噴注器是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)功能。然而，由于噴注器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)空間狹小，檢測(cè)精度要求高，現(xiàn)有無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊縫熔深的有效評(píng)價(jià)。為此，對(duì)其結(jié)構(gòu)開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究，探尋有效的焊縫熔深無(wú)損定量評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)噴注器焊縫熔深的高精度檢測(cè)非常重要。 

焊縫熔深檢測(cè)原理上可采用渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)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(cè)方法，且電子束焊縫間距狹窄，周?chē)椴疾煌睆降膰娮⒖?，也不利于采用斜入射超聲檢測(cè)技術(shù)。同時(shí)噴注盤(pán)為不銹鋼材料，直徑厚度較大，微焦點(diǎn)工業(yè)CT系統(tǒng)難以穿透噴注盤(pán)進(jìn)行有效成像檢測(cè)，X射線透射法原理上也無(wú)法反映出焊縫熔深深度信息。渦流檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)方法，且檢測(cè)探頭尺寸小，構(gòu)型多樣靈活，可實(shí)現(xiàn)狹小空間環(huán)境下的無(wú)損檢測(cè)，有望用于焊縫熔深評(píng)價(jià)。 

針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量方法的問(wèn)題，文章通過(guò)開(kāi)展噴注器不同熔深焊縫渦流檢測(cè)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)，明確噴注器電子束焊縫熔深與渦流檢測(cè)信號(hào)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，驗(yàn)證渦流檢測(cè)方法對(duì)噴注器焊縫熔深定量評(píng)價(jià)的可行性。 

1.   數(shù)值仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器由一個(gè)噴注盤(pán)和多個(gè)大小不同的噴注環(huán)焊接而成。每個(gè)噴嘴環(huán)由內(nèi)外側(cè)兩條電子束焊縫與噴注盤(pán)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(dòng)機(jī)噴注器實(shí)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(duì)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(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文章基于退化向量位方法的棱邊有限元渦流檢測(cè)信號(hào)計(jì)算程序[1]，開(kāi)展焊縫熔深渦流檢測(cè)數(shù)值仿真。該方法通過(guò)在空氣區(qū)域采用退化向量位，將空氣區(qū)域激勵(lì)電流源的影響通過(guò)導(dǎo)體界面耦合進(jìn)導(dǎo)體區(qū)域?qū)崿F(xiàn)渦流場(chǎng)和信號(hào)計(jì)算。由于其無(wú)需對(duì)線圈進(jìn)行單元剖分，對(duì)渦流檢測(cè)信號(hào)的計(jì)算非常有效，故筆者采用該方法對(duì)不同熔深和檢測(cè)頻率下Pancake和TR探頭的渦流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，分析渦流檢測(cè)方法對(duì)熔深評(píng)價(jià)的有效性[2-4]。 

圖  1  發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器實(shí)物及其直線型，圓弧型焊縫結(jié)構(gòu)示意

1.1   計(jì)算模型

根據(jù)噴注器的幾何結(jié)構(gòu)及焊縫特點(diǎn)，首先建立了如圖1所示的渦流檢測(cè)方板計(jì)算模型和弧形計(jì)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(lái)模擬不同熔深的影響，即不同的熔深缺陷對(duì)應(yīng)不同的熔深。同時(shí)設(shè)置了上表面槽缺陷用來(lái)考慮結(jié)構(gòu)形狀和焊縫表面對(duì)信號(hào)的影響。計(jì)算中，對(duì)模型和周?chē)諝鈪^(qū)域采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元個(gè)數(shù)設(shè)置為35 112，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)置為38 610。為保障計(jì)算精度，在缺陷附近采用了較密的單元?jiǎng)澐?。這兩種簡(jiǎn)化噴注器渦流檢測(cè)計(jì)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(cè)數(shù)值分析

1.2.1   Pancake探頭檢測(cè)數(shù)值計(jì)算模型

為明確渦流檢測(cè)方法對(duì)熔深不足缺陷的檢測(cè)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(jìn)行檢測(cè)信號(hào)模擬計(jì)算，線圈的具體參數(shù)如表2所示。在21個(gè)沿焊縫的掃查位置（-10~10 mm，以1 mm為間距）設(shè)置探頭，計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)有無(wú)熔深缺陷時(shí)線圈的阻抗信號(hào)的實(shí)部和虛部，取其差值作為熔深不足導(dǎo)致的信號(hào)變化。為明確不同激勵(lì)頻率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，根據(jù)板厚和電導(dǎo)率特點(diǎn)，對(duì)4種激勵(lì)頻率（10，50，100，200 kHz）下的檢測(cè)信號(hào)分別進(jìn)行仿真計(jì)算。 

圖  2  針對(duì)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(lì)頻率下的檢測(cè)信號(hào) 

不同激勵(lì)頻率下Pancake探頭對(duì)深度0.8 mm外表面槽的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可見(jiàn)，激勵(lì)頻率增加時(shí)，熔深缺陷導(dǎo)致的檢測(cè)信號(hào)明顯變大。同時(shí)，不同頻率信號(hào)的相位角也有明顯不同，說(shuō)明采用適當(dāng)頻率對(duì)熔深缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)非常重要。 

圖  3  不同激勵(lì)頻率下Pancake探頭對(duì)深度為0.8 mm槽的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算結(jié)果

（2）信號(hào)幅值、相位與焊縫熔深的關(guān)系 

不同頻率下Pancake探頭計(jì)算信號(hào)的幅值相位和熔深關(guān)系的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4（a）可見(jiàn)熔深變小時(shí)檢測(cè)信號(hào)的幅值顯著增大。由圖4（b）可見(jiàn)激勵(lì)頻率為10，50 kHz時(shí)相位隨缺陷深度均單調(diào)增加，但100，200 kHz時(shí)信號(hào)相位隨熔深并非單調(diào)變化，所以選擇合適的頻率對(duì)熔深缺陷的定量評(píng)價(jià)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(cè)評(píng)價(jià)。通過(guò)預(yù)先計(jì)算或試驗(yàn)獲取不同深度熔深焊縫的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值、相位建立定標(biāo)關(guān)系曲線，實(shí)際應(yīng)用中即可利用標(biāo)定曲線法，分析檢測(cè)信號(hào)的相位和幅值對(duì)熔深缺陷深度進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。 

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

1.3   TR線圈探頭檢測(cè)特性數(shù)值分析

1.3.1   TR線圈探頭數(shù)值計(jì)算模型

為比較不同渦流檢測(cè)探頭對(duì)熔深缺陷檢測(cè)的有效性，對(duì)圖5所示不同外徑、不同間距TR線圈渦流檢測(cè)探頭的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行了模擬計(jì)算，探頭的具體參數(shù)如表3所示。計(jì)算中同樣在不同掃查位置點(diǎn)（-10~10 mm，以1 mm為間距）設(shè)置探頭，計(jì)算相應(yīng)有無(wú)熔深缺陷時(shí)線圈阻抗信號(hào)的實(shí)部和虛部，求其差值獲取熔深不足導(dǎo)致的信號(hào)變化。同時(shí)以上表面缺陷的信號(hào)作為噪聲計(jì)算信噪比，用來(lái)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(cè)數(shù)值結(jié)果分析

（1）不同線圈間距、外徑探頭的檢測(cè)信號(hào)計(jì)算結(jié)果 

計(jì)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(lì)頻率采用50 kHz。為研究探頭參數(shù)的影響，分別計(jì)算了不同參數(shù)探頭檢測(cè)有無(wú)熔深缺陷平板的阻抗信號(hào)，通過(guò)差分獲取熔深不足導(dǎo)致的信號(hào)變化。計(jì)算所得不同線圈間距探頭渦流檢測(cè)信號(hào)的實(shí)部和虛部的結(jié)果如圖6所示，各曲線為沿焊縫21個(gè)掃查點(diǎn)位置的熔深缺陷信號(hào)。 

圖  6  線圈外徑為3.2 mm時(shí)不同線圈間距探頭的掃描檢測(cè)計(jì)算結(jié)果

（2）檢測(cè)信號(hào)信噪比與探頭參數(shù)的相關(guān)性 

以外表面槽缺陷的信號(hào)幅值作為熔深不足信號(hào)S，內(nèi)表面槽缺陷的信號(hào)幅值作為噪聲信號(hào)N，計(jì)算獲得了不同參數(shù)TR探頭熔深檢測(cè)信號(hào)的信噪比。不同線圈外徑和間距TR探頭的檢測(cè)信號(hào)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(shí)，線圈外徑為3.2 mm時(shí)信噪比明顯較大。因此為降低上表面焊縫凹凸等對(duì)信號(hào)的影響，采用適當(dāng)線圈探頭參數(shù)對(duì)熔深缺陷的檢測(cè)和定量非常重要。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，線圈探頭外徑為3.2 mm，間距為0 mm時(shí)效果相對(duì)最佳。 

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

2.   試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

2.1   Pancake探頭渦流檢測(cè)可行性試驗(yàn)驗(yàn)證

基于計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)制作了Pancake渦流檢測(cè)探頭，利用圖8所示渦流檢測(cè)儀器對(duì)平板焊縫模擬試件（見(jiàn)圖9）開(kāi)展了檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用50 kHz的激勵(lì)頻率沿平行焊縫方向進(jìn)行掃查，其檢測(cè)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(hào)變化，而無(wú)缺陷處信號(hào)基本不變。結(jié)果說(shuō)明，基于渦流檢測(cè)信號(hào)的幅值評(píng)價(jià)噴注器電子束焊縫熔深變化具有可行性。 

圖  8  渦流檢測(cè)儀器實(shí)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(hào)

2.2   Pancake探頭不同熔深檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證渦流檢測(cè)信號(hào)和實(shí)際熔深信號(hào)的相關(guān)性，利用Pancake探頭對(duì)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(kāi)展了渦流檢測(cè)試驗(yàn)。不同數(shù)字處的電子束焊縫具有不同熔深，破壞測(cè)量所得實(shí)際熔深如表5所示。所采用的Pancake檢測(cè)探頭參數(shù)與表2所示計(jì)算參數(shù)相同。對(duì)不同熔深焊縫由外向圓心處逐個(gè)焊縫進(jìn)行了0提離檢測(cè)，即按照提離移動(dòng)、接觸檢測(cè)、提離移動(dòng)到下一焊縫、接觸檢測(cè)的流程對(duì)所有焊縫開(kāi)展重復(fù)檢測(cè)。得到的不同焊縫的檢測(cè)信號(hào)的實(shí)部和虛部信號(hào)如圖12所示，圖中數(shù)字對(duì)應(yīng)相應(yīng)焊縫處的檢測(cè)信號(hào)。圖12（b）為焊縫處檢測(cè)信號(hào)的李薩如圖，可見(jiàn)不同熔深焊縫對(duì)應(yīng)檢測(cè)信號(hào)的相位明顯不同。隨熔深變小，檢測(cè)信號(hào)點(diǎn)在相空間順時(shí)針旋轉(zhuǎn)排布。這一結(jié)果說(shuō)明，不同相位對(duì)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(cè)信號(hào)相位對(duì)熔深進(jìn)行定量評(píng)價(jià)（基于標(biāo)定曲線方法）。 

圖  11  噴注器電子束焊縫模擬試件實(shí)物、剖面圖和Pancake探頭實(shí)物

圖  12  不同熔深焊縫的檢測(cè)信號(hào)

根據(jù)試驗(yàn)所得的不同熔深焊縫對(duì)應(yīng)檢測(cè)信號(hào)的相位特征，對(duì)6組相位信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，除去平衡數(shù)據(jù)1，將其中4組信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（熔深0.2，0.4，0.8，2.2 mm），基于標(biāo)定曲線方法對(duì)熔深進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，得到不同熔深焊縫對(duì)應(yīng)的相位標(biāo)定曲線如圖13所示，可見(jiàn)標(biāo)定曲線與試驗(yàn)所得相位特征基本吻合，根據(jù)實(shí)際熔深與標(biāo)定曲線對(duì)應(yīng)熔深值的對(duì)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(shí)的差分信號(hào)幅值在標(biāo)定曲線上的精度為2.594%。后續(xù)可進(jìn)一步補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使標(biāo)定曲線更加貼合實(shí)際熔深對(duì)應(yīng)的相位特征。 

圖  13  不同熔深焊縫對(duì)應(yīng)的相位標(biāo)定曲線

3.   結(jié)論

文章針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴注器電子束焊縫熔深的渦流檢測(cè)定量評(píng)價(jià)方法開(kāi)展了數(shù)值仿真和試驗(yàn)。數(shù)值仿真分析結(jié)果表明，Pancake和TR構(gòu)型渦流檢測(cè)探頭信號(hào)的幅值和相位均與熔深有密切關(guān)系，可以基于檢測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)熔深評(píng)價(jià)。同時(shí)，TR探頭的線圈間距越小，焊縫對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響越小。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了渦流檢測(cè)信號(hào)對(duì)熔深缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的可行性，可通過(guò)試驗(yàn)建立不同熔深與渦流檢測(cè)信號(hào)幅值、相位的標(biāo)定曲線，利用標(biāo)定曲線法實(shí)現(xiàn)熔深評(píng)價(jià)。另外，數(shù)值模擬和試驗(yàn)均表明，Pancake探頭構(gòu)型對(duì)焊縫熔深檢測(cè)具有更高的靈敏度。

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