基于x射线切向照技术的推进剂装药包覆层药柱黏接界面脱黏缺陷检测

基于x射线切向照技术的推进剂装药包覆层药柱黏接界面脱黏缺陷检测

包层是固体紧固件装载的重要组成部分。与紧固件的结合质量直接影响固体紧固件的工作性能。在固体推进剂装药试制过程中,可能由于黏接面受到污染或黏合面内部的气体未能排出,导致界面黏接力较弱或黏接面分离,形成脱黏缺陷;装药固化时由于推进剂内部材料收缩,可能使黏接面受力而引起黏接面分离,形成脱黏缺陷;对于储存时间较长的推进剂装药,黏接剂老化失效也可能导致黏接面分离,形成脱黏缺陷。在固体推进剂装药缺陷中,对发动机威胁最大的就是黏接界面脱黏缺陷。药柱与包覆层之间的脱黏缺陷会导致燃气或火焰与脱黏药柱表面直接接触,在推进剂装药工作时燃面突然增大,曲线异常,推力偏离其设计值,可能导致发射失败,特别是当燃烧表面面积大大超过设计值,燃烧室壳体无法承受过高压力时,将导致灾难性的燃烧室爆炸。因此脱黏缺陷的检测技术是控制固体推进剂装药质量的关键X射线照相检测技术是最基本,也是灵敏度最高的检测技术,在固体推进剂装药药柱内部缺陷的检测中得到了广泛的应用1插装式固体制剂/药柱黏接界面检测X射线切向照相,即中心射线束与被检测试件的圆周切向部位相对正投影的一种检测方法。此原理的导出可按图1讨论如图1所示,设AB为平行于被检件轴向的任一射线束,它与被检件的中心距离为x,在射线照相检测的各种透照布置中,不同射线束的透照厚度比k与所形成的射线束夹角β,决定于该射线束与被检试件中心的距离。当x<r时式(1)中:T'为边缘射线束透照厚度(mm);R为被检件外径(mm);r为被检件内径;x为射线束与被检件中心的距离。式(2)中:T为中心射线束透照厚度;D为被检件外径;k为透照厚度比。整理得到:从式(4)可以证明,随着x值的增大透照厚度比也将增大,因而,总存在某个x值,即某个照射角,使透照厚度比k达到限定的最大值。透照厚度比k与射线束方向的夹角β的关系可用如下方式建立。在图1的△AOE中,按余弦定理有所以用k、T、D代替有关的量,进行整理,得到式(5)指出,射线夹角β与透照厚度比k的关系是一一对应的。即当透照厚度比为1时,射线夹角β最小,此时,能最大限度的保证面积性缺陷的检出。固体推进剂装药包覆层/药柱界面脱黏缺陷的检测就是取决于黏接界面与射线束方向的夹角。切向照相检测技术就是基于此提出的一种射线检测方法。采用此法能很好地解决固体推进剂装药包覆层/药柱黏接界面检测问题。它的原理是使中心束射线方向基本平行于黏接界面(图2),此时,射线夹角β最小,能最大限度检出包覆层/药柱界面的缺陷。2应用检测条件2.1固体兽药包覆层/药柱射线的特征射线照相检验的基本透照参数是焦距、射线能量、曝光量、有效透照区和透照次数,其对固体推进剂装药包覆层/药柱射线照片的质量及缺陷判定具有重要影响。2.1.1焦距的确定焦距直接关系到射线照相的几何清晰度,并影响其他透照参数的确定,对射线照相得到的影像质量、对射线照相灵敏度都具有重要影响。确定焦距时必须考虑以下两点:所选取的焦距必须满足射线照相对几何清晰度的要求;所选取的焦距能够给出射线强度比较均匀的适当大小的透照区。焦距最小值的计算公式式(6)中:F从式(6)可以看出,在确定焦距时应同时考虑物体的透照厚度、射线源的焦点尺寸、限定的几何不清晰度。实际检测中,在确定了最小焦距后,还必须考虑有效透照区的大小,即所选用的焦距必须给出射线强度均匀的适当大小的透照场。因此,实际选用的焦距是要大于焦距最小值。但是,选用的焦距值也不能过大,否则将会大大增加曝光量,降低工作效率。X射线探伤机的标准焦距是600mm,这是对钢铁而言(铁的厚度为60mm),用这个焦距检测固体推进剂药柱/包覆层黏接质量,其灵敏度只有3%,底片影像模糊不清,不能很好地判断固体推进剂药柱/包覆层界面黏接质量。要解决这一问题,只能提高探伤灵敏度。而影响灵敏度的主要因素是几何不清晰度。几何不清晰度又受焦点尺寸、药柱尺寸及焦距的控制,其关系式为式(7)中:T为药柱直径尺寸;d为射线源焦点尺寸;F为焦距(射线源至胶片的距离)。由式(7)可知,在射线源尺寸、药柱尺寸一定的情况下,主要通过改变焦距的方法来减小几何不清晰度、提高探伤灵敏度。在固体推进剂包覆层/药柱界面切向射线照相技术研建过程中,最困难的就是焦距的确定。其具体方法如下:在防护散射线的基础上,以标准焦距为基础,每次把焦距增大50mm做对比试验,当焦距增大到1300mm时,底片的清晰度有了很大提高,探伤灵敏度也达到了2%,完全满足了包覆层/药柱界面黏接质量的检测。根据实际情况,焦距一般固定为2.0m。2.1.2散射比和粒度射线能量是重要的基本透照参数,随着射线能量的提高,线衰减系数将减小,胶片固有不清晰度将增大,此外还将影响散射比。推荐的选取射线能量的原则是,在保证射线具有一定的穿透能力的条件下选用较低的能量。通过大量对比试验,对自由装填式固体推进剂装药包覆层/药柱界面脱黏缺陷检测的射线能量控制在70~80kV,此时底片影像质量最好。2.1.3管电流i曝光量直接影响底片的黑度和影像的颗粒度,也即影响固体推进剂装药包覆层/药柱界面缺陷射线照片影像可记录的细节最小尺寸。曝光量如下式:式(8)中:i为管电流;t为曝光时间。实际检测中,当加大曝光量后,多幅具有较大黑度起伏的影像就会互相叠加,不规则的黑度起伏相互补充,降低了每个点间黑度的相对差,但细节影像的黑度是固定显示在同一位置,由于多次叠加越来越高而明显的显现出来。因此,曝光量必须达到一定的大小,才能保证小的细节的影像的可检测性,即固体推进剂装药包覆层/药柱界面缺陷影像的检出。2.1.4固体兽药包覆层/药柱界面缺陷a级检测技术确定有效透照区的方法一是控制透照厚度比k,二是控制射线源与被检件源侧表面距离f和有效透照区L的比值。固体推进剂装药包覆层/药柱界面缺陷检测采用A级检测技术L≤f/2,在透照厚度比k=1、焦距F=2.0m、固体推进剂装药药柱直径D=10~500mm条件下,有效透照区L应控制在750~950mm。实际检测中,有效透照区L取值为600mm。2.1.5固体制剂包覆层/药柱周界面质量控制为确保包覆层/药柱界面都能得到有效的检验,须进行多方位透照。随着固体推进剂药柱直径的增大,检测次数也相应增多。试验结果证明,对于20mm≤D≤50mm的固体推进剂装药,应至少以900划分四区域进行透照;对于50mm≤D≤200mm的固体推进剂装药,应至少以600划分六区域进行透照;对于200mm≤D≤500mm的固体推进剂装药,应至少以450划分八区域进行透照。则可以对固体推进剂装药包覆层/药柱周界面质量做出可靠的评定。表1为某固体推进剂装药包覆层/药柱界面缺陷检测透照参数表。2.2透照位置的选取视可能出现的缺陷类型和特点,从这些缺陷本身选择适宜检测的透照布置。不同的加工工艺产生的缺陷不同,不同的缺陷可以具有不同的形状、尺寸、延伸方向并可能出现在不同的位置。因此,在确定透照布置时必须考虑所要检测缺陷的类型和特点,尽量使可能存在的缺陷更靠近胶片,通过减少缺陷与胶片的距离,减小几何不清晰度,从而提高缺陷影像的可识别性。应考虑验收标准对缺陷的要求,所选取的透照布置应有利于保证达到验收标准对缺陷检出的要求。根据被透照物体的具体情况和特点选择适宜的透照位置及方向。2.3增感材料薄膜。根据增感效果分增感屏是一种用来缩短射线照相曝光时间和改善射线照相效果而附贴在X射线胶片两侧的增感材料薄片或薄膜,分为荧光增感屏、金属增感屏和金属荧光增感屏2.4固体药剂整理工艺由于射线与被透照物质的相互作用,任何受到射线照射的物体都将产生散射线。散射线对影像质量的影响主要表现在两个方面:即降低影像对比度和产生“边蚀”。减少散射线的主要方法是尽量减少物体被透照区以外受到射线照射的范围大小,常用的方法是使用背铅板、用滤波板、光阑限制射线束的大小,用遮蔽物遮盖不要求透照的区域。在固体推进剂包覆层/药柱射线照相检测中,采用对射线有强烈吸收性能的铅板制作光阑和遮蔽物。滤波板、光阑的孔径和孔的形状按照透照区的大小和形状设计,放在靠近射线源的位置,能很好地起到吸收散射线的作用。对于背散射线的防护,通常情况下,用不小于4mm铅板置于胶片暗袋后面吸收来自推进剂药柱背景的散射线。对于非透照区域的遮挡,一般使用厚度为1~2mm铅板。实际透照过程中,为了进一步减少散射线造成的“边蚀”,除了上述措施之外,采用0.1~0.2mm的铅箔增感屏遮盖在被检测推进剂药柱的非透照区域,并在各推进剂药柱之间放置2mm左右的遮蔽铅板吸收接近胶片的软射线,这样就能更好地解决散射线的防护问题,有效地改善底片的影像质量(图3)。2.5胶片的选择胶片颗粒度限制了影像能够记录和显示的细节的最小尺寸。一个尺寸很小的缺陷细节,在颗粒度较大的影像中,或者不能形成自己的影像,或者其影像被黑度的起伏所掩盖,无法识别出来。为了提高细小缺陷的检出能力,固体推进剂包覆层/药柱界面切向射线照相中应该选用感光乳剂粒度细小的胶片,实际检测中,一般选择J0、J1类胶片。选用细颗粒胶片,能较好地保证黏接界面缺陷的检出。表3为目前国内外主要胶片型号分类。3使用示例3.1观片灯下底片黏接检验依据前述检测原理及检测条件,对固体推进剂装药包覆层/药柱界面质量进行检测,在观片灯下分析底片,若固体推进剂装药包覆层与药柱混为一体,说明黏接良好。若黏接界面出现黑线,则说明存在黏接缺陷。对存在黏接缺陷的固体推进剂装药药柱/包覆层界面给出定量和定位检测报告。3.2脱黏缺陷部位测量图4为自由装填式固体推进剂装药包覆层/药柱黏接界面脱黏缺陷检测实例图。图中红线圈出部位为脱黏缺陷部位(其中浅色部位为固体推进剂装药、黑色部位为背景、黑线为药柱与包覆层界面的脱黏缺陷)。利用观测镜或观片尺对缺陷部位进行测量,图4(a)图脱黏缺陷长度10cm,位于距固体推进剂装药底部6cm处;图4(b)图脱黏缺陷长度13cm,位于距固体推进剂装药底部20