ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ТОНКОСТЕННЫХ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАМЕР ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
50
УДК 534.08
В. А. БЫЧЕНОК, И. Ю. КИНЖАГУЛОВ
ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ТОНКОСТЕННЫХ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАМЕР
ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлен пример применения метода лазерно-ультразвукового контроля качества паяных тонкостенных изделий ракетно-космической техники. Достоверность полученных в ходе эксперимента данных подтверждена результатами прочностных гидроиспытаний. Ключевые слова: лазерно-ультразвуковой контроль, лазерное излучение, неразрушающий контроль, пайка.
Тонкостенные конструкции, получаемые при помощи пайки, широко применяются в ракетном двигателестроении. Современные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) в России представляют собой конструкции, наружная и внутренняя стенки которых соединены при помощи пайки. С увеличением удельного импульса двигателей, и следовательно с повышением рабочего давления внутри камер и в межстенном пространстве, возросла необходимость контроля таких соединений. Данный вопрос пытались решить с помощью различных методов контроля: как разрушающих, так и неразрушающих. Использование первых экономически неэффективно, поэтому выбор был сделан в пользу неразрушающих методов контроля (МНК). Использование традиционных методов неразрушающего контроля (магнитного, рентгеновского и ультразвукового) по разным причинам не привело к положительному результату. В качестве альтернативы был предложен лазерно-ультразвуковой метод контроля, с использованием которого был проведен ряд экспериментов по оценке качества паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 ракеты-носителя „Союз 2-1-Б“.
Характерными дефектами паяных соединений камер сгорания ЖРД являются неспаи (непропаи). Минимальный размер площади неспая (непропая), который в соответствии с конструкторской документацией (КД) необходимо выявлять, составляет 1 мм2. Величина раскрытия неспая и непропая точно не установлена, однако, по предварительным оценкам, она может составлять для неспая порядка нескольких микрометров, а для непропая — нескольких десятков микрометров.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер ЖРД
51
Современные ультразвуковые методы с возбуждением ультразвуковых волн пьезоэлектрическими преобразователями не могут применяться для неразрушающего контроля паяных соединений камер сгорания ЖРД. Это связано со следующими факторами [1]:
1) длительность ультразвукового импульса составляет порядка ∆t = 0,1—0,5 мкс, что соответствует продольному разрешению ∆l = 0,6—3,0 мм;
2) глубина „мертвой зоны“ составляет не менее 0,8—1,0 мм; 3) диаметр зондирующего импульса (ультразвукового луча) более 4 мм. Для возможности акустического контроля необходимо, чтобы метод характеризовался следующими показателями: 1) малая длительность (∆t = 5—20 нс) зондирующего ультразвукового импульса, что
приводит к повышению продольного пространственного разрешения ∆l = 5—10 мкм; 2) малый диаметр зондирующего пучка 0,6—1 мм, что позволяет повысить чувстви-
тельность контроля на эффективной площади неоднородности; 3) апериодичность зондирующего импульса, которая дает практическое отсутствие
„мертвой зоны“ и позволяет определять акустический импеданс неоднородности. Последнее позволяет различить, например, расслоение (непропай или неспай).
Указанные характеристики позволяют сделать вывод о возможности применения лазерно-ультразвукового метода контроля для оценки качества паяных соединений сопел камер ЖРД [2].
Эксперимент. Для проведения экспериментальных исследований была предоставлена вырезка из сопла верхнего в подколлекторной зоне (далее — фрагмент), предварительно была подвергнута гидроиспытаниям с избыточным давлением 900 атм. Эти испытания могли привести к появлению локальных отрывов в местах пайки ребер. Поэтому было сделано предположение о том, что при лазерно-ультразвуковом контроле будут выявляться как собственно неспаи, так и отрывы в паяных соединениях ребер, появившиеся при гидроиспытаниях. Указанные несплошности не различить при лазерно-ультразвуковом контроле, поскольку их акустическая картина идентична. При этом и глубина залегания этих несплошностей будет примерно одинаковой и будет соответствовать толщине ребер внутренней стенки между канавками перетока (≈ 2,3±0,1 мм).
Порядок эксперимента: — разметка по внутренней поверхности кольцевой зоны в районе перемычки на участки (с 1-го по 14-й) длиной по 40 мм; — лазерно-ультразвуковой контроль с использованием двух типов преобразователей (ПЛУ-6Ц-01 и ПЛУ-15Ц-01), регистрация результатов контроля в виде исходных файлов; — анализ акустических изображений (с использованием исходных файлов и программных средств лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М) контролируемых участков и определение мест возможных неспаев; — уточнение местоположения возможных неспаев; — гидравлические испытания фрагмента. Испытания проводятся ступенчато (800, 900, …, 1100 атм) до полного разрушения фрагмента. На каждой ступени ведется визуальный контроль предполагаемых мест неспаев с измерением размеров выпучины; — оптический контроль разрушенных мест с использованием микроскопа МБС-2 и последующие металлографические исследования на шлифах. В результате испытаний были выявлены места предполагаемых неспаев (несплошностей), которые располагались на участках № 1, 12 и 13. Результаты контроля, проведенного с использованием преобразователя ПЛУ-15Ц-01, имеющего диаметр зондирующего импульса 0,5 мм, показали следующее.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
52 В. А. Быченок, И. Ю. Кинжагулов
В местах, в которых отсутствовали неспаи (несплошности), типовая акустическая картина в зоне между канавками перетока со стороны сопла верхнего имеет вид, представленный на рис. 1 (сканирование при контроле проводилось поперек ребер).
Пазы между ребрами
Ребра
Рис. 1
Между ребрами внутренней и кольцом наружной стенок фрагмента должно присутствовать сплошное паяное соединение. В этом случае заметного отражения от границы паяного соединения не происходит, и на акустическом изображении отсутствуют сигналы, длительность которых соответствует времени пробега от поверхности до внутренней стенки по ребру (2,3±0,1 мм). При нахождении преобразователя над пазом внутренней стенки, а также над канавкой перетока наблюдаются отражения, приходящие с глубин, соответствующих их толщине — 0,8 и 1,4 мм соответственно (рис. 2).
Канавка перетока за перемычкой
Паз между ребрами
Рис. 2
Как видно из рис. 1, в зонах с регулярной структурой отсутствуют сигналы, соответствующие отражениям от паяного соединения, что должно свидетельствовать об отсутствии неспаев.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер ЖРД
53
На участках № 1, 12, 13 были выявлены места, на акустическом изображении которых присутствовали отражения с глубины ≈2,3 мм. Это свидетельствовало об отражении акустического сигнала от свободной границы ребра внутренней стенки сопла (рис. 3). Данный вид акустического изображения соответствует наличию неспая или несплошности.
Паз между ребер стенки внутренней
Отрыв ребра от наружной стенки
Рис. 3
Для правильной интерпретации результатов визуального контроля выявленных мест
предполагаемых неспаев было необходимо окрасить области неспаев (несплошностей), обра-
зовавшихся при предварительных испытаниях. С этой целью в пазы фрагмента была залита
проникающая красная краска, применяемая при контроле методом Ц1 [3], с последующей
сушкой и фиксацией окраски путем выдержки фрагмента в печи при 150 °С.
Прочностные гидроиспытания проводились на специальном стенде в следующем режи-
ме: нагружение фрагмента давлением 800 атм, выдержка 5 мин, сброс давления и внешний
осмотр вырезки с контролем пред-
полагаемых мест неспаев путем измерения расширения выпучин [4].
2
1
Процесс нагружения повто-
рялся с повышением давления на
100 атм выше предыдущего до раз-
рушения фрагмента.
При давлении 1100 атм про-
изошло разрушение фрагмента в
выделенной зоне предполагаемого
неспая на участке № 13. После гидро-
испытаний было произведено вскры-
тие разрушенного участка (рис. 4),
исследования проводились с исполь-
зованием микроскопа МБС-2. Между
канавками перетока со стороны высокого давления обнаружены:
Рис. 4
— неспай двух ребер, положение которого точно соответствовало положению предпо-
лагаемого неспая, обнаруженного при лазерно-ультразвуковом контроле (рис. 4, 1);
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
54 В. А. Быченок, И. Ю. Кинжагулов
— места разрушения паяного соединения по четырем ребрам, образовавшиеся при автономных двигательных испытаниях (2);
— места разрушения паяного соединения по семи ребрам, образовавшиеся при данных гидроиспытаниях (1100 атм).
Анализ полученных результатов дает возможность сделать вывод, что чувствительность лазерно-ультразвукового метода с использованием дефектоскопа УДЛ-2М позволяет обнаруживать неспаи (непропаи) в соединениях по ребрам сопла верхнего в зоне подколлекторного узла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3. И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2006. 864 с.
2. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.
3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 4. Акустическая тензометрия. В. А. Анисимов, Б. И. Каторгин, А. Н. Куценко и др. Магнитопорошковый метод контроля. Г. С. Шелихов. Капиллярный контроль. М. В. Филинов. М.: Машиностроение, 2004. 736 с.
4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 1. Ф. Р. Соснин. Визуальный и измерительный контроль. Ф. Р. Соснин. Радиационный контроль. М.: Машиностроение, 2006. 560 с.
Сведения об авторах
Владимир Анатольевич Быченок — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра измеритель-
ных технологий и компьютерной томографии;
E-mail: bychenok-vladimr@mail.ru
Игорь Юрьевич Кинжагулов
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра измеритель-
ных технологий и компьютерной томографии;
E-mail: kinzhiki@mail.ru
Рекомендована кафедрой измерительных технологий и компьютерной томографии
Поступила в редакцию 01.03.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
УДК 534.08
В. А. БЫЧЕНОК, И. Ю. КИНЖАГУЛОВ
ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ТОНКОСТЕННЫХ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КАМЕР
ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Представлен пример применения метода лазерно-ультразвукового контроля качества паяных тонкостенных изделий ракетно-космической техники. Достоверность полученных в ходе эксперимента данных подтверждена результатами прочностных гидроиспытаний. Ключевые слова: лазерно-ультразвуковой контроль, лазерное излучение, неразрушающий контроль, пайка.
Тонкостенные конструкции, получаемые при помощи пайки, широко применяются в ракетном двигателестроении. Современные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) в России представляют собой конструкции, наружная и внутренняя стенки которых соединены при помощи пайки. С увеличением удельного импульса двигателей, и следовательно с повышением рабочего давления внутри камер и в межстенном пространстве, возросла необходимость контроля таких соединений. Данный вопрос пытались решить с помощью различных методов контроля: как разрушающих, так и неразрушающих. Использование первых экономически неэффективно, поэтому выбор был сделан в пользу неразрушающих методов контроля (МНК). Использование традиционных методов неразрушающего контроля (магнитного, рентгеновского и ультразвукового) по разным причинам не привело к положительному результату. В качестве альтернативы был предложен лазерно-ультразвуковой метод контроля, с использованием которого был проведен ряд экспериментов по оценке качества паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 ракеты-носителя „Союз 2-1-Б“.
Характерными дефектами паяных соединений камер сгорания ЖРД являются неспаи (непропаи). Минимальный размер площади неспая (непропая), который в соответствии с конструкторской документацией (КД) необходимо выявлять, составляет 1 мм2. Величина раскрытия неспая и непропая точно не установлена, однако, по предварительным оценкам, она может составлять для неспая порядка нескольких микрометров, а для непропая — нескольких десятков микрометров.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер ЖРД
51
Современные ультразвуковые методы с возбуждением ультразвуковых волн пьезоэлектрическими преобразователями не могут применяться для неразрушающего контроля паяных соединений камер сгорания ЖРД. Это связано со следующими факторами [1]:
1) длительность ультразвукового импульса составляет порядка ∆t = 0,1—0,5 мкс, что соответствует продольному разрешению ∆l = 0,6—3,0 мм;
2) глубина „мертвой зоны“ составляет не менее 0,8—1,0 мм; 3) диаметр зондирующего импульса (ультразвукового луча) более 4 мм. Для возможности акустического контроля необходимо, чтобы метод характеризовался следующими показателями: 1) малая длительность (∆t = 5—20 нс) зондирующего ультразвукового импульса, что
приводит к повышению продольного пространственного разрешения ∆l = 5—10 мкм; 2) малый диаметр зондирующего пучка 0,6—1 мм, что позволяет повысить чувстви-
тельность контроля на эффективной площади неоднородности; 3) апериодичность зондирующего импульса, которая дает практическое отсутствие
„мертвой зоны“ и позволяет определять акустический импеданс неоднородности. Последнее позволяет различить, например, расслоение (непропай или неспай).
Указанные характеристики позволяют сделать вывод о возможности применения лазерно-ультразвукового метода контроля для оценки качества паяных соединений сопел камер ЖРД [2].
Эксперимент. Для проведения экспериментальных исследований была предоставлена вырезка из сопла верхнего в подколлекторной зоне (далее — фрагмент), предварительно была подвергнута гидроиспытаниям с избыточным давлением 900 атм. Эти испытания могли привести к появлению локальных отрывов в местах пайки ребер. Поэтому было сделано предположение о том, что при лазерно-ультразвуковом контроле будут выявляться как собственно неспаи, так и отрывы в паяных соединениях ребер, появившиеся при гидроиспытаниях. Указанные несплошности не различить при лазерно-ультразвуковом контроле, поскольку их акустическая картина идентична. При этом и глубина залегания этих несплошностей будет примерно одинаковой и будет соответствовать толщине ребер внутренней стенки между канавками перетока (≈ 2,3±0,1 мм).
Порядок эксперимента: — разметка по внутренней поверхности кольцевой зоны в районе перемычки на участки (с 1-го по 14-й) длиной по 40 мм; — лазерно-ультразвуковой контроль с использованием двух типов преобразователей (ПЛУ-6Ц-01 и ПЛУ-15Ц-01), регистрация результатов контроля в виде исходных файлов; — анализ акустических изображений (с использованием исходных файлов и программных средств лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М) контролируемых участков и определение мест возможных неспаев; — уточнение местоположения возможных неспаев; — гидравлические испытания фрагмента. Испытания проводятся ступенчато (800, 900, …, 1100 атм) до полного разрушения фрагмента. На каждой ступени ведется визуальный контроль предполагаемых мест неспаев с измерением размеров выпучины; — оптический контроль разрушенных мест с использованием микроскопа МБС-2 и последующие металлографические исследования на шлифах. В результате испытаний были выявлены места предполагаемых неспаев (несплошностей), которые располагались на участках № 1, 12 и 13. Результаты контроля, проведенного с использованием преобразователя ПЛУ-15Ц-01, имеющего диаметр зондирующего импульса 0,5 мм, показали следующее.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
52 В. А. Быченок, И. Ю. Кинжагулов
В местах, в которых отсутствовали неспаи (несплошности), типовая акустическая картина в зоне между канавками перетока со стороны сопла верхнего имеет вид, представленный на рис. 1 (сканирование при контроле проводилось поперек ребер).
Пазы между ребрами
Ребра
Рис. 1
Между ребрами внутренней и кольцом наружной стенок фрагмента должно присутствовать сплошное паяное соединение. В этом случае заметного отражения от границы паяного соединения не происходит, и на акустическом изображении отсутствуют сигналы, длительность которых соответствует времени пробега от поверхности до внутренней стенки по ребру (2,3±0,1 мм). При нахождении преобразователя над пазом внутренней стенки, а также над канавкой перетока наблюдаются отражения, приходящие с глубин, соответствующих их толщине — 0,8 и 1,4 мм соответственно (рис. 2).
Канавка перетока за перемычкой
Паз между ребрами
Рис. 2
Как видно из рис. 1, в зонах с регулярной структурой отсутствуют сигналы, соответствующие отражениям от паяного соединения, что должно свидетельствовать об отсутствии неспаев.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер ЖРД
53
На участках № 1, 12, 13 были выявлены места, на акустическом изображении которых присутствовали отражения с глубины ≈2,3 мм. Это свидетельствовало об отражении акустического сигнала от свободной границы ребра внутренней стенки сопла (рис. 3). Данный вид акустического изображения соответствует наличию неспая или несплошности.
Паз между ребер стенки внутренней
Отрыв ребра от наружной стенки
Рис. 3
Для правильной интерпретации результатов визуального контроля выявленных мест
предполагаемых неспаев было необходимо окрасить области неспаев (несплошностей), обра-
зовавшихся при предварительных испытаниях. С этой целью в пазы фрагмента была залита
проникающая красная краска, применяемая при контроле методом Ц1 [3], с последующей
сушкой и фиксацией окраски путем выдержки фрагмента в печи при 150 °С.
Прочностные гидроиспытания проводились на специальном стенде в следующем режи-
ме: нагружение фрагмента давлением 800 атм, выдержка 5 мин, сброс давления и внешний
осмотр вырезки с контролем пред-
полагаемых мест неспаев путем измерения расширения выпучин [4].
2
1
Процесс нагружения повто-
рялся с повышением давления на
100 атм выше предыдущего до раз-
рушения фрагмента.
При давлении 1100 атм про-
изошло разрушение фрагмента в
выделенной зоне предполагаемого
неспая на участке № 13. После гидро-
испытаний было произведено вскры-
тие разрушенного участка (рис. 4),
исследования проводились с исполь-
зованием микроскопа МБС-2. Между
канавками перетока со стороны высокого давления обнаружены:
Рис. 4
— неспай двух ребер, положение которого точно соответствовало положению предпо-
лагаемого неспая, обнаруженного при лазерно-ультразвуковом контроле (рис. 4, 1);
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7
54 В. А. Быченок, И. Ю. Кинжагулов
— места разрушения паяного соединения по четырем ребрам, образовавшиеся при автономных двигательных испытаниях (2);
— места разрушения паяного соединения по семи ребрам, образовавшиеся при данных гидроиспытаниях (1100 атм).
Анализ полученных результатов дает возможность сделать вывод, что чувствительность лазерно-ультразвукового метода с использованием дефектоскопа УДЛ-2М позволяет обнаруживать неспаи (непропаи) в соединениях по ребрам сопла верхнего в зоне подколлекторного узла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3. И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2006. 864 с.
2. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.
3. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 4. Акустическая тензометрия. В. А. Анисимов, Б. И. Каторгин, А. Н. Куценко и др. Магнитопорошковый метод контроля. Г. С. Шелихов. Капиллярный контроль. М. В. Филинов. М.: Машиностроение, 2004. 736 с.
4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 1. Ф. Р. Соснин. Визуальный и измерительный контроль. Ф. Р. Соснин. Радиационный контроль. М.: Машиностроение, 2006. 560 с.
Сведения об авторах
Владимир Анатольевич Быченок — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра измеритель-
ных технологий и компьютерной томографии;
E-mail: bychenok-vladimr@mail.ru
Игорь Юрьевич Кинжагулов
— аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра измеритель-
ных технологий и компьютерной томографии;
E-mail: kinzhiki@mail.ru
Рекомендована кафедрой измерительных технологий и компьютерной томографии
Поступила в редакцию 01.03.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 7