指出,射線夾角β與透照厚度比k的關(guān)系是一一對(duì)應(yīng)的。即當(dāng)透照厚度比為1時(shí),射線夾角β最小,此時(shí),能最大限度的保證面積性缺陷的檢出。固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面脫黏缺陷的檢測(cè)就是取決于黏接界面與射線束方向的夾角。切向照相檢測(cè)技術(shù)就是基于此提出的一種射線檢測(cè)方法。采用此法能很好地解決固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱黏接界面檢測(cè)問題。它的原理是使中心束射線方向基本平行于黏接界面(圖2),此時(shí),射線夾角β最小,能最大限度檢出包覆層/藥柱界面的缺陷。2應(yīng)用檢測(cè)條件2.1固體獸藥包覆層/藥柱射線的特征射線照相檢驗(yàn)的基本透照參數(shù)是焦距、射線能量、曝光量、有效透照區(qū)和透照次數(shù),其對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱射線照片的質(zhì)量及缺陷判定具有重要影響。2.1.1焦距的確定焦距直接關(guān)系到射線照相的幾何清晰度,并影響其他透照參數(shù)的確定,對(duì)射線照相得到的影像質(zhì)量、對(duì)射線照相靈敏度都具有重要影響。確定焦距時(shí)必須考慮以下兩點(diǎn):所選取的焦距必須滿足射線照相對(duì)幾何清晰度的要求;所選取的焦距能夠給出射線強(qiáng)度比較均勻的適當(dāng)大小的透照區(qū)。焦距最小值的計(jì)算公式式(6)中:F從式(6)可以看出,在確定焦距時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮物體的透照厚度、射線源的焦點(diǎn)尺寸、限定的幾何不清晰度。實(shí)際檢測(cè)中,在確定了最小焦距后,還必須考慮有效透照區(qū)的大小,即所選用的焦距必須給出射線強(qiáng)度均勻的適當(dāng)大小的透照?qǐng)?。因?實(shí)際選用的焦距是要大于焦距最小值。但是,選用的焦距值也不能過大,否則將會(huì)大大增加曝光量,降低工作效率。X射線探傷機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)焦距是600mm,這是對(duì)鋼鐵而言(鐵的厚度為60mm),用這個(gè)焦距檢測(cè)固體推進(jìn)劑藥柱/包覆層黏接質(zhì)量,其靈敏度只有3%,底片影像模糊不清,不能很好地判斷固體推進(jìn)劑藥柱/包覆層界面黏接質(zhì)量。要解決這一問題,只能提高探傷靈敏度。而影響靈敏度的主要因素是幾何不清晰度。幾何不清晰度又受焦點(diǎn)尺寸、藥柱尺寸及焦距的控制,其關(guān)系式為式(7)中:T為藥柱直徑尺寸;d為射線源焦點(diǎn)尺寸;F為焦距(射線源至膠片的距離)。由式(7)可知,在射線源尺寸、藥柱尺寸一定的情況下,主要通過改變焦距的方法來減小幾何不清晰度、提高探傷靈敏度。在固體推進(jìn)劑包覆層/藥柱界面切向射線照相技術(shù)研建過程中,最困難的就是焦距的確定。其具體方法如下:在防護(hù)散射線的基礎(chǔ)上,以標(biāo)準(zhǔn)焦距為基礎(chǔ),每次把焦距增大50mm做對(duì)比試驗(yàn),當(dāng)焦距增大到1300mm時(shí),底片的清晰度有了很大提高,探傷靈敏度也達(dá)到了2%,完全滿足了包覆層/藥柱界面黏接質(zhì)量的檢測(cè)。根據(jù)實(shí)際情況,焦距一般固定為2.0m。2.1.2散射比和粒度射線能量是重要的基本透照參數(shù),隨著射線能量的提高,線衰減系數(shù)將減小,膠片固有不清晰度將增大,此外還將影響散射比。推薦的選取射線能量的原則是,在保證射線具有一定的穿透能力的條件下選用較低的能量。通過大量對(duì)比試驗(yàn),對(duì)自由裝填式固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面脫黏缺陷檢測(cè)的射線能量控制在70~80kV,此時(shí)底片影像質(zhì)量最好。2.1.3管電流i曝光量直接影響底片的黑度和影像的顆粒度,也即影響固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面缺陷射線照片影像可記錄的細(xì)節(jié)最小尺寸。曝光量如下式:式(8)中:i為管電流;t為曝光時(shí)間。實(shí)際檢測(cè)中,當(dāng)加大曝光量后,多幅具有較大黑度起伏的影像就會(huì)互相疊加,不規(guī)則的黑度起伏相互補(bǔ)充,降低了每個(gè)點(diǎn)間黑度的相對(duì)差,但細(xì)節(jié)影像的黑度是固定顯示在同一位置,由于多次疊加越來越高而明顯的顯現(xiàn)出來。因此,曝光量必須達(dá)到一定的大小,才能保證小的細(xì)節(jié)的影像的可檢測(cè)性,即固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面缺陷影像的檢出。2.1.4固體獸藥包覆層/藥柱界面缺陷a級(jí)檢測(cè)技術(shù)確定有效透照區(qū)的方法一是控制透照厚度比k,二是控制射線源與被檢件源側(cè)表面距離f和有效透照區(qū)L的比值。固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面缺陷檢測(cè)采用A級(jí)檢測(cè)技術(shù)L≤f/2,在透照厚度比k=1、焦距F=2.0m、固體推進(jìn)劑裝藥藥柱直徑D=10~500mm條件下,有效透照區(qū)L應(yīng)控制在750~950mm。實(shí)際檢測(cè)中,有效透照區(qū)L取值為600mm。2.1.5固體制劑包覆層/藥柱周界面質(zhì)量控制為確保包覆層/藥柱界面都能得到有效的檢驗(yàn),須進(jìn)行多方位透照。隨著固體推進(jìn)劑藥柱直徑的增大,檢測(cè)次數(shù)也相應(yīng)增多。試驗(yàn)結(jié)果證明,對(duì)于20mm≤D≤50mm的固體推進(jìn)劑裝藥,應(yīng)至少以900劃分四區(qū)域進(jìn)行透照;對(duì)于50mm≤D≤200mm的固體推進(jìn)劑裝藥,應(yīng)至少以600劃分六區(qū)域進(jìn)行透照;對(duì)于200mm≤D≤500mm的固體推進(jìn)劑裝藥,應(yīng)至少以450劃分八區(qū)域進(jìn)行透照。則可以對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱周界面質(zhì)量做出可靠的評(píng)定。表1為某固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面缺陷檢測(cè)透照參數(shù)表。2.2透照位置的選取視可能出現(xiàn)的缺陷類型和特點(diǎn),從這些缺陷本身選擇適宜檢測(cè)的透照布置。不同的加工工藝產(chǎn)生的缺陷不同,不同的缺陷可以具有不同的形狀、尺寸、延伸方向并可能出現(xiàn)在不同的位置。因此,在確定透照布置時(shí)必須考慮所要檢測(cè)缺陷的類型和特點(diǎn),盡量使可能存在的缺陷更靠近膠片,通過減少缺陷與膠片的距離,減小幾何不清晰度,從而提高缺陷影像的可識(shí)別性。應(yīng)考慮驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷的要求,所選取的透照布置應(yīng)有利于保證達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷檢出的要求。根據(jù)被透照物體的具體情況和特點(diǎn)選擇適宜的透照位置及方向。2.3增感材料薄膜。根據(jù)增感效果分增感屏是一種用來縮短射線照相曝光時(shí)間和改善射線照相效果而附貼在X射線膠片兩側(cè)的增感材料薄片或薄膜,分為熒光增感屏、金屬增感屏和金屬熒光增感屏2.4固體藥劑整理工藝由于射線與被透照物質(zhì)的相互作用,任何受到射線照射的物體都將產(chǎn)生散射線。散射線對(duì)影像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:即降低影像對(duì)比度和產(chǎn)生“邊蝕”。減少散射線的主要方法是盡量減少物體被透照區(qū)以外受到射線照射的范圍大小,常用的方法是使用背鉛板、用濾波板、光闌限制射線束的大小,用遮蔽物遮蓋不要求透照的區(qū)域。在固體推進(jìn)劑包覆層/藥柱射線照相檢測(cè)中,采用對(duì)射線有強(qiáng)烈吸收性能的鉛板制作光闌和遮蔽物。濾波板、光闌的孔徑和孔的形狀按照透照區(qū)的大小和形狀設(shè)計(jì),放在靠近射線源的位置,能很好地起到吸收散射線的作用。對(duì)于背散射線的防護(hù),通常情況下,用不小于4mm鉛板置于膠片暗袋后面吸收來自推進(jìn)劑藥柱背景的散射線。對(duì)于非透照區(qū)域的遮擋,一般使用厚度為1~2mm鉛板。實(shí)際透照過程中,為了進(jìn)一步減少散射線造成的“邊蝕”,除了上述措施之外,采用0.1~0.2mm的鉛箔增感屏遮蓋在被檢測(cè)推進(jìn)劑藥柱的非透照區(qū)域,并在各推進(jìn)劑藥柱之間放置2mm左右的遮蔽鉛板吸收接近膠片的軟射線,這樣就能更好地解決散射線的防護(hù)問題,有效地改善底片的影像質(zhì)量(圖3)。2.5膠片的選擇膠片顆粒度限制了影像能夠記錄和顯示的細(xì)節(jié)的最小尺寸。一個(gè)尺寸很小的缺陷細(xì)節(jié),在顆粒度較大的影像中,或者不能形成自己的影像,或者其影像被黑度的起伏所掩蓋,無法識(shí)別出來。為了提高細(xì)小缺陷的檢出能力,固體推進(jìn)劑包覆層/藥柱界面切向射線照相中應(yīng)該選用感光乳劑粒度細(xì)小的膠片,實(shí)際檢測(cè)中,一般選擇J0、J1類膠片。選用細(xì)顆粒膠片,能較好地保證黏接界面缺陷的檢出。表3為目前國(guó)內(nèi)外主要膠片型號(hào)分類。3使用示例3.1觀片燈下底片黏接檢驗(yàn)依據(jù)前述檢測(cè)原理及檢測(cè)條件,對(duì)固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱界面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),在觀片燈下分析底片,若固體推進(jìn)劑裝藥包覆層與藥柱混為一體,說明黏接良好。若黏接界面出現(xiàn)黑線,則說明存在黏接缺陷。對(duì)存在黏接缺陷的固體推進(jìn)劑裝藥藥柱/包覆層界面給出定量和定位檢測(cè)報(bào)告。3.2脫黏缺陷部位測(cè)量圖4為自由裝填式固體推進(jìn)劑裝藥包覆層/藥柱黏接界面脫黏缺陷檢測(cè)實(shí)例圖。圖中紅線圈出部位為脫黏缺陷部位(其中淺色部位為固體推進(jìn)劑裝藥、黑色部位為背景、黑線為藥柱與包覆層界面的脫黏缺陷)。利用觀測(cè)鏡或觀片尺對(duì)缺陷部位進(jìn)行測(cè)量,圖4(a)圖脫黏缺陷長(zhǎng)度10cm,位于距固體推進(jìn)劑裝藥底部6cm處;圖4(b)圖脫黏缺陷長(zhǎng)度13cm,位于距固體推進(jìn)劑裝藥底部20