Лазерно-ультразвуковой метод и средство дефектоскопии паяных соединений Кинжагулов, Игорь Юрьевич

Введение к работе

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, А.Л. 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 А.А. 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 Ехсеї. Вычисления выполнены с помощью пакета прикладных программ MATLAB.

Положения, выносимые на защиту

4. 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:

   4. 4. 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 мм 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.
         

         Похожие диссертации на Лазерно-ультразвуковой метод и средство дефектоскопии паяных соединений

         

         Разработка и исследование методов и средств измерения на основе позиционно-чувствительных фотоприёмниковАбакшина Ольга Александровна

         Разработка и исследовнаие метода и средств измерения объемной концентрации газовой фазы в двухфазных газожидкостныхпотокахАлексеев, Александр Алексеевич

         

         Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворахБориков, Валерий Николаевич

         Методы и средства оценки динамической остроты зренияРотц Юлия Андреевна

         Лазерно-ультразвуковой метод и средство контроля остаточных напряжений в изделиях из специальных материаловБыченок, Владимир Анатольевич

         

         Разработка координатного метода и средства измерения угла и параметров отклолнений формы конических поверхностей деталей машин Бабаев Сергей Сергеевич

         

         Исследование и разработка методов и средств калибровки высоковольтных измерительных трансформаторов напряженияНефедьев Дмитрий Иванович

         Методы и средства функциональной диагностики и контроля тех. процессов на основе электромагнитных датчиков.Смирнов В.И.

         

         Методы и средства построения комплекса аппаратуры для измерения и регулирования в системах водоснабженияЛеонов Геннадий Вадимович

         

         Разработка и исследование методов и средств диагностики электрических машин на основе измерения их полей рассеяния Жарков Владислав Владимирович