自由裝填式藥柱包覆層黏接質量的錯位散斑檢測

程茶園,林 鑫,孫 霖,李正勇,劉哲軍

(1.航天材料及工藝研究所，北京 100076；2.湖北航天化學技術研究所，襄陽 441003；3.上海航天化工應用研究所，湖州 313002)

藥柱包覆層是一種橡膠類的阻燃覆層，廣泛應用于多種武器，其具有控制藥柱燃燒面、穩定燃氣壓力的作用?，F有的理論和實踐均已表明，藥柱包覆層的脫黏缺陷是影響發動機性能的重要原因之一，其會導致藥柱燃燒截面增大，破壞發動機預定推力、壓力的變化規律，嚴重時還會引發爆炸，導致任務失敗。藥柱包覆層黏接質量無損檢測是該類產品質量控制的關鍵工序。自由裝填式藥柱包覆層主要包含丁腈橡膠(NBR)、三元乙丙橡膠(EPDM)等，目前國內航天、兵器領域藥柱研制生產單位大多采用激光散斑無損檢測技術來檢測藥柱包覆層的黏接質量[1-3]。激光錯位散斑技術相對成熟，但在藥柱包覆層黏接質量檢測應用中還存在一些問題，如對激光錯位散斑檢測靈敏度認識不足造成檢測要求與檢測能力不符；對散斑檢測錯位距離的選取以及對包覆層表面進行無損處理還缺少試驗研究等。文章主要針對藥柱包覆層檢測中存在的問題進行研究，為自由裝填式藥柱包覆層的檢測提供參考。

1 藥柱包覆層錯位散斑檢測原理

用經過擴束的激光照射被檢藥柱表面時，反射的子波相互干涉，通過錯位裝置(見圖1)及成像系統可在錯位方向形成有一定錯位量的兩個散斑場。利用真空壓力控制系統對被檢藥柱施加一定的動態負壓，將CCD(電荷耦合器件)相機采集的變形前后的散斑圖作相減處理，可以得到表示位移導數的干涉條紋圖(見圖2)。以水平方向(x方向)錯位為例可得到

(1)

式中：w為對應坐標z方向上的離面位移；λ為激光波長；Isub為散斑圖相減后的光強；I0為原始光強;r為調制系數;φ為相位;Δ為相位差;δx為水平方向的錯位。

圖1 激光錯位系統結構示意

圖2 藥柱包覆層脫黏缺陷錯位散斑檢測條紋圖

傳統條紋圖包含的信息少，要實現高精度檢測，獲得更為豐富的信息，就需要提取相位信息。相移技術是目前應用最廣泛的相位提取技術之一[4-5]，其具有很高的空間分辨率和測試靈敏度，可以分為定步長相移法和等步長相移法兩大類。人工缺陷試樣錯位散斑檢測相位圖(四步相移法處理結果)如圖3所示，試樣包覆層為5 mm的厚三元乙丙橡膠包覆層，從上至下3排缺陷的直徑分別為10，5，8 mm。采用等步長四步相移法，實現了0°,90°,180°，270°四步相移并采集了相應的散斑圖像，對相移圖像進行濾波、位相計算可得到缺陷試樣的包裹相位圖及解包裹相位圖。

圖3 人工缺陷試樣錯位散斑檢測相位圖(四步相移法處理結果)

2 檢測應用

2.1 缺陷變形與壓差關系數值分析及試驗驗證

藥柱包覆層常見缺陷為脫黏缺陷，缺陷試樣結構如圖4所示。包覆層在抽真空激勵作用下，缺陷部位將產生離面位移，根據光的干涉原理，離面位移和波長的關系為

(2)

式中：d為垂直于表面方向的離面位移；N為干涉條紋級數。

圖4 藥柱包覆層缺陷試樣結構示意

由式(2)可知，如果在載荷作用下，缺陷部位與周圍正常區域具有半個波長的位移差，缺陷區域將形成一級閉合特征條紋，此特征可用于缺陷的判定。不同材料、厚度包覆層的最小可檢測缺陷尺寸與材料的彈性模量、泊松比、包覆層厚度、密度以及壓力差等有關。

應用ANYSYS軟件對不同厚度、不同尺寸缺陷在真空加載作用下的變形進行仿真分析，得出缺陷可檢出需要的最小壓差。以丁腈橡膠、三元乙丙為對象，包覆層厚度為15 mm，把黏接界面的缺陷看成是周邊固支的圓形薄板，按線彈性計算得出不同尺寸缺陷在真空壓力作用下的位移云圖，并對缺陷可分辨要求的最小壓差進行統計，統計結果如表1，2所示。

表1 不同尺寸、不同厚度丁腈橡膠包覆層缺陷可分辨要求的最小壓差

表2 不同尺寸、不同厚度三元乙丙包覆層缺陷可分辨要求的最小壓差

錯位散斑檢測系統結構如圖5所示(圖中L1為激光器；M1為反射鏡及相移器；M2為反射鏡；C1為CCD相機；BS為分束鏡)，加載方式為真空箱負壓加載。根據有限元仿真數值分析的結果，對不同厚度、不同尺寸的丁腈橡膠、三元乙丙藥柱模擬試樣進行錯位散斑檢測。藥柱試樣包覆層厚度為15 mm，根據厚度預置不同尺寸的缺陷。實際檢測中可適當增加壓差，隨著壓差增大，缺陷中心形變增大，條紋級數增加，更利于識別缺陷。對于三元乙丙橡膠包覆層，試驗推薦的最小壓差35 kPa；丁腈橡膠包覆層推薦的最小壓差為47 kPa。

圖5 錯位散斑檢測系統結構示意

圖6為三元乙丙包覆層藥柱試樣的錯位散斑檢測相位圖，圖6(a)缺陷的直徑從上到下4排依次為2，4，6，8 mm,試樣包覆層厚度依次為1，2，3，4 mm。圖6(b)試樣包覆層厚度為5 mm，缺陷直徑從上到下依次為4，5，6，8，10 mm。

圖6 三元乙丙包覆層藥柱試樣的錯位散斑檢測相位圖

圖7 丁腈包覆層藥柱試樣的錯位散斑檢測相位圖

圖7為丁腈包覆層藥柱試樣的錯位散斑檢測相位圖，圖7(a)試樣包覆層厚度為4 mm，缺陷直徑從上到下依次為4，6，8，10 mm。圖7(b)試樣包覆層厚度為5 mm，缺陷直徑從下到上依次為6，8，10，15 mm。

經過試驗驗證，對于1～5 mm厚的丁腈橡膠和三元乙丙藥柱包覆層，最小可檢缺陷直徑與其厚度近似。

2.2 包覆層檢測錯位量的選取及缺陷定量

激光經擴束后照射待測物體，再經過錯位裝置后產生兩個錯位圖像[見圖8(a)]，在一定范圍內錯位距離越大，測量分辨力越高[6]，當錯位達到缺陷半徑時[見圖8(b)]，測量靈敏度最大，此后，即使錯位距離繼續增大，條紋級數也不再增加。

不同錯位距離的丁腈橡膠包覆層散斑檢測相位圖如圖9所示。包覆層厚度為4 mm,加載壓差為7 kPa，錯位方向為45°方向。由圖9可以看出，隨著錯位量的增大，條紋級數增多，缺陷檢測靈敏度提高。實際檢測時，應根據包覆層特點和檢測要求選取合適的錯位量。一般對于丁腈橡膠、三元乙丙橡膠包覆層，缺陷檢測能力和厚度近似，選擇的錯位距離應至少為厚度的一半。

檢測過程中出現“蝴蝶狀”特征干涉條紋，表明條紋區有脫黏缺陷。在錯位方向(以水平方向為例)上，缺陷尺寸等于條紋區尺寸D減去錯位距離δx；在垂直錯位方向上，缺陷尺寸等于條紋區的尺寸[見圖8(c)]。

圖8 錯位距離及缺陷測量示意

圖9 不同錯位距離的丁腈橡膠包覆層散斑檢測相位圖

2.3 藥柱表面處理

圖10 涂刷TiO2前后的藥柱包覆層外觀

采用激光散斑法檢測黑色光滑的藥柱包覆層時，反射率較低，散斑效應不明顯，檢測效果差。在包覆層表面涂刷增加漫反射的物質來提高反射率，可解決表面反光或低反射率的藥柱包覆層黏接質量的無損檢測問題。試驗選取鈦白粉TiO2和碳酸鈣粉末涂刷在藥柱包覆層表面，待其完全干燥后對包覆層進行檢測。涂刷TiO2前后的藥柱包覆層外觀如圖10所示，其錯位散斑檢測結果如圖11所示。

圖11 涂刷TiO2前后的光滑藥柱包覆層錯位散斑檢測結果

3 結語

藥柱包覆層黏接質量的錯位散斑檢測是錯位散斑檢測技術較成功的應用之一。文章針對常用的丁腈橡膠、三元乙丙橡膠藥柱包覆層，在真空負壓加載壓差有限元數值分析的基礎上，結合試驗驗證，給出真空加載壓力差的推薦值，得出不同厚度包覆層可檢測的最小缺陷。對散斑檢測錯位距離的選取、藥柱包覆層表面處理方法以及缺陷大小的測量做了詳細的介紹，有一定的參考價值。