автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Лазерно-ультразвуковой метод и средство дефектоскопии паяных соединений

айЬс'ру!

На правах рукописи

Кинжагулов Игорь Юрьевич

ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД И СРЕДСТВО ДЕФЕКТОСКОПИИ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059552

1 р т

Санкт-Петербург 2013

005059552

Работа выполнена на кафедре измерительных технологий и компьютерной томографии Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Марусина Мария Яковлевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

МГУ им. М.В.Ломоносова Карабутов Александр Алексеевич

доктор технических наук, профессор Национального минерально-сырьевого университета «Горный», Заслуженный деятель науки РФ Потапов Анатолий Иванович

Ведущая организация: ОАО «НПО Энергомаш им. академика

В.П.Глушко», 141400, Россия, Московская обл., г. Химки, ул. Бурденко, д.1

Защита состоится «06» июня 2013 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «06» мая 2013 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49, учёному секретарю диссертационного совета Д212.227.04.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.227.04,

кандидат технических наук, доцент Киселёв С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Развитие ракетно-космической техники (РКТ) является одним из направлений (вместе с ядерной энергетикой, био- и нанотехнологиями, системами искусственного интеллекта), формирующих новый технологический уровень России. Создание изделий РКТ новых поколений должно основываться на глубоких конструкторских, технологических и материаловедческих исследованиях. При этом новые материаловедческие решения определяют уровень как конструкторских, так и технологических разработок, обеспечивая повышение качества изделий РКТ.

При производстве изделий РКТ используются специальные материалы и различные технологии создания сложных соединений, такие как вакуумно-компрессионная пайка, сварка трением с перемешиванием и др. Широко применяемые в РКТ традиционные методы и средства неразрушающего контроля (НК) не обеспечивают требуемого уровня достоверности данных о наличии дефектов микроуровня в сложных соединениях (по предварительным оценкам, раскрытие неспая может составлять несколько микрометров, а непропая - несколько десятков микрометров). Сложность разработки технологий НК паяных соединений обусловлена особенностями конструкции изделий, например камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а также допустимыми размерами дефектов, которые существенно влияют на безотказность работы и прочность двигателей.

Качество паяных соединений сопел камер ЖРД и возникающие в них из-за нарушения технологии производства дефекты типа «неспай» (непропай, отрыв) выступают в качестве объекта научных исследований диссертации.

Общие проблемы НК качества изготовления паяных соединений нашли широкое отражение в трудах С.Н. Лоцманова, А.Н. Парфенова, В.Н. Бакутина, A.JI. Ремизова и др., однако рассматриваемые в них методы НК (рентгеновский, вихретоковый, магнитный, тепловой, ультразвуковой и др.) не могут применяться при контроле качества паяных соединений сопел ЖРД. Анализ показал, что современные ультразвуковые методы с возбуждением ультразвуковых волн пьезоэлектрическими преобразователями также не могут использоваться для НК паяных соединений камер сгорания ЖРД. Это связано с высокими значениями длительности ультразвукового импульса, глубины «мертвой зоны» и диаметра зондирующего пучка.

В настоящее время одним из наиболее перспективных для НК качества паяных соединений сопел камер ЖРД представляется лазерно-ультразвуковой метод с использованием термооптического возбуждения акустических волн, описанный A.A. Карабутовым, М.П. Матросовым, И.М. Пеливановым и др. Его преимущества: малая длительность зондирующего импульса, малый диаметр зондирующего пучка и апериодичность зондирующего импульса (позволяет определить акустический импеданс неоднородности). Однако пока не разработаны 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, что определяет 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.

Цель работы - повышение достоверности результатов контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

Задачами исследования являются:

1) анализ методов контроля качества паяных соединений;

2) разработка модели термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях РКТ;

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 ЖРД 14Д23 и РД0124А.

Методы исследования

Для решения задач используются методы теории акустики, теории оптики и теории прочности. Полученные результаты обрабатывались при помощи методов математической статистики в программной среде Excel. Вычисления выполнены с помощью пакета прикладных программ MATLAB.

Положения, выносимые на защиту

1. Обоснование применимости метода ЛУЗК 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 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 следующем:

1) корректно обоснована возможность применения метода ЛУЗК для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий РКТ. Впервые предложено использовать термооптическое возбуждение ультразвуковых колебаний для генерации акустических пучков малого диаметра;

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

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

Практическая ценность работы

Результаты исследований позволяют выявлять дефекты типа «непропай» (неспай, отрыв) эффективной площадью от 1 мм2 с раскрытием менее 2 мкм; существенно повысить достоверность результатов контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД за счет применения разработанного метода. Использование разработанной методики позволило оперативно принимать решение о допуске камер ЖРД к огневым испытаниям и их приемке в эксплуатацию.

Реализация результатов работы

Основные результаты исследований реализованы в ОАО «НПО Энергомаш им. академика В.П. Глушко», о чем свидетельствует Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы.

Апробация результатов работы

Результаты исследований докладывались на XL научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (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 им. 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).

Исследования проводились в рамках 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».

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, 3 из них -в периодических изданиях из списка ВАК. Подана заявка на изобретение на технические решения, реализованные в разработанной методике.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (102 наименования). Основной текст работы (130 страниц) включает 11 таблиц и 56 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационных исследований, сформулированы цель исследований, научные положения, выносимые на защиту, приведена краткая аннотация работы.

В первой главе проанализированы различные методы контроля качества изготовления паяных соединений. Приведены особенности конструкции сопел камер ЖРД (рис. 1), накладывающие существенные ограничения на применение методов НК. Проанализированы дефекты паяных тонкостенных конструкций, а также возможные методы их выявления.

а)

б)

Рисунок 1 - Эскиз (а) и внешний вид (б) подколлекторного кольца зоны сопла верхнего камеры ЖРД 14Д23

Анализ методов контроля показал, что ввиду высокой стоимости и сложности конструкции сопел камер ЖРД применение разрушающих методов экономически необоснованно. Использование традиционных методов НК, таких как магнитный, рентгеновский и ультразвуковой, ввиду различных причин не привело к положительному результату. Как показала практика, необходимо применять новые методы и разрабатывать новые средства неразрушающего контроля.

Одним из путей решения проблемы контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД является применение лазерно-ультразвукового контроля с термооптическим возбуждением ультразвуковых колебаний.

Впервые корректно обоснована возможность применения средств лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных элементов изделий РКТ, в частности, сопел камер ЖРД. Для возможности использования данных средств необходимо разработать комплекс моделей, метод и на их основе - методику неразрушающего контроля.

Вторая глава посвящена разработке комплекса моделей термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в геометрически сложных конструкциях паяных соединений. В предлагаемом комплексе оптоакустический (ОА) тракт условно делится на ближнюю зону возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса и дальнюю зону распространения ультразвуковых импульсов.

За счет термооптического возбуждения в ближней зоне генерируются ультразвуковые сигналы. Согласно работе [1], «форма акустического импульса при термооптическом возбуждении определяется как характеристиками среды - коэффициентом поглощения света, скоростью звука, так и параметрами лазерного излучения - длительностью импульса и диаметром пятна. Основная задача состоит в том, чтобы разделить влияние формы лазерного импульса и свойств среды на профиль акустического сигнала». Для решения данной задачи предложено использовать метод передаточных функций.

На рис. 2 приведена схема, иллюстрирующая принцип лазерного термооптического возбуждения звука [2]. На границу раздела с поглощающей средой падает лазерный импульс с интенсивностью 1 = ¡of(t)g(x/У)> гДе /С) и s(x,у) описывают соответственно временную и пространственную форму импульса. Ось z направлена в глубь поглощающей среды.

За счет неоднородного нагрева при поглощении лазерного излучения среда расширяется, и в ней возникает импульс давления. Спектр р(а>) импульса давления, возникающего в поглощающей среде за счет термооптического преобразования, находится как [3]:

p(a>)=lJ(co)K(a>),

(1)

где /„/(<») - спектр огибающей интенсивности лазерного импульса; К(а>) передаточная функция.

Прозрачная среда

Г ¡г

К.

лазерный гп- ил! пульс

акустический импульс ____

Поглощающая среда

акустический импульс

/V

о г

Рисунок 2 - Лазерное термооптическое возбуждение звука

Фактически задача сводится к определению передаточной функции, зависящей от параметров поглощающей среды и условий на границе. В случае однородно поглощающей среды функция выражается в виде [3]

ЛГ(©)=-

У, Р'

1

с„ 1 + -/У 1 + ('о>/со,

—

о)„ го) М -Ь + Nm ---

1 +

1 + м

(2)

где /?* =Д1-4К//ЗК,2) - эффективный коэффициент теплового расширения поглощающей среды; ср, р, У5, — соответственно удельная теплоемкость, коэффициент теплового расширения, скорости сдвиговой (крутильной) и продольной волн; ах=р2ах, = Л, ^ - характерные частоты, на которых волновой вектор тепловой и акустической волн равен коэффициенту поглощения света ¡ла в поглощающей среде (х - температуропроводность); т = а,1а>а\ N = р0Уь/р'^У" - отношение акустических импедансов (волновых сопротивлений) поглощающей и прозрачной сред (р0 и р','- плотность поглощающей и прозрачной среды); М =р0сру[х/р'осруГ^ ~ отношение тепловых потоков в поглощающую и прозрачную среды; Ь характеризует относительный вклад прозрачной среды в генерацию звука.

Эволюция профиля ОА-импульса при ограниченных поперечных размерах пучка с учетом геометрически сложных ограниченных областей распространения в поглощающей среде описывается с помощью уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова [4]:

д_ 0т

££.__* „¿Р' Ь, ¿?У ] К

Л РоУ\Р Л 2РоУ\0т2 ^

где р' - акустическое (избыточное) давление, г = /-г/К£ - время в «бегущей» в направлении г со скоростью У1 системе координат, Д± = д2/8х2 + д2/ду2 -лапласиан по поперечным координатам х и у, е - безразмерный параметр, характеризующий нелинейные свойства среды, вызванные наличием структурных неоднородностей (в данной работе £-=150).

Таким образом, поэтапный подход позволяет рассчитать форму ОА-сигнала, возбуждаемого в поглощающей среде, и проанализировать дифракционные искажения импульса при распространении в ближней зоне, а также учесть геометрические особенности, влияющие на трансформацию сигнала.

Дальняя зона распространения ультразвуковых импульсов близка по геометрическим характеристикам к цилиндрам (ребро) и пластинкам (наружная стенка). Исходя из этого ее возможно описать уравнениями распространения нормальных ультразвуковых волн в пластинках и цилиндрах, приведенными в работах Т.Микера и А. Мейтцлера [5].

Дисперсионное уравнение для продольных волн записывается в виде

<Я(1Ъ _ Л{7Ь)1(рЬ)(аЬ)

1ёаЬ (т2-(Щ2)2 ' (>

а для изгибных нормальных волн в виде

'ёРЬ (оь)2-(/ЗЬ)2)2

1ёаЬ А{уЬ)г(рЬ)(аЬ) ' 1 '

где Ь соответствует плоскости ограничения пластинки (ребра) х = +Ь; аЬ, рь, уЬ - постоянные распространения вдоль осей х, у и г соответственно.

Поскольку рь и аЬ зависят только от уЬ, соЬ/Ух (оА - угловая частота) и коэффициент Пуассона а, приведенные дисперсионные уравнения можно рассматривать как функциональные соотношения между уЬ и соЫУ5 с параметром а (их обычно называют дисперсионными уравнениями Рэлея-Лэмба).

Значения частоты и а предполагаются действительными, но уЬ, аЬ и рь могут быть действительными, мнимыми или комплексными. Действительные значения уЬ дают смещения в виде суммы

тригонометрических функций, мнимые - в виде суммы гиперболических функций; комплексные - в виде суммы произведений тригонометрических и гиперболических функций волн. На рис. 3 представлен спектр частот для изгибных и продольных нормальных волн при а = 0,31 (по Миндлину) [5].

Рисунок 3 - Спектр частот продольных и изгибных нормальных волн в бесконечной пластине

Тонкие линии на рис. 3 представляют не взаимодействующие сдвиговые волны и волны сжатия. Связь этих типов волнового движения на свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна, выражается в частичном превращении одного типа волнового движения в другой при отражении от свободной поверхности. При мнимых значениях уЬ уравнение (4) описывает последовательность окружностей, а (5) - последовательность эллипсов; при действительных уравнение (4) описывает последовательность гипербол.

При отсутствии связи между волнами в изотропном материале пластинки для продольных и изгибных нормальных волн имеет место одна последовательность, соответствующая сдвиговым волнам, и вторая -соответствующая волнам сжатия.

с

\

10 У

$8765-1321 012 Я 455789 10

Мнимая часть 7 Действительная часть х

Совокупность рассмотренных моделей позволяет:

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

- корректно интерпретировать регистрируемые ОА-сигналы;

- анализировать взаимодействия различных типов волн и выделять наиболее характерные зоны.

Полученные зависимости при задании численных значений известных параметров (сг,У5,У1) поясняют эффект ослабления («проседания») первого отраженного от ребра сигнала (рис. 4).

Проседание сигнала на ребре

Рисунок 4 - Эффект ослабления первого отраженного от ребра сигнала

Из-за наличия различных типов волн вдоль линий уЬ (см. рис. 3) сигнал от впадины при получении ОА-изображений на ребре паяного соединения пропадает только на втором отражении (рис. 4). Это стало определяющим моментом в интерпретации ОА-изображений при разработке метода контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии.

В третьей главе диссертации разработаны метод и средство контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии.

С помощью методов теории прочности был определен критический размер дефекта типа «непропай» (неспай, отрыв). Анализ динамики действующих тепловых, газодинамических и гидравлических нагрузок по длине профиля сопла (рис. 5) позволил построить деформационную модель поведения паяных соединений во время проведения огневых испытаний и работы двигателя на активном участке траектории.

л 05 '.I й О Т 0 8 09 1 1 Номер сечения

Рисунок 5 - Изменение действующих тепловых и силовых нагрузок по длине профиля сопла

¥

Рисунок 6 - Деформирование конструкции под действием: синий цвет - давления в межрубашечной системе охлаждения; красный - рабочих нагрузок

На рис. 6 приведен пример деформирования конструкции в районе подколлекторного кольца сопла верхнего ЖРД 14Д23. Условия работы паяных соединений в зоне № 1 - Г=313,15 К, Р=35 МПа; № 2 - 7=473,15 К, Р=2А МПа. Расчеты, проведенные ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения», показывают, что наличие дефекта непропая эффективной площадью 1 мм2 с раскрытием не менее 2 мкм в подколлекторной зоне приводит к существенному росту сдвиговых

напряжений тср > |20| МПа. Разрушение паяного шва по короткой перемычке приводит к росту отрывных и падению сдвиговых напряжений на рабочем режиме. На рис. 7 показана зависимость нормальных (отрывных) напряжений по длине профиля сопла от действия всех нагрузок при работе двигателя без дефекта в подколлекторной зоне (синяя кривая) и при наличии дефекта типа «непропай» (красная).

Рисунок 7 - Изменение нормальных напряжений по длине профиля сопла

Полученный с помощью методов теории прочности критический размер непропая позволил сформировать требования к разработке нового типа ОА-преобразователя для контроля дефектов паяных соединений сопел камер ЖРД. Новизна разработанного преобразователя (рис. 8) заключается в следующем:

1) в конструкции преобразователя отсутствует генератор, т.е. осуществлен переход к генерации ультразвуковых импульсов непосредственно в материале стенки сопла ЖРД;

2) в состав преобразователя введена оптическая линза для фокусировки лазерного излучения и уменьшения диаметра генерируемого ультразвукового пучка;

3) профиль контактной поверхности преобразователя (ОА-призмы) согласован с геометрией поверхности контроля сопла камеры ЖРД;

4) в состав преобразователя введен клиновидный демпфер, исключающий паразитные сигналы дальней зоны распространения ультразвуковых импульсов.

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), при некачественном изготовлении паяных соединений. Для корректной интерпретации таких сигналов был

Рисунок 8 - Общий вид конструкции ОА-преобразователя

I— Мп> С •па Игл Ьм «М»

В " ~ Л 4 а Ч г. «.* А - '• »•<« V » т.» А че к

^ кас—— • У о 0 ^

разработан новый способ глубинных маркеров. Суть данного способа заключается в нанесении на ОА-изображение (В-скан) маркеров характерных глубин (рис. 9).

Рисунок 9 - Применение способа глубинных маркеров

Полученные результаты позволили разработать методику лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий PKT. Предложена методика, рассмотрены основные ее этапы, исследованы особенности исходных данных, необходимых для осуществления контроля, сформулированы рекомендации по определению исходного положения средств (рис. 10), разработаны алгоритм процедуры контроля и способ интерпретации полученных результатов для различных зон сопел камер ЖРД.

V- • •• й В И 1. i ^Ц « « ч 1 1: ■>•' /• -V %

^ L—* - Ji О i.1 у

*ЯЙЯЯ«»вЯ*8«»»реВ1]**

Рисунок 10 — Оптоакустическое изображение подколлекторной зоны в меридиональном направлении для определения исходного положения преобразователя

Таблица 1

Результаты экспериментальной апробации методики ЛУЗК_

Зав. № ЖРД Зав. № камеры Число проконтролированных ребер Число обнаруженных дефектов Ошибка I рода/ II рода

ЛУЗК металлография

6Л 101AI8 250 7 7 1/1

9J1 701А18 250 20 19 1/0

30 341A3 250 12 12 0/0

341А10 250 3 - -

341А9 250 1 - -

Приведены результаты апробации разработанной методики лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных изделий PKT. Эксперименты выполнены на соплах камер сгорания ЖРД 14Д23 и РД0124А. Достоверность полученных с помощью методики результатов подтверждена гидравлическими испытаниями образцов сопел камер ЖРД до разрушения с последующим проведением металлографических исследований паяных соединений. В табл. 1 проанализированы результаты, полученные при экспериментальной апробации методики на заводе-изготовителе ОАО КБХА.

В ходе разработки методики был предложен способ определения размеров частичного непропая на основе анализа уровня относительных амплитуд отраженных ОА-сигналов. Эффективная площадь непропая S3</,=Sm/S„H (S,m и SnH - площадь частичного и полного непропая соответственно) определялась как функция 5эф =f(Ü), Ü=Um/UnH (Um -амплитуда сигнала, отраженного от границы раздела сред при частичном непропае, Unu - амплитуда сигнала, отраженного от границы раздела сред при полном непропае). Результаты экспериментального определения эффективной площади непропая представлены в табл. 2. При этом значения S,ф получены по результатам металлографии, а U и П - по результатам ЛУЗК.

Таблица 2

Результаты экспериментального определения эффективной площади непропая __в ЖРД№6Л (камера М101А18)__

Порядковый № дефекта Тип дефекта 5,Ф U, мВ и

1 Частичный непропай 0,40 0,56 0,62

2 Полный непропай 1,00 0,90 1,00

3 Частичный непропай 0,80 0,84 0,93

4 Частичный непропай 0,60 0,73 0,81

5 Частичный непропай 0,50 0,67 0,74

6 Полный непропай 1,00 0,90 1,00

7 Частичный непропай 0,70 0,78 0,87

Получено следующее эмпирическое уравнение регрессии = 1,015С/2 -0,058£У , вид регрессионной зависимости представлен на рис. 11.

Рисунок 11- Регрессионная зависимость эффективной площади частичного непропая от относительной амплитуды отраженных сигналов

Анализ адекватности уравнения регрессии (модели) проводился на основе /•'-критерия Фишера. Табличное значение /'"-критерия Фишера:

Рта6М = 0,05; кх = 2; к2 = 4) = 6,94, (7)

где а - уровень значимости; к\ = т, т - число степеней свободы; к2 = п - т -1, п - число опытов. Фактическое значение ^'-критерия Фишера:

р*~. = "Г-Г--Рфат = 341,7; > РтабД. (8)

» т

1=1

Таким образом, полученное уравнение статистически значимо, связь между переменными и и неслучайна.

Результаты экспериментов 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. Таким образом, разработанные методы и методика лазерно-ультразвукового контроля позволяют повысить качество изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД.

Основные результаты диссертации

1. Проанализированы методы контроля качества изготовления паяных соединений и корректно обоснована возможность применения средств лазерно-ультразвуковой дефектоскопии для контроля качества изготовления паяных соединений тонкостенных элементов изделий РКТ с учетом особенностей их конструкции и физических особенностей.

2. Разработан комплекс моделей, позволяющий анализировать взаимодействия различных типов волн, корректно интерпретировать регистрируемые ОА-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 ОА-преобразователя для контроля паяных соединений сопел камер ЖРД.

4. Разработана и в заводских условиях опробована методика, позволяющая с высокой степенью достоверности контролировать качество изготовления паяных соединений тонкостенных элементов изделий РКТ.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в периодических изданиях ВАК

1. Кинжагулов И.Ю. Модель термооптического возбуждения ультразвуковых волн в паяных тонкостенных изделиях // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 7. С. 39^4.

2. Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю. Лазерно-ультразвуковой контроль тонкостенных паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 7. С. 50-54.

3. Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю. Методика лазерно-ультразвукового контроля качества изготовления паяных соединений // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 5. С. 94-98. (Поступила в редакцию 18.10.2012 г.)

Публикации в прочих изданиях

4. Прохорович В.Е., Шипит ВТ., Кинжагулов И.Ю., Калошин В.А., Лухвич A.A., Рудницкий В.А. Перспективные приборы контроля толщины покрытий элементов жидкостных ракетных двигателей // В мире неразрушающего контроля. 2012. № 2(56). С. 32-34.

5. Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю., Никитина М.С. Исследование метода лазерно-ультразвуковой диагностики остаточных напряжений в специальных материалах изделий ракетно-космической техники // Сб. матер. I Междунар. науч.-практ. конф. «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития». Йошкар-Ола: Коллоквиум, 2013. С. 61-63.

6. Беркутов И.В., Быченок В.А., Кинжагулов И.Ю., Никитина М.С., Разводовский И.С. Использование метода лазерно-ультразвуковой диагностики для определения напряженно-деформированного состояния изделий и дефектов в сварных швах // Матер. XV Междунар. заоч. науч.-практ. конф. «Инновации в науке». Новосибирск: СибАК, 2012. С. 43-57.

Патенты и авторские свидетельства

7. Заявка на изобретение № 2013104294. Способ лазерно-ультра-звукового контроля качества паяных соединений / В.Е. Прохорович, И.Ю. Кинжагулов, В.А. Быченок, A.B. Федоров и др. 04.02.2013.

Синеок цитируемой литературы

1. Поливанов U.M. Лазерная оптико-акустическая диагностика гетерогенных сред: Дне.... канд. физ.-мат. наук: 01.04.21. М.: МГУ, 2000.

2. Гусев В.Э., Карабутов A.A. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991.

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

4. Бахвалов U.C., Жшеикии Я.М., Заболоцкая Е.А. Нелинейная теория звуковых пучков. М.: Наука, 1982.

5. Физическая акустика / Под ред. У. КЪзопа. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследовании. М.: Мир, 1966.

Пантсано в печать: 26.04.13 Формат: 60vS4 1/16 Печать цифровая Кумага офсетная. Гарнитура Time«. Тираж: КНЬет. Чакат: 403 Отпечатано: Учреждение «Ушшерсптегскне телекоммуникации» 147101, Санкт-Петербург. Сзблипскак y.i, д.14 +7(812)9151454. /akazffMWr.ru. vvwvv.tibir.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

(НИУ ИТМО)

Кинжагулов Игорь Юрьевич

ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД И СРЕДСТВО ДЕФЕКТОСКОПИИ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность 05.11.01 - Приборы и методы измерения

(механические величины)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Марусина Мария Яковлевна

Санкт-Петербург -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.................................................................................................. 5

1. Анализ существующих методов контроля качества изготовления паяных соединений............................................................... 12

1.1. Особенности конструкции при изготовлении паяных соединений камер жидкостных ракетных двигателей................ 12

1.2. Анализ различных дефектов, возникающих в тонкостенных паяных соединениях камер жидкостных ракетных двигателей.. 18

1.3. Обоснование пути решения задачи контроля качества изготовления паяных соединений на основе результатов сравнения различных методов контроля.................................... 24

Выводы по 1 разделу................................................................................. 33

2. Разработка комплексной модели термооптического возбуждения и распространения ультразвуковых волн в геометрически сложных конструкциях паяных соединений жидкостных ракетных двигателей 34

2.1. Анализ распространения ультразвуковых волн в оребренных конструкциях............................................................... 34

2.2. Модель ближней зоны возбуждения и оптоакустической трансформации лазерного импульса.................................. 36

2.2.1. Термооптическое возбуждение ультразвука и его передаточная функция............................................ 36

2.2.2. Анализ изменения профилей оптоакустических сигналов при распространении................................. 43

2.3. Модель распространения ультразвуковых импульсов в дальней зоне............................................................... 48

Выводы по 2 разделу.................................................................................. 63

3. Разработка методического аппарата и средства контроля качества изготовления паяных соединений на основе лазерно-ультразвуковой дефектоскопии..................................................................... 64

3.1. Анализ прочностных характеристик паяных соединений......... 64

3.2. Результаты экспериментальных исследований прочности паяных соединений сопла верхнего ЖРД 14Д23.................... 68

3.3. Разработка оптоакустического преобразователя.................... 74

3.3.1. Иммерсионный метод термооптического возбуждения ультразвуковых колебаний.................................... 74

3.3.2. Принципиальная схема оптоакустического преобразователя................................................... 77

3.3.3. Анализ диаграммы направленности термооптических источников ультразвуковых волн............................. 80

3.3.4. Анализ влияния волновых явлений на изменение акустического тракта............................................. 87

3.4. Разработка способов интерпретации акустических сигналов и анализ оптоакустических изображений для различных зон контроля камер жидкостных ракетных двигателей.................. 94

3.4.1. Характеристика оптикоакустических изображений в зоне подколлекторного кольца сопла верхнего............ 94

3.4.2. Сущность способа глубинных маркеров..................... 98

3.4.3. Критерии оценки дефектности паяных соединений сопел камер жидкостных ракетных двигателей............. 100

Выводы по 3 разделу................................................................................. 107

4. Разработка и практическая апробация методики контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 и РД0124А.............................................................................. 108

4.1. Методика контроля качества изготовления паяных соединений сопел камер ЖРД 14Д23 и РД0124А..................................... 108

4.2. Подтверждение достоверности результатов контроля с применением способа глубинных маркеров............................ 112

4.3. Способ определения частичного непропая сопел камер жидкостных ракетных двигателей....................................... 120

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

РД0124А..................................................................... 123

Выводы по 4 разделу................................................................................. 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................. 127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................. 130

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 период�