Лазерно-ультразвуковой метод и средство дефектоскопии паяных соединений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Кинжагулов, Игорь Юрьевич

• Кинжагулов, Игорь Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кинжагулов, Игорь Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение

1. Анализ существующих методов контроля качества изготовления паяных соединений

1.1. Особенности конструкции при изготовлении паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей

1.2. Анализ различных дефектов, возникающих в тонкостенных паяных соединениях камер жидкостных ракетных двигателей

1.3. Обоснование пути решения задачи контроля качества изготовления паяных соединений на основе результатов сравнения различных методов контроля

Выводы по 1 разделу

2. Разработка комплексной модели термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в геометрически сложных конструкциях паяных соединений жидкостных ракетных двигателей

2.1. Анализ распространения ультразвуковых волн в оребренных конструкциях

2.2. Модель ближней зоны возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса

2.2.1. Термооптическое возбуждение ультразвука и его передаточная функция

2.2.2. Анализ изменения профилей оптоакустических сигналов при распространении

2.3. Модель распространения ультразвуковых импульсов в дальней зоне

Выводы по 2 разделу

3. Разработка методического аппарата и средства контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии

3.1. Анализ прочностных характеристик паяных соединений

3.2. Результаты экспериментальных исследований прочности паяных соединений сопла верхнего ЖРД 14Д23

3.3. Разработка оптоакустического преобразователя

3.3.1. Иммерсионный метод термооптического возбуждения ультразвуковых колебаний

3.3.2. Принципиальная схема оптоакустического преобразователя

3.3.3. Анализ диаграммы направленности термооптических источников ультразвуковых волн

3.3.4. Анализ влияния волновых явлений на изменение акустического тракта

3.4. Разработка способов интерпретации акустических сигналов и анализ оптоакустических изображений для различных зон контроля камер жидкостных ракетных двигателей

3.4.1. Характеристика оптикоакустических изображений в зоне подколлекторного кольца сопла верхнего

3.4.2. Сущность способа глубинных маркеров

3.4.3. Критерии оценки дефектности паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей

Выводы по 3 разделу

4. Разработка и практическая апробация методики контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 и РД0124А

4.1. Методика контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 и РД0124А

4.2. Подтверждение достоверности результатов контроля с применением способа глубинных маркеров

4.3. Способ определения частичного непропая сопел камер жидкостных ракетных двигателей

4.4. Результаты экспериментальной апробации методики контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой диагностики сопел камер ЖРД 14Д23 и

РД0124А

Выводы по 4 разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерно-ультразвуковой метод и средство дефектоскопии паяных соединений»

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развитие ракетно-космической техники (РКТ) является одним из направлений, формирующих новый технологический уровень Российской Федерации (вместе с ядерной энергетикой, био- и нанотехнологиями, системами искусственного интеллекта и др.). Создание новых поколений перспективных изделий РКТ должно основываться на глубоких конструкторских, технологических и материаловедческих исследованиях. При этом прогрессивные материаловедческие решения влияют одновременно на уровень как конструкторских, так и технологических разработок, обеспечивая новые возможности реализации более высоких значений показателей качества изделий РКТ.

В настоящее время при производстве изделий РКТ используются специальные материалы, а также различные технологии создания сложных соединений, таких как вакуумно-компрессионная пайка, сварка трением с перемешиванием и др. При этом широко применяемые сегодня в РКТ традиционные методы и средства неразрушающего контроля (НК) не обеспечивают требуемый уровень достоверности данных о наличии дефектов микроуровня в сложных соединениях (раскрытие неспая и непропая точно не установлено, однако по предварительным оценкам оно может составлять для неспая порядка нескольких мкм, а для непропая - несколько десятков мкм). Сложность разработки технологий НК паяных соединений связана с особенностями конструкции изделий РКТ, например, камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также с допустимыми размерами неспая (непропая), которые существенным образом влияют на прочность и безотказность работы ЖРД.

Качество паяных соединений сопел камер ЖРД и дефекты типа неспай (непропай, отрыв), возникающие в данных соединениях по причине нарушения технологий производства, выступают в диссертации в качестве объекта научных исследований.

Общие проблемы НК качества изготовления паяных соединений нашли широкое отражение в трудах Лоцманова С.Н., Парфенова А.Н., Бакутина В.Н., Ремизова A.JI. и др. [1 - 12]. Однако, рассматриваемые в данных работах методы НК, такие как: рентгеновский, вихретоковый, магнитный, тепловой, ультразвуковой и др. не позволяют их применить для контроля качества паяных соединений сопел ЖРД.

Анализ технических возможностей современных ультразвуковых методов с возбуждением ультразвуковых волн пьезоэлектрическими преобразователями показал, что данные методы не могут быть применимы для НК паяных соединений камер сгорания ЖРД. Это связано с наличием следующих факторов: длительностью ультразвукового импульса, глубиной «мертвой зоны» и диаметром зондирующего импульса [13].

В настоящее время одним из наиболее перспективных методов НК качества паяных соединений сопел камер ЖРД представляется лазерно-ультразвуковой метод контроля с использованием термооптического возбуждения акустических волн, описанный в работах Карабутова A.A., Матросова М.П., Пеливанова И. М. и др. [14 - 50]. Он обладает следующими преимуществами: малой длительностью зондирующего импульса, малым диаметром зондирующего пучка и апериодичностью зондирующего импульса (позволяет определить акустический импеданс неоднородности). Однако на сегодняшний день отсутствуют научно обоснованные модели, учитывающие особенности конструкции изделий РКТ, методы и методики лазерно-ультразвукового контроля (ЛУЗК), которые позволяли бы достоверно определять наличие или отсутствие непропая (неспая, отрыва) в паяных соединениях сопел камер ЖРД.

Таким образом, имеет место проблемная ситуация, заключающаяся в противоречии между необходимостью обеспечения контроля качества изготовления паяных соединений сопел кмер ЖРД - с одной стороны, и отсутствием моделей, методов и методик решения подобных задач - с другой. Научная проблема, решаемая в настоящей диссертационной работе, может быть

сформулирована следующим образом - разработка метода и средства контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий ракетно-космической техники на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии.

Отсутствие моделей, методов и методик, учитывающих особенности конструкции сопел камер ЖРД, а также специфику дефектов паяных соединений, необходимость разработки специальной методики и средств контроля обуславливает актуальность темы диссертационных исследований.

Предметом научных исследований в диссертации выступают модели, методы и методики ЛУЗК и особенности его использования для контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

Целью диссертационных исследований является разработка метода и методики лазерно-ультразвукового контроля, использование на практике которых, позволит повысить достоверность контроля и качество изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

Достижение указанной цели позволит решить сформулированную выше научно-техническую проблему. Для достижения цели диссертационной работы поставлены и решены следующие основные и взаимосвязанные задачи:

1. Анализ существующих методов контроля качества изготовления паяных соединений.

2. Разработка модели термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях PKT.

3. Разработка метода и средства контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии.

4. Разработка методики контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ и ее экспериментальная апробация на примере сопел камер сгорания ЖРД 14Д23 и РД0124А.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению указанных задач и состоит из введения, четырех разделов и заключения.

В первом разделе выполнен анализ существующих методов контроля качества изготовления паяных соединений. Приводятся особенности

конструкции сопел камер ЖРД, накладывающие существенные ограничения на применение различных методов НК. Проанализированы дефекты, возникающие в паяных тонкостенных конструкциях и возможные методы их выявления.

Второй раздел диссертации посвящен разработке комплекса моделей термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в геометрически сложных конструкциях паяных соединений. В предлагаемом комплексе моделей оптоакустический тракт условно делится на две зоны: ближняя зона возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса и дальняя зона распространения ультразвуковых импульсов.

Рассмотренные модели образуют комплекс моделей, который позволяет:

- рассчитывать акустические тракты при разработке оптоакустических преобразователей, для реализации метода контроля;

корректно интерпретировать регистрируемые оптоакустические

сигналы;

- аналитически рассматривать взаимодействия различных типов волн и выделять наиболее характерные зоны.

Полученные зависимости при задании численных значений известных величин позволили дать объяснение эффекту ослабления («проседания») первого отраженного от ребра сигнала. Данное обстоятельство явилось определяющим моментом в интерпретации оптоакустических изображений при разработке метода контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии

В третьем разделе диссертации разработан метод и средство контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии.

Полученный при применении методов теории прочности критический размер дефекта типа непропай (неспай, отрыв), позволил сформировать требования к разработке нового типа оптоакустического преобразователя для контроля дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД.

Применение разработанного преобразователя с непосредственной генерацией ультразвуковых импульсов в теле материала стенки сопла камеры ЖРД позволило получить новые информативные сигналы, отраженные от поверхности раздела сред (ребро - воздух) в случае некачественного изготовления паяных соединений. Для корректной интерпретации данных сигналов был разработан новый метод глубинных маркеров.

Полученные результаты позволили перейти к разработке методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий PKT.

Четвертый раздел посвящен разработке методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий PKT.

Предложена структура методики, изложено содержание основных фрагментов методики, исследованы особенности исходных данных необходимых для осуществления контроля, сформулированы рекомендации по способам определения исходных положений средств контроля перед началом работ, разработан алгоритм проведения контроля и способ интерпретации результатов, полученных при контроле качества изготовления паяных соединений, для различных зон сопел камер ЖРД.

Приведены результаты экспериментальной апробации методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ, реализованной на соплах камер сгорания ЖРД 14Д23 и РД0124А.

В ходе разработки методики был предложен способ определения размеров частичного непропая на основе анализа уровня относительных амплитуд отраженных оптоакустических сигналов.

Результаты экспериментальной апробации показали возможность проведения контроля качества изготовления паяных соединений для различных зон сопел камер сгорания ЖРД 14Д23 и РД0124А в заводских условиях и подтвердили высокую степень их достоверности.

Настоящая работа наряду с известными и апробированными методами и моделями содержит оригинальные результаты, полученные в ходе исследований автором лично. Основные результаты, полученные в ходе исследований и выносимые на защиту:

1) обоснование применимости метода лазерно-ультразвукового контроля для контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД;

2) комплекс моделей термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях РКТ;

3) метод и средство контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии;

4) методика лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ.

Научная новизна работы состоит в новом подхоже к контролю качества паяных соединений сопел камер ЖРД Этот подход состоит во-первых в применении метода лазерно-ультразвукового контроля для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ, во-вторых в использовании термооптического возбуждения ультразвуковых колебаний для генерации акустических пучков малого диаметра, в-третьих в разработке метода контроля и оптоакустического преобразователя, конструкция которого позволяет генерировать ультразвуковые волны непосредственно в стенке сопла камеры ЖРД, с учетом ее физических особенностей и особенностей конструкции.

Практическая значимость работы состоит в доведении результатов выполненных исследований до уровня инженерной методики, применение которой позволяет выявлять дефекты типа непропай (неспай, отрыв) эффективной площадью от 1 мм и раскрытием менее 2 мкм; существенно повысить достоверность результатов контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД, за счет применения разработанного метода; оперативно принимать решение о допуске камер ЖРД к огневым испытаниям и их приемке в эксплуатацию.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- согласованностью результатов исследований и их соответствием положениям теории акустики, теории прочности и экспериментальной апробацией разработанного метода на предприятиях ракетно-космической отрасли;

- принятием в ходе исследований обоснованных допущений;

- непротиворечивостью результатов, получаемых с использованием разработанных моделей и методов, и результатов, получаемых другими авторами с использованием других апробированных подходов;

- применением при решении частных задач исследования известных апробированных моделей и методов;

- широкой апробацией основных результатов, полученных в настоящей работе, на конференциях и семинарах, а также на межведомственных совещаниях.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 научных трудах из них 7 печатных работ, в том числе в периодических изданиях из списка ВАК - 3 печатные работы, 1 отчет о НИР. На технические решения, реализованные в разработанных методиках, получен 1 патент на изобретение.

Основные результаты работы реализованы в ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» и ОАО КБХА.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы. Диссертация изложена на 137 листах, содержит 11 таблиц и 55 рисунков. Список литературы включает 102 наименования.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1 Особенности конструкции при изготовлении паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей

В настоящее время при производстве изделий РКТ используются специальные материалы, а также различные технологии создания сложных соединений их элементов, такие как вакуумно-компрессионная пайка тонкостенных элементов камер ЖРД. При этом широко применяемые сегодня в РКТ традиционные методы и средства неразрушающего контроля не обеспечивают требуемый уровень точности, информативности и достоверности данных о возможных дефектах сложных соединений на микроуровне. В связи с этим существенным образом актуализируется проблема контроля качества данных соединений.

Сложность разработки технологий неразрушающего контроля паяных соединений связана с конструктивными особенностями изделий РКТ, например, камер жидкостных ракетных двигателей, а также с допустимыми размерами неспая (непропая) и физическими ограничениями традиционных видов и методов НК паяных соединений.

Согласно ГОСТ 17325-79 пайкой называется образование соединения с межатомными связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, смачивания их припоем, затекания припоя в зазор и последующей его кристаллизации [51].

Основное содержание процесса пайки есть физико-химическое взаимодействие на границе твердого и жидкого материалов, результатом которого является возникновение после кристаллизации жидкости, находящейся в зазоре, неразъемного при комнатной температуре соединения. Пайкой можно соединять металлы и неметаллические материалы в любых сочетаниях, применяя в качестве припоев также металлы и неметаллы [51].

Образующееся при пайке соединение по своему строению и составу неоднородно и включает литую прослойку (шов) и диффузионные зоны.

Шов - неоднородная по составу и строению прослойка между соединяемыми деталями, которая образуется в результате взаимодействия жидкого припоя с основным материалом и последующей кристаллизации [51].

Связь между литой прослойкой (швом) и основным металлом возникает в результате образования спаев.

Спай - переходный слой на границе основного материала - зона сплавления, образующийся в процессе пайки в результате взаимодействия на межфазной границе и обеспечивающий связь между основным материалом и литой прослойкой (швом) [51].

Подробно процессы пайки изложены в работах Лоцманова С.Н., Петрунина И.Е., Фролова В.П. и др. [1, 2, 7]. В частности в них отражается, что для образования спая, т.е. возникновения металлической или неметаллической связи в контакте основной материал - припой, требуется активация поверхности основного материала и припоя. Качество соединений при пайке зависит от правильного выбора припоя, флюса, состояния поверхности, рационального конструирования паяных соединений, технологии заполнения зазора припоем и др.

Пайка в вакууме отражена в работах Неровного В.М., Ямпольского В.М. и др. [12]. Обычно данный вид пайки применяют для изделий из материалов, чувствительных к перегреву в защитно-восстановительных газах или взаимодействующих с флюсами. В вакууме паяют конструкции, имеющие труднодоступные полости, а также для исключения коррозии, создаваемой остатками флюсов. В ряде случаев пайка в вакууме более экономична, чем другие виды пайки.

Известно, что при нагревании стойкость окислов металлов снижается [1]. Однако температура полной диссоциации окислов настолько высока, что достичь ее при температурах пайки и современного вакуумного оборудования не удается. В Таблице 1.1 приведены значения давления,

необходимого для диссоциации некоторых окислов при температуре +1150°С. При пайке в высоком вакууме следует учитывать испарение металлов. Особенно это касается таких металлов, как цинк, кадмий, марганец и магний. Чем выше вакуум, тем ниже температура, при которой начинается испарение металла. В Таблице 1.2 приведены значения температур, при которых начинается заметное испарение элементов в вакууме до плавления [1].

Таблица 1.1

Значения вакуума, необходимого для диссоциации некоторых окислов

при температуре +1150°С

Химическая формула окисла Значения давления, Па

РеО 1,33-10"8

Сг203 1,33-10"13

МпО 1,33-Ю"16

8Ю2 1,33-Ю"'7

ТЮ2 1,33-10"19

А1203 1,33-Ю"25

В вакууме испаряются не только металлы, но и их окислы, что способствует осуществлению процесса пайки. Например, окислы У205 и Мо02 испаряются в вакууме 1,33-10"3 Па при температурах от +1000°С до +1300°С, Сг20з - при температуре +1000°С, М0О3 - при температуре +550°С и W02 -при температуре +800°С. На практике удается паять в вакууме 1,33-10" Па многие металлы и сплавы благодаря растворению окислов в паяемом металле [12]. Например, окисная пленка на титане растворяется при температуре выше +700°С. Поэтому титан успешно паяют в вакууме от 1,33 Па до 1,33-10" Па при температуре около +1000°С. Оптимальный вакуум для медных изделий, идущих на изготовление электровакуумных приборов, составляет 0,133 Па. Пайку производят с использованием припоев на основе серебра ПСр 72, ПСр 50.

Коррозионно-стойкие стали и жаропрочные сплавы, имеющие стойкие

окислы, предварительно покрывают слоем никеля толщиной от 13 мкм до

2 ^

15 мкм. Глубина вакуумирования - от 1,33-10" Па до 1,33-10 Па. Молибден с молибденом или с другими металлами и сплавами, например с медью, никелем, коррозионно-стойкой сталью, можно паять в вакууме от 1,33-10"2 Па до 1,33-10"3 Па. Положительные результаты получены при пайке бериллия в вакууме от 1,33-10"3 Па до 1,33-10"4 Па [12].

Таблица 1.2

Температура заметного испарения некоторых химических элементов в

вакууме

Наименование химического элемента Температура плавления, °С Температура заметного испарения,°С, в вакууме

1,33-Ю"2 Па 1,33-Ю"1 Па

Серебро 951 763 847

Алюминий 659 724 807

Бор 2140 1052 1140

Бериллий 1273 912 1029

Кадмий 321 148 180

Кобальт 1293 1249 1362

Хром 1900 813 -

Железо 1527 1094 1195

Магний 650 287 331

Медь 1083 946 1035

Марганец 1244 717 791

Молибден 2621 1923 2090

Ниобий 2600 2124 2355

Никель 1455 1157 1257

Олово 232 823 922

Кремний 1210 1024 1116

Титан 1727 1134 1249

Ванадий 1730 1455 1586

Вольфрам 3482 2554 1767

Цинк 420 311 244

Цирконий 1852 1527 1660

Пайка в парах металлов имеет ограниченное применение. При вакуумной пайке труднопаяемых металлов, например алюминия, можно использовать пары легкоиспаряемых элементов, таких, как магний, цинк, литий и др. При пайке в парах металлов в контейнер с изделием вводится некоторое количество легкоиспаряемого металла. После предварительного вакуумирования и нагрева контейнера пары легкоиспаряемого металла связывают весь свободный кислород, имеющийся в камере. Поскольку парциальное давление кислорода резко снижается, начинается диссоциация окислов, находящихся на поверхности паяемого изделия. Свободные частицы газообразного металла растворяются в поверхностном слое металла изделия, образуя сплав, который при определенной температуре расплавляется и затекает в зазор [2]. Наибольшее распространение этот метод получил при пайке алюминия и его сплавов. В качестве легкоиспаряемого металла используют магний.

При пайке сталей с использованием паров активных металлов, таких, как цинк, марганец, литий, кроме вакуума можно применять защитные газы (азот, углекислый газ). Например, пайка коррозионно-стойкой стали Х18Н10Т припоем ПСр72 осуществляется в парах лития при давлении 13,3 ГПа при температуре менее +900°С. Применение паров марганца позволяет проводить пайку конструкционных и коррозионно-стойких сталей в низком вакууме от 1,3-10"1 ГПа до 1,3-10"3 ГПа при температуре +940°С припоями систем медь-марганец и медь-никель-марганец. Пары цинка позволяют осуществить бесфлюсовую пайку латунью без испарения цинка из припоя в атмосфере азота или углекислого газа низколегированных сталей, например марок 40Х, ЗОХГСА при температурах от +910 °С до +920 °С [1, 2].

Камеры жидкостных ракетных двигателей представляют собой геометрически сложные конструкции с множеством различных внутренних полостей. Это обстоятельство обуславливает сложность технологии пайки, особенно таких ее элементов как нанесение припоя и обеспечение стабильности величины гарантированного зазора между сопрягаемыми элементами.

Наиболее показательным является процесс изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 ракеты-носителя «Союз 2-1-Б». Сопло камеры ЖРД 14Д23 имеет отличительную особенность - сложной геометрической формы верхний коллектор, являющийся концентратором напряжений различного рода. Эскиз подколлекторной зоны и ее вид показаны на Рисунке 1.1.

Паяные соединения в зоне подколлекторного кольца получают методом вакуумно-компрессионной пайки. Типовыми дефектами паяных соединений, возникающими как в процессе изготовления, так и при эксплуатации является отсутствие контакта (несплошность: неспай, непропай, отрыв) между спаиваемыми поверхностями вследствие нарушения технологии или больших тепловых и (или) механических напряжений при испытаниях ЖРД 14Д23.

{ии1

Кольцо подколпгкторное

Стенка наружная

Коллектор вис д.

302.1

б)

Рисунок 1.1- Эскиз (а) и внешний вид (б) подколлекторного кольца зоны сопла

верхнего камеры ЖРД 14Д23

Паяные соединения в зоне подколлекторного кольца получают методом вакуумно-компрессионной пайки. Геометрические характеристики элементов сопла камеры ЖРД, существенно влияющие на возможность проведения контроля качества пайки следующие:

- толщина стенки внутренней (огневая стенка) - от 0,5 мм до 0,8 мм;

- толщина стенки внутренней (огневая стенка + ребро) - от 2,1 мм до

2.4 мм;

- ширина ребра - 0,8 мм;

- высота ребра - 1,5 мм;

- расстояние между ребрами -1,15 мм;

- толщина стенки наружной - 0,8 мм, в районе коллектора от 3,5 мм до

4.5 мм.

С точки зрения реализации традиционных методов неразрушающего контроля, таких как магнитный, рентгеновские и ультразвуковой (с традиционным пьезовозбуждением), данные конструкции является неконтролепригодными [51 - 70].

1.2 Анализ различных дефектов, возникающих в тонкостенных паяных соединениях камер жидкостных ракетных двигателей

Основными видами дефектов, возникающими в тонкостенных паяных соединениях, являются: неспай, непропай, шлаковые включения, поры, эрозия, подрез, усадочные раковины и рыхлоты, заплавление каналов, межзеренное проникновение припоя, паяльные остаточные напряжения, трещины [51, 52, 56, 58]. Данные дефекты описаны в Таблице 1.3.

Таблица 1.3

Основные виды дефектов, возникающих в паяных соединениях

Вид дефекта Описание дефекта Причины возникновения Схематичное изображение

Неспай Проявляется в виде отсутствия сцепления паяемого материала с материалом паяного шва. Возникает из-за загрязнения и окисления поверхности паяемого материала и припоя при нарушении технологии подготовки деталей и припоя под пайку и состава газовой среды в процессе пайки. "V—Р----- ччч - '

Непропай Проявляется в виде частичного или полного незаполнения паяльного зазора припоем. Возникает вследствие нарушения оптимальной величины сборочного зазора, недостаточного количества припоя, затвердевания припоя при растворении в нем паяемого материала, загрязнения поверхности, нарушения цикла пайки. )/;• { ' ;

Вид дефекта Описание дефекта Причины возникновения Схематичное изображение

Шлаковые включения Проявляются в виде темных фаз шлака в паяном шве. Возникают при использовании избыточного количества флюса, некачественной подготовки поверхности, загрязнении припоя, неправильном подборе марки флюса.

Поры Проявляется в виде полости округлой формы Возникает вследствие нарушения термического цикла пайки, испарения компонентов припоя, газонасыщенности паяемого материала. Л г^-—Л—

Эрозия Проявляется в виде растворения паяемого материала при пайке, происходящего как равномерно по всей поверхности, так и на отдельных участках его контакта с припоем Возникает при завышении температуры пайки,длительном времени выдержки и при избытке припоя. С7

Подрез Проявляется в виде углубления в паяемом материале, не заполненного припоем Возникает вследствие локальной эрозии у галтельных участков шва при нарушении режима пайки Р я 1 ^. ^" J

Вид дефекта Описание дефекта Причины возникновения Схематичное изображение

Усадочные раковины и рыхлоты Проявляются в виде полости или впадины, образованных при кристаллизации шва Возникают при избыточном количестве припоя и завышении величины паяльного зазора.

Заплавление каналов Проявляется в виде частичного или полного заполнения канала припоем Возникает при избытке припоя и отсутствии поджатая паяемых поверхностей шгичнос \ААГ ЛОАИОС

Межзеренное проникновение припоя Проявляется в виде распространения припоя по границам зерен паяемого материала Возникает из-за неправильного выбора способа подготовки поверхностей под пайку, завышения температуры пайки, длительных выдержек при температуре пайки Шш

Трещины Проявляется в виде растрескивания в теле паяного соединения Возникают под действием напряжений и деформаций металла изделия в процессе охлаждения V / \ . , \

Паяльные остаточные напряжения Под остаточными понимают напряжения, остающиеся в паяном соединении после устранения факторов, которые вызвали в нем пластическую деформацию: механических, термических, химических

Причиной образования непропаев, которые берут начало у границы раздела с паяемым металлом, может явиться неправильное конструирование паяного соединения (наличие «глухих», не имеющих выхода полостей), блокирование жидким припоем газа при наличии неравномерного нагрева или неравномерного зазора, местное отсутствие смачивания жидким припоем поверхности паяемого металла [1, 2]. Причиной появления блокированных остатков газа в швах может быть неравномерность движения фронта жидкости при затекании припоя в зазор. Фронт дробится на участки ускоренного и замедленного продвижения, в результате чего могут отсекаться малые объемы газа. Таким же образом может происходить захват флюса и шлаков в шве [1,2].

Неметаллические включения типа флюсовых или шлаковых возникают при недостаточно тщательной подготовке поверхности изделия к пайке или при нарушении ее режима. При слишком длительном нагреве под пайку флюс реагирует с паяемым металлом с образованием твердых остатков, которые плохо вытесняются из зазора припоем. Шлаковые включения могут образоваться также из-за взаимодействия припоев и флюсов с кислородом воздуха или пламенем горелки [1,2].

В процессе охлаждения соединения из-за уменьшения растворимости газов происходит их выделение и образование рассеянной газовой пористости.

Другой весьма распространенной причиной образования рассеянной пористости является возникновение так называемой усадочной пористости. Это явление характерно для случая затвердевания сплава с широким интервалом кристаллизации. При малых зазорах усадочные междендритные пустоты, как правило, тянутся в виде цепочки в центральной части шва. При больших зазорах усадочные поры располагаются в шве более равномерно в междендритных пространствах.

Причиной образования пор в паяных швах может быть эффект сфероидизации. В этом случае пористость в зоне шва возникает в результате нескомпенсированной диффузии атомов припоя и паяемого металла. Такого рода пористость возникает в системах припой - паяемый металл, у которых

имеется заметное различие в коэффициентах диффузии [1,2].

Анализ статистических данных металлографических исследований, представленных предприятиями ракетного двигателестроения ОАО КБХА и ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко» показал, что наиболее часто встречающимися дефектами, возникающими в соплах камер ЖРД, являются непропай (71% от общего количества дефектов) и неспай (18%), далее следуют дефекты типа заплавление каналов (8%) и прочие дефекты (3%). Результаты металлографического исследоваия подколлекторной зоны сопла представлен на Рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Результаты металлографических исследований в ходе

экспериментальной апробации

Наличие дефекта типа неспай или непропай на стадии гидравлических и огнвых испытаний ЖРД в большинстве случаев пораждают еще один тип дефекта - отрыв соседних ребер. С точки зрения различных видов НК, данные дефекты (за исключением случая частичного непропая) будут диагностироваться одинаково, поэтому в дальнейшем используется термин дефект типа неспай (непропай, отрыв).

Дефекты типа неспай (непропай, отрыв) являются наиболее опасными и существенно снижают показатели качества изготовления сопел камер ЖРД, такие как прочность и долговечность. Поэтому в дальнейшем речь пойдет о способах контроля именно данного вида дефектов.

1.3 Обоснование пути решения задачи контроля качества изготовления паяных соединений на основе результатов сравнения различных методов контроля

Методы контроля качества паяных соединений с целью обнаружения поверхностных, внутренних и сквозных дефектов установлены в ГОСТах 19249-73, 23479-79, 18442-80 и 24715-81, а ГОСТ 26126-84 установил ультразвуковые методы контроля качества паяных соединений. Стандарты распространяются на паяные соединения, выполненные всеми способами пайки, число которых на сегодня с разновидностями локальной пайки не менее десяти [52 - 56].

Для оценки качества паяных изделий применяются разрушающие и неразрушающие методы контроля. Применение разрушающих методов контроля паяного изделия оговаривается техническими условиями на изделие, но ввиду высокой стоимости и сложности конструкции сопел камер ЖРД применение разрушающих методов экономически необоснованно. Исходя из этого, далее рассматриваются только методы НК качества паяных соединений.

Технический осмотр изделия невооруженным глазом или с применением лупы в сочетании с измерениями позволяет проверить качество поверхности, заполнение зазоров припоем, полноту галтелей, наличие трещин и других наружных дефектов.

Ввиду того, что данный метод НК выявляет только наружные дефекты, данный метод не применим для контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД.

Радиационный контроль. Область применения методов радиационной дефектоскопии определяется ГОСТ 20426-75 [57].

Радиографический контроль применяют для определения внутренних дефектов в ответственных паяных изделиях, трещин в шве или паяемом металле, локального отсутствия припоя, пор и инородных включений.

Для радиографического метода контроля характерен разрыв во времени

между просвечиванием объекта и анализом изображения по рентгеновской пленке, что является недостатком метода.

Радиоскопический метод позволяет наблюдать изображение контролируемого участка одновременно с просвечиванием.

Целесообразная область применения радиоскопического метода приведена в Таблице 1.4. Применяют радиоскопические установки ПТУ-38, ПТУ-39, МТР-1, МТР-2, РИ-10Т и др. [57].

Таблица 1.4

Область применения радиоскопического метода

Энергия ускоренных электронов, кэВ Преобразователь излучения

Контролиру емый металл Толщина, мм Контроль сварных, паяных и клееных соединений Контроль паяных и клееных соединений, а также отливок и слитков

Алюминий 1-15 10-120 РЭОП, рентгенотелевизио нная установка с рентгеновидиконом РЭОП, рентгенотелевизион ная установка с рентгеновидиконом, флуороскопи-ческий экран

15-50 50 - 200 Рентгенотелевизио нная установка с РЭОП или рентгеновидиконом Рентгенотелевизион ная установка с РЭОП или с рентгеновидиконом

Железо 1-6 50-180 РЭОП, рентгенотелевизио нная установка с рентгеновидиконом Рентгенотелевизион ная установка с РЭОП или сцинтилляционным монокристаллом

4-20 180-250 Рентгенотелевизио нная установка с РЭОП или сцинтилляционным монокристаллом То же

20-100 250-1000 Рентгенотелевизио нная установка со сцинтилляционным монокристаллом Рентгенотелевизион ная установка со сцинтилляционным монокристаллом, или с РЭОП

Контролиру емый металл Толщина, мм Энергия ускоренных электронов, кэВ Преобразователь излучения

Контроль сварных, паяных и клееных соединений Контроль паяных и клееных соединений, а также отливок и слитков

Железо Свыше 100 600035000 Рентгенотелевизионные установки со сцинтилляционным монокристаллом и электронно-оптическим усилителем яркости изображения

Радиометрический метод позволяет производить автоматическую обработку результатов контроля. Рациональная область применения радиометрического метода приведена в Таблице 1.5.

Таблица 1.5

Область применения радиометрического метода

Толщина металла, мм Источники излучения

Железо Титан Алюминий

1...150 2...300 5...500 Рентгеновские установки с напряжением 400... 1000 кВ

1 ...200 2...400 5...1000 Радиоизотопные источники из 170Тт, 1921г, 137Сб, 60С о

50...500 90...980 150...200 Ускорители на энергию 6...35 МэВ

Ксерорадиографический метод. Для повышения производительности контроля и в целях экономии серебра создан метод получения изображения на фотополупроводниковых слоях из аморфного селена [57]. Технология просвечивания паяных соединений этим методом аналогична технологии радиографического контроля. Ксерорадиографический метод контроля имеет преимущество в отношении производительности и стоимости, однако ксерорадиографические пластины не могут изгибаться, поэтому этим методом возможен контроль швов только на плоской поверхности изделий.

Опыт применения радиационных методов НК на предприятиях ракетно-космической отрасли показал, что ввиду сложности конструкции сопел камер ЖРД, отсутствия плоскопараллельности поверхностей, постоянно меняющегося

радиуса кривизны в сечении сопла, ориентации неспая (непропая, отрыва) применение данных методов в задаче контроля качества паяных соединений сопел камер ЖРД на современном этапе развития не возможно.

Магнитопорошковый метод связан с образованием в местах дефектов при намагничивании потоков рассеяния [60]. Частицы порошка, наносимые на изделие после намагничивания, оседают в местах дефектов. Магнитопорошковым методом выявляются дефекты с раскрытием 1 ... 2,5 мкм, глубиной до 25 мкм, длиной до 2,5 мм.

Магнитный порошок наносится сухим и мокрым способами. В качестве магнитного порошка используют окалину железа (магнетит), измельченную до состояния пудры. При мокром методе порошок наносится в виде суспензии (вода, масло, керосин). Перед нанесением суспензии контролируемое изделие обезжиривают. Контроль методом намагничивания осуществляется различными видами магнитных дефектоскопов. После контроля паяные изделия размагничиваются в переменном магнитном поле.

Магнитографический метод обеспечивает запись на магнитную ленту магнитных полей рассеяния. Лента накладывается на контролируемую поверхность изделия. Информация о результатах контроля считывается с помощью магнитографического дефектоскопа: возникающий на экране электрический сигнал пропорционален величине остаточного магнитного потока полей рассеяния дефектов, записанных на ленте.

Намагничивание контролируемого изделия производится также возбуждением вихревых токов с помощью переменного электромагнитного поля. Контроль осуществляется измерением воздействия поля вихревых токов на возбуждающий преобразователь. Разработано несколько методов электромагнитного контроля: фазовый, амплитудно-фазовый, амплитудно-частотный, многочастотный и их сочетания. Наибольшее применение нашли амплитудно-фазовый и амплитудно-частотный методы.

Ввиду ограниченности применения метода по глубине и необходимостью нанесения специальных средств при производстве сопел камер ЖРД

невозможно применить данный метод.

Контроль течеисканием - контроль герметичности паяных изделий -осуществляют давлением жидкости или газа. Течь в дефектных местах обнаруживается течеисканием [61].

Чувствительность метода определяется наименьшим количеством пробного вещества (жидкости или газа), надежно регистрируемого при контроле. При масс-спектрометрическом методе контроля в качестве пробных веществ применяют гелий; при галогенном методе контроля - фреон и другие газы [62]. При выборе метода контроля течеисканием необходимо исходить из того, что чувствительность метода должна в 2 - 3 раза превышать заданную степень герметичности. За чувствительность метода контроля течеисканием принимается устойчиво регистрируемая наименьшая утечка контрольного вещества. Контрольным веществом называется смесь пробного вещества с наполнителем (например, гелиево-азотная смесь при масс-спектрометрическом методе контроля).

Газоаналитический метод течеискания основан на изменении электрического сопротивления нагретой проволоки в присутствии пробного газа в сравнении с такой же проволокой, нагретой в среде воздуха. На этом принципе разработаны катарометрические течеискатели, действие которых основано на изменении теплопроводности среды при проникновении пробного вещества через течь [62].

Пузырьковый метод контроля основан на регистрации появления пузырьков пробного вещества в дефектных местах контролируемого изделия. Различают пневматический, пневмо-гидравлический и вакуумный пузырьковые методы. При пневматическом способе сторона контролируемого изделия, противоположная подаче давления воздуха, обмазывается пенообразующим веществом. В качестве простейшего пенообразующего вещества служит раствор мыла в воде. Режимы контроля пузырьковым методом определяются техническими условиями на контролируемое изделие. Пузырьковый метод контроля может производиться путем подачи газа в контролируемое изделие с

последующим погружением его в жидкость. Дефектные места определяются по появлению пузырьков газа. Вакуумный пузырьковый метод применяют для контроля изделий при одностороннем к ним подходе [61]. В этом случае на поверхность дефектного места наносят пенообразуюшее вещество, после чего на него устанавливается переносная вакуумная камера со смотровым окошком, допускающим осмотр места контроля.

При создании необходимого разрежения имеющиеся неплотности обнаруживаются по появлению пузырьков.

Химический метод основан на химическом воздействии аммиака на фенолфталеин или азотнокислую ртуть, изменяющих свою окраску под действием аммиака [61]. В качестве контрольного газа при этом методе применяют 1 % смесь аммиака с воздухом или 3 % смесь аммиака с азотом. Избыточное давление газа в процессе контроля берется 0,1 ... 0,15 МПа.

Манометрический метод основан на регистрации изменения испытательного давления контрольного или пробного вещества, которым заполняется контролируемое изделие. Испытательное давление и время выдержки определяются техническими условиями на изделие.

Галогенный метод контроля основан на изменении эмиссии ионов нагретой металлической поверхностью при попадании на нее пробного вещества, содержащего галогены. Метод отличается высокой чувствительностью и применяется для контроля герметичности ответственных паяных изделий.

Масс-спектрометрический метод контроля основан на принципе разделения по массам ионов газов, проходящих через неплотности контролируемого изделия с помощью масс-спектрометров. Этот метод отличается высокой чувствительностью и применяется для контроля герметичности ответственных изделий. В качестве пробного газа используют водород, гелий, аргон и другие газы (наибольшее применение нашел гелий). В качестве контрольных газов применяют чистый гелий, смеси его с воздухом или азотом при концентрации гелия 10 ... 90 % [62].

Рубашка охлаждения (межстеночное пространство) сопел камер ЖРД представляют собой замкнутый контур, поэтому методы течеискания при их использовании дают информацию о негерметичности контура и не могут говорить о наличии дефектов в паяных соединениях.

Акустический контроль. К акустическому методу НК относится ультразвуковой контроль, основанный на способности ультразвуковых колебаний отражаться от поверхности внутренних неоднородностей материала. Этим методом выявляют трещины, поры, раковины, шлаковые включения, незаполнение шва припоем.

Дефекты паяных соединений в двух- и трехслойных конструкциях выявляются акустико-топографическим методом. Он эффективен для контроля дефектов, залегающих на глубине не более 3 ... 5 мм. Преимущество метода -высокая производительность, наглядность результатов, возможноть контроля большого ассортимента слоистых материалов [59].

Ультразвуковой контроль нахлесточных соединений может быть выполнен эхо-методом прямыми раздельно совмещенными преобразователями на частоту 2,5 ... 5 МПа [13].

Для оценки в тонкостенных кристаллах полупроводников (например, кремния) величины остаточных внутренних напряжений применяется ультразвуковой спектральный метод и соответствующая аппаратура.

Предполагаемыми дефектами паяных соединений камер сгорания (ЖРД) являются неспаи (непропаи, отрывы). Минимальный размер площади неспая (непропая, отрыва), который необходимо выявлять в соответствии с КД, составляет 1 мм2. Раскрытие неспая и непропая точно не установлено, однако по предварительным оценкам оно может составлять для неспая порядка нескольких мкм, а для непропая - несколько десятков мкм.

Анализ технических возможностей современных ультразвуковых методов с возбуждением ультразвуковых волн пьезоэлектрическими преобразователями показал, что данные методы не могут быть применимы для НК паяных соединений камер сгорания ЖРД. Это связано со следующими факторами:

длительность ультразвукового импульса составляет порядка Д/ = (ОД - 0,5) мкс, что соответсвует продольному разрешению М = (о,6 - 3,0) мм;

- глубина «мертвой зоны» составляет не менее (0,8-1,0) мм;

- диаметр зондирующего импульса (ультразвукового луча) более 4 мм.

Для обеспечения применимости акустического вида контроля необходим

метод дефектоскопии, который обладал бы указанными показателями на порядок выше.

Одним из путей решения проблемы контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД является применение лазерно-ультразвуковой дефектоскопии с термооптическим возбуждением ультразвуковых колебаний. Преимущества лазерно-ультразвуковой дефектоскопии связаны с апериодичностью, малой длиной импульсов ультразвука и малым диаметром зондирующего ультразвукового пучка. Сравнение ультразвуковых импульсов возбуждаемых с помощью лазера и с помощью пьезопреобразователей пиведено на Рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Сравнение традиционного (пьезо) и лазерного ультразвука

Малая длительность (Д/ = (5 - 20) не) зондирующего ультразвукового импульса приводит к повышению продольного пространственного разрешения контроля, которая достигает Д/ = (5 — 10) мкм.

Малый диаметр зондирующего пучка (0,6-1) мм позволяет повысить чувствительность контроля по эффективной площади неоднородности.

Апериодичность зондирующего импульса дает дополнительные

возможности - практическое отсутствие «мертвой зоны» и возможность определения акустического импеданса неоднородности. Последнее позволяет различить, например, расслоение (непропай или неспай).

Проведенный анализ показывает потенциальную возможность применения средств лазерно-ультразвковой дефектоскопии для контроля качества изготовления тонкостенных элементов изделий РКТ, в частности сопел камер ЖРД. Однако для использования данных средств при контроля качества изготовления паяных соединений сопел камр ЖРД необходимо разработать комплекс моделей, метод и на их основе методику НК.

ВЫВОДЫ ПО 1 РАЗДЕЛУ

1. Проведенный анализ конструктивных особенностей изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД показал, что сложность конструкции рубашки охлаждения (межстеночного пространства) и технологии ее изготовления обуславливает появление в наиболее критичных зонах дефектов типа непропа (неспай). Установлено, что наиболее критичной зоной является зона подколлекторного кольца сопла верхнего камеры ЖРД.

2. Анализ научно-технической литературы показал, что в ряде работ известных отечественных и зарубежных ученых, рассматриваются отдельные аспекты проблемы контроля качества паяных соединений различными методами НК. Однако в большинстве работ результаты исследований либо не доведены до уровня инженерных методик, либо не учитывают коснтруктивные особенности сопел камер ЖРД.

3. Установлено, что применение традиционных средств НК невозможно ввиду различных причин, поэтому предложено и обоснована возможность применения средств лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

4. Анализ применения средств лазерно-ульразвуковой дефектоскопии показал отсутствие, на сегодняшний момент, моделей, методов и методик, учитывающих конструктивные особенности сопел камер ЖРД, а также специфику дефектов паяных соединений.

Использование лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД возможно лишь после разработки комплекса моделей, метода, средства и на их основе методики НК.

2 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ МОДЕЛИ ТЕРМООПТИЧЕСКОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В ГЕОМЕТРИЧЕСКИ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

2.1 Анализ распространения ультразвуковых волн в оребренных конструкциях

Для возможности анализа возбуждения и распространения ультразвуковых волн в тонкостенных оребренных конструкциях предложено условно разбить оптоакустический тракт на две зоны: ближняя зона возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса и дальняя зона распространения ультразвуковых импульсов. Схема условного разбиения оптакустического тракта без учета процессов дифракции и интерференции представлена на Рисунке 2.1. Следует отметить, что в ближней зоне возбуждения можно выделить субзону оптоакустической трансформации, однако четких границ окончания данной субзоны установить невозможно.

Оптоакустической преобразователь

Стенка внутренняя (огневая)

Зона оптоакустической трансформации

Паяное соединение

Стенка наружная

Рисунок 2.1 - Схема условного разбиения оптоакустического тракта без учета

процессов дифракции и интерференции

За счет воздействия лазерного излучения на внутреннюю стенку сопла камеры ЖРД, поверхностные слои ( «5^-7 нм) начинают поглощать тепловое излучение. За счет термооптического эффекта, описанного в работах Карабутова A.A., Матросова М.П., Пеливанова И. М. и др. [14 - 17, 19, 21], в ближней зоне происходит возбуждение оптоакустических импульсов.

В ближней зоне возбуждения можно выделить субзону оптоакустической трансформации, т.е. зону в которой тепловые эффекты достаточно сильны и оказывают влияние на форму оптакустического сигнала. По аналитическим аценкам данная субзона для сопел камер ЖРД 14Д23 и РД0124А составляет «0,5 толщины внутренней (огневой) стенки (Л0Д т.е. -0,4 Мм. Вся ближняя зона возбуждения и опоакустической трансформации лазерного импульса заканчивается формированием устойчивой формы импульса (синие линии на Рисунке 2.1) оптоакустического сигнала в районе «входа» в ребро и составляет « 0,8 мм по толщине.

Дальняя зона распространения ультразвуковых импульсов условно начинается от «входа» волны в ребро (0,8 мм) и заканчивается при наличии качественной пайки на внешней поверхности наружной стенки сопла камеры ЖРД (3,2 мм), при наличии неспая (непропая, отрыва) на границе раздела сред ребро-непропай (2,3 мм).

В дальней зоне распространения также можно выделить две субзоны. Первая субзона, распространения волны в ребре, вторая субзона распространения волны в наружной стенке.

Распространение волн в ребре толщиной 0,8 мм предложено рассматривать, как распространение волн в тонких цилиндрах, описанное в работах Т. Микера и А. Мейтцлера [28, 29, 42, 43]. При достижении распространяющимися ультразвуковыми волнами ребра на границах раздела сред ребро-канавка, начинают проявлятся эффекты возбуждения вторичных нормальных и изгибных волн, а также волн Лэмба и Релея. На Рисунке 2.1 семейства данных типов волн показано зеленым цветом. При анализе оптоакустических сигналов вторичные трансформированные воны будут давать

«паразитные» сигналы, затрудняющие корректную интерпретацию зарегистрированных данных.

Распространение волн в наружной стенке предложено рассматривать, как распространение волн в тонких пластинах. Характер распространения волн в тонких пластинок очень близок к распространению волн в цилиндрах. При достижении головной волной внешней границы наружной стенки сопла камеры ЖРД, на ее поврехности будут возникать эффекты, схожие с эффектами происходящими в ребре, но возбуждаемые вторичные волны в наружной стенке по направлению будут квазиперпендикулярны вторичным волнам возбуждаемым в ребре. Возбуждаемые волны в пластинках будут иметь семейства как симметричных, так и антисимметричных мод.

Нужно отметить, что при трансформации данные типы вторичных волн могут формировать головную волну, препятсвующую получению информативного сигнала, отраженного от внешней границы наружной стенки сопла камеры ЖРД.

2.2 Модель ближней зоны возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса

2.2.1 Термооптическое возбуждение ультразвука и его передаточная функция

При термооптическом возбуждении акустический импульс и его форма определяется характеристиками среды (скоростью звука, коэффициентом поглощения света) и параметрами лазерного излучения (длительностью импульса, диаметром пятна) [26]. Разделение влияния формы лазерного импульса и свойств среды на профиль акустического сигнала является основной задачей. Данная задача может быть решена с применением метода передаточных функций.

При термооптическом возбуждении на границу раздела (плоскость ХУ) из прозрачной среды падает лазерный импульс интенсивность которого

/ = /0/(')8(х,у) где /(/) и £(*,>>) описывают временную и пространственную форму импульса соответственно [26]. Ось 2 направлена вглубь поглощающей среды (Рисунок 2.2).

Прозрачная среда

X

лазерный импульс

акустическии импульс

У

Поглощающая среда

/

\

На

-1

акустическии импульс

Рисунок 2.2 - Схема, иллюстрирующая принцип термооптического возбуждения звука с помощью лазера

Импульс давления, возникающий за счет неоднородного нагрева и расширения среды при поглощении светового излучения описывается формулой [16]:

р\т) = ^~]/{со)К{со)е-'шЧсо (2.1)

—00

где г = 1-г/У, - время в сопровождающей системе координат; V, - фазовая скорость продольных звуковых волн в поглощающей среде;

_ частотный спектр огибающей интенсивности лазерного

импульса;

К(со) - передаточная функция термооптического преобразователя.

Спектр р{со) импульса давления, возникающего в поглощающей среде за счет термооптического преобразования находится как:

p(co)=IJ(co)K(co) (2.2)

Фактически задача сводится к определению передаточной функции. Зависимость передаточной функции от параметров поглощающей среды и граничных условий, выражается в виде (в однородно поглащающей среде) [16, 26]:

VL ß *

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Кинжагулов, Игорь Юрьевич

Основные результаты исследований реализованы в ОАО «НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко», что подтверждено Актом внедрения диссертационных исследований.

Результаты исследований докладывались на: XL научной и учебно-методической конференции Национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург, 2011); VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011); XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012); отраслевой конференции «Проблемы контроля качества пайки и конструкционных покрытий наносимых на камеры ЖРД РКТ» ГНЦ ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» (Москва, 2012); I Всероссийском конгрессе молодых ученых IX Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); I Международной научно-практической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, 2012); XV Международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012); XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013).

Результаты исследований использовались при выполнении НИР: «Экспериментально-теоретические исследования методов и средств неразрушающего контроля технического состояния элементов изделий космической техники на различных этапах жизненного цикла» Шифр «Мираж» составная часть НИР «Эксперимент» и ОКР «Разработка методик контроля качества изготовления элементов двигателя РД-171М» Шифр «Факел».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационных исследований была решена актуальная научно-техническая задача, которая состоит в разработке метода и средства контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии, обусловленных требованиями развития современной дефектоскопии и средств НК и обеспечивающих повышение достоверности контроля и качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

В ходе теоретических и экспериментальных исследований были решены все поставленные логически взаимосвязанные частные задачи, получены и проанализированы результаты.

При решении частных задач исследований получены следующие основные результаты диссертационной работы:

1) обоснована возможность применения средств лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных элементов изделий РКТ, с учетом их конструктивных и физических особенностей;

2) разработан комплекс моделей термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях РКТ, позволяющий аналитически рассмотреть взаимодействия различных типов волн, корректно интерпретировать регистрируемые оптоакустические сигналы, а также рассчитывать акустические тракты при разработке оптоакустических преобразователей;

3) предложен метод контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии, позволяющий, с применением глубинных маркеров, корректно интерпретировать информативные сигналы, получаемые при помощи разработанного оптоакустического преобразователя для контроля паяных соединений сопел камер ЖРД;

4) разработана методика лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий PKT.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором лично, состоит в том, что

1) впервые предложено использовать термооптическое возбуждение ультразвуковых колебаний для генерации акустических пучков малого диаметра, обеспечивающего применение метода лазерно-ультразвукового контроля для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ;

2) впервые предложено использовать оптоакустический преобразователь, конструкция которого позволяет генерировать ультразвуковые волны непосредственно в стенке сопла камеры ЖРД, с учетом ее физических особенностей и особенностей конструкции и разработан метод контроля, позволяющий существенно повысить достоверность контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

Разработка методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ стала возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение новых задач дефектоскопии, поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям в области акустики и не противоречит ее положениям, базируется на строго доказанных выводах теории прочности, подтверждается экспериментальной апробацией разработанного метода на предприятиях ракетно-космической отрасли.

Результаты исследований позволяют выявлять дефекты типа непропай (неспай, отрыв) эффективной площадью от 1 мм и раскрытием менее 2 мкм, а также существенно повысить достоверность результатов контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД, за счет применения разработанного метода. Применение разработанной методики позволило оперативно принимать решение о допуске камер ЖРД к огневым испытаниям и их приемке в эксплуатацию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кинжагулов, Игорь Юрьевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Петрунин И.Е., Лоцманов С.Н., Николаев Г.А. Пайка металлов 2-е изд. - М.: Металлургия, 1973.

2. Справочник по пайке. / Под ред. С.Н. Лоцманова, И.Е. Петрунина, В.П. Фролова. - М.: Машиностроение, 1975.

3. Потак Я.М. Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. - М.: Оборонгиз, 1955.

4. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. -М.: Металлургия, 1974.

5. Парфенова Л.В., Парфенов А.Н. и др. Прочность соединений при пайке двухфазными припоями // Сварочное производство. 1976. № 1.

6. Николаев Г.А., Киселев А.И. Работа мягкой прослойки паяных соединений // Сварочное производство. 1960. № 12.

7. Кузнецов O.A., Погалов А.И. Прочность паяных соединений. - М.: Машиностроение, 1987.

8. Парфенов А.Н. Низкотемпературные припои и флюсы. Справочник по пайке / Под ред. И.Е. Петрунина. Изд. 3-е. - М.: Машиностроение, 2003.

9. Парфенов А.Н. Проблема черной контактной площадки и иммерсионного золочения // Практическая силовая электроника. 2003. № 12.

10. Давиденков H.H. Динамические испытания металлов. - М.: ОНТИ,

1936.

11. Фридман Я.Б. Единая теория прочности. - М: Оборонгиз, 1943.

12. Неровный В.М., Ямпольский В.М. Сварочные дуговые процессы в вакууме. - М: Машиностроение, 2002.

13. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006.

14. Карабутов А.А., Матросов М.П., Подымова Н.Б., Пыж В.А. Импульсная акустическая спектроскопия с лазерным источником звука. // Акустический журнал. 1991 .Т.37(2). С.311.

15. Карабутов А.А., Матросов М.П., Подымова Н.Б. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн. // Акустический журнал. 1993.Т.39(2). С.373.

16. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. - М.: Наука,

1991.

17. Бахвалов Н.С., Жилейкин Я.М., Заболоцкая Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. - М.: Наука, 1982.

18. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. - М.: Наука, 1990.

19. Karabutov A.A., Podymova N.B., Letokhov V.S. Time-resolved laser optoacoustic tomography of inhomogeneous media. // Appl. Phys. B. 1996. Vol.63. P.545.

20. Кузьмин В.Л., Романов В.П. Характерные эффекты при рассеянии света в неупорядоченных системах. // УФН. 1996.Т. 166. С.247.

21. Karabutov А.А., Pelivanov I.M., Podymova N.B., Skipetrov S.E. Direct measurement of the spatial distribution of light intensity in a scattering medium. // JETF Lett. 1999. Vol.70(3). P. 183.

22. Карабутов A.A., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б., Скипетров С.Е. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред оптико-акустическим методом. // Квантовая электроника. 1999. Т.29. №3. С.215.

23. Физические величины. Справочник. - М.:Энергоатомиздат. 1991.

24. Scott W.R., Gordon P.F. Ultrasonic analysis for nondestructive testing of layered composite materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1977. Vol.62(1). P. 108.

25. Карабутов А.А., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Распространение продольных и сдвиговых акустических видеоимпульсов в однонаправленных графито-эпоксидных композитах. // Акустический журнал. 1999. Т.45(1). С.105.

26. Карабутов A.A., Кожушко В.В., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Исследование оптико-акустическим методом прохождения широкополосных ультразвуковых импульсов через периодические одномерные структуры. // Акустический журнал. 2000. Т.46. №4. С.510.

27. Bal G., Keller J.B., Papanicolaou G., Ryzhik L. Transport theory for acoustic waves with reflection and transmission at interfaces. // Wave Motion. 1999.Vol.30(4). P.303.

28. Лепендин Л.Ф. Акустика. - M.: Высшая школа, 1978.

29. Скучик Е. Основы акустики. - М.: Мир, 1976.

30. Vary A. Ultrasonic measurements of material properties. // Resonans techniques in nondestructive testing. 1980. Vol.4. P. 160.

31. Труэлл P., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. - М.: Мир, 1972.

32. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. - М.: Наука,

1982.

33. Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Диагностика дефектов структуры композитов лазерным оптико-акустическим методом. // Тезисы конф. "Современные проблемы механики". 1999. С.229.

34. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.1. - М.: Мир, 1983.

35. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоупрогость. -К.: Наукова думка, 1977.

36. Овсеенко А.Н., Серебряков В.И., Гаек М. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения. - М: НТЛ, 2003.

37. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005.

38. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.7. Теория упругости. - М.: Наука, 1987.

39. Дьелесан Э., Руайе Д. Упругие волны в твердых телах. - М.:Наука,

1982.

40. Карабутов А.А, Кожушко В.В., Пеливанов И.М., Митюрич Г.С. Интерференция встречных продольных акустических волн в изотропной поглощающей пластинке и периодической структуре с дефектами // Акустический журнал. 2001. том 47. №6. С.816.

41. Экспериментальная механика. / Под. ред. Кобаяси А. - М: Мир,

1990.

42. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. - М.: Наука, 1966.

43. Физическая акустика. / Под ред. У. Мэзона. Том 1 Методы и приборы ультразвуковых исследований. - М.: Мир, 1966.

44. Abraham О. et al. The use of surface waves for non-destructive testing of concrete structures // Insight. 2000. V. 42. №7. P. 444-446.

45. Викторов И.А, Зубова O.M. Нормальные волны в твердом цилиндрическом слое. // Акустический журнал. 1963. том 9. № 1. С. 19-22.

46. Zemanek J. An experimental and theoretical investigation of elastic wave propagation in a cylinder// J. Acoust. Soc. Amer. 1972. V. 51. P. 265-283.

47. Mindlin R.D., Fox E.A. Vibration and waves in elastic bars of rectangular cross-section // Trans. ASME, J. Appl. Mech. 1960. V. 27. P. 152-158.

48. Ashley S. Nondestructive evaluation with laser ultrasound // Mechanical Engineering. 1994. October. P. 63-66.

49. Чабанов B.E. Лазерный ультразвуковой контроль материалов. - Л. Изд-во ЛГУ, 1986.

50. Щербаков А.А., Данилов В.Н. Определение эффективной частоты эхоимпульса ультразвуковых преобразователей // Дефектоскопия, 1998. №4. С. 23-31.

51. ГОСТ 17325-79 Пайка и лужение. Основные термины и определения.

52. ГОСТ 19249-73 Соединения паяные. Основные типы и параметры.

53. ГОСТ 23479-79 Контроль неразрушающий. Методы оптического вида. Общие требования.

54. ГОСТ 18442-80 Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования.

55. ГОСТ 24715-81 Соединения паяные. Методы контроля качества.

56. ГОСТ 26126-84 Контроль неразрушающий. Соединения паяные. Ультразвуковые методы контроля качества.

57. ГОСТ 20426-82 Контроль неразрушающий. Методы дефектоскопии радиационные. Область применения.

58. ОСТ 92-1190-88 Соединения паяные металлические и керамические. Типовые технологические процессы пайки.

59. ГОСТ 14782-86 Контроль неразрушающий соединения сварные. Методы ультразвуковые.

60. ГОСТ 21105-87 Контроль неразрушающий магнитопорошковый метод.

61. ГОСТ 26790-85 Техника течеискания. Термины и определения.

62. ГОСТ 28517-90 Контроль неразрушающий. Масс-спектрометрический метод течеискания. Общие требования.

63. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 1: В 2 кн. Кн. 1: Ф.Р. Соснин. Визуальный и измерительный контроль. Кн. 2: Ф.Р. Соснин. Радиационный контроль. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006.

64. РД 03-606-03 Инструкция по визуальному и измерительному контролю.

65. Еремин Н.И. Магнитная порошковая дефектоскопия. - Л.: Машгиз,

1947.

66. Шелихов Г.С. Магнитопорошковая дефектоскопия в рисунках и фотографиях: Практическое пособие. - М.: Диагностич. науч.-техн. центр «Дефектоскопия», 2002.

67. Зацепин Н.И. Неразрушающий контроль (избранные вопросы теории поля). - М.: Наука и техника, 1979.

68. Щербинский В.Г., Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. - М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2000.

69. Ультразвуковые преобразователи. / Под ред. Е. Кикучи. - М.: Мир,

1972.

70. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. / Под ред. И.Н. Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986.

71. Парфенов А.Н. Введение в теорию прочности паяных соединений // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 2.

72. Долгов Ю.С., Сидохин Ю.Ф. Вопросы формирования паяного шва. -М.: Машиностроение, 1973.

73. Лашко Н.Ф., Лашко C.B. Пайка металлов. - М.: Машиностроение,

1977.

74. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Машиностроение, 1974с.

75. Писаренко Г.С., Можаровский Н.С., Антипов Е.А. Сопротивление жаропрочных материалов нестационарным силовым и температурным воздействиям. - Киев: Наукова думка, 1974.

76. Проектирование технологий пайки металлических изделий: Справочник. Лашко C.B., Лашко Н.Ф., Нагапетян Н.Г. и др. - М.: Металлургия, 1983.

77. Болышаков А.П., Новиков С.А., Синицын В.А. и др. Прочность сварных и клеевых соединений при динамическом растяжении. // Проблемы прочности. 1980. №11. С. 85-86.

78. Семенов В.Н., Чулков Ю.П., Комаров Л.Н. Определение допустимых напряжений в процессе пайки. // Сварочное производство. 1981. №3. С. 11-13.

79. Стеклов О.И., Лапшин Л.Н. Коррозионно-механическая стойкость паяных соединений. - М.: Машиностроение, 1981.

80. Хряпин В.Е. Справочник паяльщика. - М.: Машиностроение, 1981.

81. Алешин Н.П. Физические методы неразрушающего контроля сварных соединений. Учебник для вузов. - М.: Машиностроение, 2006.

82. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х., Вощанов А.К., Ермолов В.П., Гурвич А.К. Методы акустического контроля металлов. / Под ред. Н П. Алешин. - М.: Машиностроение, 1989.

83. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: справочное пособие. - Минск: Высш. шк., 1987.

84. Балдев Радж, Раджендран В., Паламичани П. Применение ультразвука. - М.: Техносфера, 2006.

85. Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия,

1985.

86. Гурвич А.К. Кузьмна Л.И. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых дефектоскопов. - Киев: Техшка, 1980.

87. Домаркас В.П., Кажис Р. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. - Вильнюс: Минтис, 1974.

88. Домаркас В.П., Пилецкас И.Л. Ультразвуковая эхоскопия. - Л.: Машиностроение, 1988.

89. Ермолов И.Н., Гитис М.Б., Королев М.В., Карпельсон А.Е., Мельканович А.Ф., Вопилкин А.Х. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля. - М.: Машиностроение, 1986.

90. Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль. Учебник для специалистов первого и второго уровней квалификации. Изд. 5-е стереотипное. - М. 2006.

91. Ермолов И.Н., Вопилкин А.Х., Бадалян В.Г. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии (краткий справочник). - М.: ООО НПЦ "ЭХО+", 2004.

92. Королев М.В. Эхо-импульсные толщиномеры. - М.: Машиностроение, 1980.

93. Крауткремер И, Крауткремер Й. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. - М.: Металлургия, 1991.

94. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. Учебное пособие. - СПб: Радиовионика, 1995.

95. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура металлов и сплавов. - Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1996.

96. Щербинский В.Г. Технология ультразвукового контроля сварных соединений. Изд. 2-е. - М.: Тиссо, 2005.

97. J.C. Drury. Ultrasomic Flaw detection For Technicians. 3-d ed. - Imex Gr., 2004.

98. Прохоров С.О. Оценка точности измерения при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. 1985. №7. С. 3-11.

99. Hosten В., Deschamps М. Inhomogeneous wave generation and propagation in lossy anisotropic solids. Application to the characterisation of viscoelastic composite materials. // J. Acoust. Soc. Am. 1987. Vol.82(5). P. 1763

100. Карабутов A.A., Кожушко В.В., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Неразрушаюгцая диагоностика одномерных периодических структур лазерным ультразвуковым методом по спектрам пропускания широкополосных акустических импульсов. // Тезисы конф. "Механика композитных материалов". 2000. С.115.

101. Пеливанов И.М. Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред: Дис. ... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21. М.: МГУ, 2000.

102. Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Распространение широкополосных акустических сигналов в однонаправленных волокнистых композитах. // Вестник МУ. Серия 3. Физика, Астрономия. 1997. №5. С.47.