噴注器是液體火箭發(fā)動機燃燒室的關(guān)鍵部件之一，其功能是將燃料和氧化劑按一定比例噴入燃燒室進行燃燒，實現(xiàn)航天發(fā)動機功能。然而，由于噴注器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測空間狹小，檢測精度要求高，現(xiàn)有無損檢測技術(shù)尚無法實現(xiàn)焊縫熔深的有效評價。為此，對其結(jié)構(gòu)開展無損檢測技術(shù)研究，探尋有效的焊縫熔深無損定量評價方法，實現(xiàn)噴注器焊縫熔深的高精度檢測非常重要。 

焊縫熔深檢測原理上可采用渦流檢測、射線檢測、超聲檢測等技術(shù)。由于噴注器電子束焊縫為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，焊縫熔深相當(dāng)于一條垂直于上表面的裂紋缺陷，不適于采用垂直入射超聲檢測方法，且電子束焊縫間距狹窄，周圍遍布不同直徑的噴注孔，也不利于采用斜入射超聲檢測技術(shù)。同時噴注盤為不銹鋼材料，直徑厚度較大，微焦點工業(yè)CT系統(tǒng)難以穿透噴注盤進行有效成像檢測，X射線透射法原理上也無法反映出焊縫熔深深度信息。渦流檢測技術(shù)在檢測金屬焊縫表面和近表面缺陷方面具有很高的靈敏度，是一種非接觸式無損檢測方法，且檢測探頭尺寸小，構(gòu)型多樣靈活，可實現(xiàn)狹小空間環(huán)境下的無損檢測，有望用于焊縫熔深評價。 

針對液體火箭發(fā)動機噴注器電子束焊接中出現(xiàn)的焊縫熔深控制難，缺乏有效測量方法的問題，文章通過開展噴注器不同熔深焊縫渦流檢測的數(shù)值模擬和試驗，明確噴注器電子束焊縫熔深與渦流檢測信號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驗證渦流檢測方法對噴注器焊縫熔深定量評價的可行性。 

1.   數(shù)值仿真

發(fā)動機噴注器由一個噴注盤和多個大小不同的噴注環(huán)焊接而成。每個噴嘴環(huán)由內(nèi)外側(cè)兩條電子束焊縫與噴注盤連接，相鄰焊縫的中心間距約為2 mm，且焊后表面有余高，發(fā)動機噴注器實物及其直線型，圓弧形焊縫結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，噴注器焊縫形式為對接焊縫，焊縫截面金相照片如圖1（b）所示。電子束焊接質(zhì)量決定著噴注器結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性，關(guān)系到液體火箭發(fā)動機的安全穩(wěn)定運行。文章基于退化向量位方法的棱邊有限元渦流檢測信號計算程序[1]，開展焊縫熔深渦流檢測數(shù)值仿真。該方法通過在空氣區(qū)域采用退化向量位，將空氣區(qū)域激勵電流源的影響通過導(dǎo)體界面耦合進導(dǎo)體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)渦流場和信號計算。由于其無需對線圈進行單元剖分，對渦流檢測信號的計算非常有效，故筆者采用該方法對不同熔深和檢測頻率下Pancake和TR探頭的渦流檢測信號進行計算，分析渦流檢測方法對熔深評價的有效性[2-4]。 

圖  1  發(fā)動機噴注器實物及其直線型，圓弧型焊縫結(jié)構(gòu)示意

1.1   計算模型

根據(jù)噴注器的幾何結(jié)構(gòu)及焊縫特點，首先建立了如圖1所示的渦流檢測方板計算模型和弧形計算模型。模型中以上表面凹槽模擬焊縫區(qū)域，用取不同深度沿焊縫的下表面裂紋即熔深缺陷來模擬不同熔深的影響，即不同的熔深缺陷對應(yīng)不同的熔深。同時設(shè)置了上表面槽缺陷用來考慮結(jié)構(gòu)形狀和焊縫表面對信號的影響。計算中，對模型和周圍空氣區(qū)域采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，單元個數(shù)設(shè)置為35 112，相應(yīng)節(jié)點數(shù)設(shè)置為38 610。為保障計算精度，在缺陷附近采用了較密的單元劃分。這兩種簡化噴注器渦流檢測計算模型的尺寸和材料物理參數(shù)如表1所示。 

1.2   Pancake探頭檢測數(shù)值分析

1.2.1   Pancake探頭檢測數(shù)值計算模型

為明確渦流檢測方法對熔深不足缺陷的檢測可行性，首先采用圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)Pancake線圈探頭掃查路徑進行檢測信號模擬計算，線圈的具體參數(shù)如表2所示。在21個沿焊縫的掃查位置（-10~10 mm，以1 mm為間距）設(shè)置探頭，計算相應(yīng)點有無熔深缺陷時線圈的阻抗信號的實部和虛部，取其差值作為熔深不足導(dǎo)致的信號變化。為明確不同激勵頻率對檢測信號的影響，根據(jù)板厚和電導(dǎo)率特點，對4種激勵頻率（10，50，100，200 kHz）下的檢測信號分別進行仿真計算。 

圖  2  針對板形模型的Pancake探頭掃查路徑示意

1.2.2   Pancake探頭數(shù)值結(jié)果分析

（1）不同激勵頻率下的檢測信號 

不同激勵頻率下Pancake探頭對深度0.8 mm外表面槽的檢測信號計算結(jié)果如圖3所示，可見，激勵頻率增加時，熔深缺陷導(dǎo)致的檢測信號明顯變大。同時，不同頻率信號的相位角也有明顯不同，說明采用適當(dāng)頻率對熔深缺陷進行定量評價非常重要。 

圖  3  不同激勵頻率下Pancake探頭對深度為0.8 mm槽的檢測信號計算結(jié)果

（2）信號幅值、相位與焊縫熔深的關(guān)系 

不同頻率下Pancake探頭計算信號的幅值相位和熔深關(guān)系的計算結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可見熔深變小時檢測信號的幅值顯著增大。由圖4（b）可見激勵頻率為10，50 kHz時相位隨缺陷深度均單調(diào)增加，但100，200 kHz時信號相位隨熔深并非單調(diào)變化，所以選擇合適的頻率對熔深缺陷的定量評價至關(guān)重要?；?/span>圖4所示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，50 kHz的相關(guān)曲線單調(diào)且變化較為明顯，適用于熔深缺陷的檢測評價。通過預(yù)先計算或試驗獲取不同深度熔深焊縫的渦流檢測信號幅值、相位建立定標(biāo)關(guān)系曲線，實際應(yīng)用中即可利用標(biāo)定曲線法，分析檢測信號的相位和幅值對熔深缺陷深度進行無損評價。 

圖  4  不同檢測頻率下Pancake探頭信號特征量和熔深缺陷深度的關(guān)系

1.3   TR線圈探頭檢測特性數(shù)值分析

1.3.1   TR線圈探頭數(shù)值計算模型

為比較不同渦流檢測探頭對熔深缺陷檢測的有效性，對圖5所示不同外徑、不同間距TR線圈渦流檢測探頭的檢測信號進行了模擬計算，探頭的具體參數(shù)如表3所示。計算中同樣在不同掃查位置點（-10~10 mm，以1 mm為間距）設(shè)置探頭，計算相應(yīng)有無熔深缺陷時線圈阻抗信號的實部和虛部，求其差值獲取熔深不足導(dǎo)致的信號變化。同時以上表面缺陷的信號作為噪聲計算信噪比，用來優(yōu)化探頭參數(shù)。 

圖  5  TR探頭掃查路徑示意

1.3.2   噴注器焊縫模型TR檢測數(shù)值結(jié)果分析

（1）不同線圈間距、外徑探頭的檢測信號計算結(jié)果 

計算中采用平板模型，用深1.1 mm的外表面槽缺陷模擬熔深，激勵頻率采用50 kHz。為研究探頭參數(shù)的影響，分別計算了不同參數(shù)探頭檢測有無熔深缺陷平板的阻抗信號，通過差分獲取熔深不足導(dǎo)致的信號變化。計算所得不同線圈間距探頭渦流檢測信號的實部和虛部的結(jié)果如圖6所示，各曲線為沿焊縫21個掃查點位置的熔深缺陷信號。 

圖  6  線圈外徑為3.2 mm時不同線圈間距探頭的掃描檢測計算結(jié)果

（2）檢測信號信噪比與探頭參數(shù)的相關(guān)性 

以外表面槽缺陷的信號幅值作為熔深不足信號S，內(nèi)表面槽缺陷的信號幅值作為噪聲信號N，計算獲得了不同參數(shù)TR探頭熔深檢測信號的信噪比。不同線圈外徑和間距TR探頭的檢測信號幅值和信噪比如表4所示，信噪比和線圈間距的相關(guān)性曲線如圖7所示。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線圈間距較小時，線圈外徑為3.2 mm時信噪比明顯較大。因此為降低上表面焊縫凹凸等對信號的影響，采用適當(dāng)線圈探頭參數(shù)對熔深缺陷的檢測和定量非常重要。根據(jù)表4計算結(jié)果，線圈探頭外徑為3.2 mm，間距為0 mm時效果相對最佳。 

圖  7  信噪比隨探頭間距和外徑變化的計算結(jié)果(TR探頭，50 kHz)

2.   試驗過程與結(jié)果分析

2.1   Pancake探頭渦流檢測可行性試驗驗證

基于計算結(jié)果，設(shè)計制作了Pancake渦流檢測探頭，利用圖8所示渦流檢測儀器對平板焊縫模擬試件（見圖9）開展了檢測試驗。試驗中采用50 kHz的激勵頻率沿平行焊縫方向進行掃查，其檢測結(jié)果如圖10所示。不同熔深缺陷處有不同大小的明顯信號變化，而無缺陷處信號基本不變。結(jié)果說明，基于渦流檢測信號的幅值評價噴注器電子束焊縫熔深變化具有可行性。 

圖  8  渦流檢測儀器實物

圖  9  噴注器平板試件及裂紋位置示意

圖  10  噴注器平板沿平行焊縫方向的掃查信號

2.2   Pancake探頭不同熔深檢測試驗結(jié)果

為驗證渦流檢測信號和實際熔深信號的相關(guān)性，利用Pancake探頭對圖11所示的具有不同熔深電子束焊縫的噴注器模擬試件開展了渦流檢測試驗。不同數(shù)字處的電子束焊縫具有不同熔深，破壞測量所得實際熔深如表5所示。所采用的Pancake檢測探頭參數(shù)與表2所示計算參數(shù)相同。對不同熔深焊縫由外向圓心處逐個焊縫進行了0提離檢測，即按照提離移動、接觸檢測、提離移動到下一焊縫、接觸檢測的流程對所有焊縫開展重復(fù)檢測。得到的不同焊縫的檢測信號的實部和虛部信號如圖12所示，圖中數(shù)字對應(yīng)相應(yīng)焊縫處的檢測信號。圖12（b）為焊縫處檢測信號的李薩如圖，可見不同熔深焊縫對應(yīng)檢測信號的相位明顯不同。隨熔深變小，檢測信號點在相空間順時針旋轉(zhuǎn)排布。這一結(jié)果說明，不同相位對應(yīng)不同焊縫熔深，可以基于事先確定的相位熔深標(biāo)定曲線，利用檢測信號相位對熔深進行定量評價（基于標(biāo)定曲線方法）。 

圖  11  噴注器電子束焊縫模擬試件實物、剖面圖和Pancake探頭實物

圖  12  不同熔深焊縫的檢測信號

根據(jù)試驗所得的不同熔深焊縫對應(yīng)檢測信號的相位特征，對6組相位信號進行數(shù)據(jù)分析，除去平衡數(shù)據(jù)1，將其中4組信號數(shù)據(jù)進行擬合（熔深0.2，0.4，0.8，2.2 mm），基于標(biāo)定曲線方法對熔深進行定量評價，得到不同熔深焊縫對應(yīng)的相位標(biāo)定曲線如圖13所示，可見標(biāo)定曲線與試驗所得相位特征基本吻合，根據(jù)實際熔深與標(biāo)定曲線對應(yīng)熔深值的對比，可知擬合曲線的擬合優(yōu)度${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}^{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">2</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">0.968</span>}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);"> </span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">87</span>}$，接近1，擬合效果良好。從標(biāo)定曲線可以看出，熔深厚度與相位呈單調(diào)遞增關(guān)系。熔深厚度為1.4 mm時的差分信號幅值在標(biāo)定曲線上的精度為2.594%。后續(xù)可進一步補充試驗數(shù)據(jù)，使標(biāo)定曲線更加貼合實際熔深對應(yīng)的相位特征。 

圖  13  不同熔深焊縫對應(yīng)的相位標(biāo)定曲線

3.   結(jié)論

文章針對液體火箭發(fā)動機噴注器電子束焊縫熔深的渦流檢測定量評價方法開展了數(shù)值仿真和試驗。數(shù)值仿真分析結(jié)果表明，Pancake和TR構(gòu)型渦流檢測探頭信號的幅值和相位均與熔深有密切關(guān)系，可以基于檢測信號實現(xiàn)熔深評價。同時，TR探頭的線圈間距越小，焊縫對檢測信號的影響越小。試驗結(jié)果驗證了渦流檢測信號對熔深缺陷進行定量評價的可行性，可通過試驗建立不同熔深與渦流檢測信號幅值、相位的標(biāo)定曲線，利用標(biāo)定曲線法實現(xiàn)熔深評價。另外，數(shù)值模擬和試驗均表明，Pancake探頭構(gòu)型對焊縫熔深檢測具有更高的靈敏度。

文章來源——材料與測試網(wǎng)