Комбинированные акустические методы контроля трещин и расслоений в изделиях из органопластиков

Многие современные приборы этого типа включают в свой основной комплект ноутбук, в качестве обрабатывающего и индицирующего блока, имеющего практически неограниченный ресурс для архивирования данных контроля. Специфические требования к дефектоскопу, по крайней мере, на этапе отработки технологии контроля: возможность генерации широкополосных импульсов, возможность генерации колоколообразных и прямоугольных импульсов, возможность генерации импульсов в диапазоне частот, как минимум, в диапазоне от 400 кГц до 5 МГц. Все остальные функциональные требования к контролю изделий из органопластиков, включая изделие «защитный шлем», в этих приборах наверняка присутствуют, или могут быть добавлены, как опция, при заказе. Буквально ежемесячно появляются новые программы для обработки сигналов УЗ-контроля, и их качество, по крайней мере, в коммерческих продуктах, становится заметно выше.

Механические устройства для сканирования изделий различных профилей также разработаны в большом количестве, и эта задача считается принципиально решенной, как и задача создания надежных контактов «преобразователь — изделие» всевозможных типов.

В итоге, можно констатировать, что в настоящее время потенциальные возможности аппаратуры опережают теоретические и экспериментальные разработки в области акустического контроля композиционных материалов.

4.

1.2 Аппаратурное снижение структурных помех

Основная особенность акустического контроля этого типа изделий определяется структурой органопластиков. Они, с одной стороны, имеют высокий модуль упругости и, соответственно высокую скорость распространения механических колебаний, а с другой, их структура послойно настолько анизотропна, что приводит к быстрому затуханию колебаний высокой частоты (на этом, несмотря на их малую плотность, основано их применение в качестве шумо — и виброизоляторов).

Т.к. изделия из органопластиков, подобные тем, что выбраны в качестве примера для данной работы, изотропны по объему в целом и анизотропны послойно, акустические свойства их специфичны и трудно поддаются теоретической оценке. В этих изделиях велика именно упругая анизотропия, т.к. упругие свойства связующего, волокна и даже переходных слоев между ними существенно различны.

Исходя из сказанного, понятно, что реальная чувствительность метода определяется уровнем структурных помех и возможностью их исключения.

Высокий уровень структурных помех, учет его и подавление в значительной степени уменьшает значение помех, вызванных изменением характеристик контакта преобразователя с контролируемым изделием.

Классический успешный акустический контроль предполагает превышение полезного сигнала, например, соответствующего отражению от дефекта, не меньше чем вдвое по сравнению с уровнем сигналов от неоднородностей структуры. В настоящее время развитие теоретических положений акустического контроля, накопленный экспериментальный материал, а также развитие вычислительной техники и соответствующего программного обеспечения, позволяют ослабить этот критерий:

а) Применением фокусирующих преобразователей с возможно большей излучающей поверхностью, что увеличивает отношение «сигнал/помеха» .

б) Применением методов контроля, использующих продольные волны, что дает уменьшение уровня помех от вторичного рассеяния (с оговорками, это справедливо и для методов, использующих волны Лэмба).

в) Частота колебаний не должна превышать значения, в общем случае экспериментально определяемого, при котором уровень структурных помех начинает превышать полезный сигнал.

г) Широкий диапазон частоты излучения преобразователя в сочетании с регулируемыми аппаратурными методами амплитудной отсечки значительно повышают возможности оператора по определению минимальных по размерам дефектов.

д) Использование статистических методов обработки сигналов, на основе исключения корреляции помех направленным изменением излучающего поля, например, длительности зондирующих импульсов (при сохранении их амплитуды. Т.к. интенсивность помех пропорциональна, а полезный сигнал не растет после достижения величины (больше четырех периодов колебания, возникает возможность отсечки структурных помех направленным изменением (во время выполнения контроля. Т. е. при вариациях (в пределах 4…10 периодов колебаний сигналы, соответствующие дефектам остаются практически неизменными, а сигналы от структурных помех изменяются очень заметно.

е) Современные дефектоскопы, в состав которых входит персональный компьютер, имеющий соответствующий специализированный софт, могут, для исключения влияния структурных помех, использовать т.н. «сплит-спектральный» метод" и «вэйвлет» метод (от английского «wave-let», т. е. небольшой участок волны).

" Сплит-спектральный" метод заключается в следующей процедуре обработки сигналов на выходе дефектоскопа: амплитудные сигналы подвергают фурье-преобразованию, и полученные частотные спектры разбивают на характерные полосы и выполняют для каждой из них обратное фурье-преобразование. Полученные ранее частотные полосы взвешивают по их суммарным амплитудам, с подбором весов, соответствующих максимальному соотношению «сигнал/шум». В итоге, после повторения этой процедуры несколько раз, получают близкое к теоретическому максимуму отношение полезного сигнала к структурным помехам.

" Вэйвлет" - метод заключается в выделении характерных отрезков зондирующего импульса и импульсов на выходе, с последующим анализом их эволюции во времени. Анализ набора полученных при выполнении контроля «вэйвлетов» позволяет, при применении экспериментально полученных зависимостей, привязать конкретный «вэйвлет» к наличию в изделии конкретного дефекта.

ж) «Двухмодовый» метод, заключающийся в последовательном контроле одного и того же участка изделия продольными и поперечными волнами, причем двукратно на разных частотах (не всегда реализуемый на практике). Это позволяет, при совместном рассмотрении результатов контроля (процедура «наложения результатов» в настоящее время выполняется аппаратурно, на уровне программного обеспечения), почти полностью отстроиться от структурных помех. 4, C. 230 -255]

4.

1.3 Конкретное аппаратурное оснащение контроля изделия «защитный шлем»

4.

1.3. 1 Оснащение на этапе отработки технологии

На этом этапе можно обойтись без механизмов сканирования поверхности изделия и устройств обеспечения соосности датчиков.

Необходимая аппаратура, в соответствии с п.п. 4.

1.1 и 4.

1.2:

1) Универсальный ультразвуковой эходефектоскоп, специфичные требования к которому накладывает, прежде всего, выбранный в качестве первой ступени контроля реверберационо-сквозной метод:

— широкополосный приемный блок (датчик-преобразователь, предусилитель, АЦП и т. д.), минимум от 0,4 до 2,5 МГц;

— расширенный диапазон задержки развертки («лупы времени»), до 3000 мкс;

— встроенный блок обработки сигналов типа сигнала акустической эмиссии (например, возможность обработки не детектированного радиосигнала) или выход на ПК с соответствующим программным обеспечением;

— зондирующие импульсы колоколообразной и прямоугольной формы;

— динамический диапазон ВРЧ, до, как минимум, 80 дБ.

2) Набор прямых пъезоэлектрических датчиков на диапазон частот от 0,4…0,6 МГц до 2,5…5 МГц (таков должен быть и диапазон рабочих частот дефектоскопа).

3) Ванна для организации иммерсионного контроля и/или контактный материал последнего поколения типа Aqualene (производства корпорации Olimpas).

В настоящее время имеется немало доступных дефектоскопов с подходящими характеристиками, как со встроенной компьютерной обработкой сигналов (серии DIO-562, USN-60, USLN 2000, TUD 320, УЗД-204 «Пеленг» и т. д.), так и более простые приборы типа широко распространенного УД 2−12, имеющие связь с ПК, на которое установлено соответствующее программное обеспечение, например, разработки МЭИ (DCM, DWT, DHT, DSA и.т.п.). [10, 11]

4.

1.3. 1 Оснащение на этапе производственного контроля

Для выполнения выходного (приемного) контроля изделий, после отработки технологии, дополнительно потребуются: система сканирования поверхности изделия, как минимум в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, с соблюдением соосности датчиков. Желательно, чтобы имеющееся программное обеспечение позволяло отслеживать и документировать параметры сканирования и соответствующие им сигналы.

Система сканирования должна позволять выполнять контроль эхо-сквозным и ревербационно-сквозным методами. Система создания контакта «преобразователь — изделие» должна позволять использовать иммерсионный и щелевой способы контакта.

Должен быть готов и задокументирован набор образцов выбранного изделия с искусственными дефектами и дефектами, подтвержденными при исследовании этих образцов методами компьютерной томографии и радиометрии.

4.2 Технология акустического контроля

4.

2.1 Создание изделий с искусственными дефектами

Контроль таких сложных изделий, как изделия из органопластиков, не может считаться объективным, если он не выявляет при настройке дефекты, максимально подобные реально присутствующим в изделии. Поэтому, если работоспособность дефектоскопа проверяется его испытанием на стандартных гостированных образцах, то работоспособность самого метода неразрушающего контроля зависит от наличия изделий с адекватными искусственными образцами. Для органопластиков, стандартные методы изготовления изделий с образцовыми дефектами типа донных или боковых пазов не являются убедительными. Важна как идентичность образцового изделия проверяемому, так и идентичность имеющимся в нем дефектов тем, что могут встречаться в серийном изделии. Реальная чувствительность метода к обнаружению дефектов в изделии полностью зависит от существования таких образцов.

Существуют различные способы создания таких искусственных дефектов. Все они выполняются при формовании изделия по стандартной для данного изделия технологии. Так, при контактном ручном формовании изделия типа «защитный шлем», используются следующие способы (их перечень может быть ограничен только изобретательностью разработчика):

а) Заложение в матрицу при формовании изделия плоской капсулы, изготовленной из фторопластовой или полиэтиленовой пленки, заполненной несколькими слоями бумаги или другого аналогичного материала.

б) Нанесение на участок армирующей ткани веществ, вызывающих гарантированное отсутствие адгезии к применяемому связующему, например, замасливание ткани, нанесение слоя парафина или воска.

в) Введение в отформованный ранее глубокий слой воздушных пузырей, например, с помощью шприца.

г) Нанесение на участок изделия специально приготовленной порции связующего, содержащего компоненты, вызывающие выделение газа при последующей полимеризации при повышенной температуре.

Особую роль при использовании изделий с «модельными» дефектами играет следующая технология, реально выполнимая только при производстве достаточно крупных партий изделия:

— отбор изделий, идентифицируемых на стадии, например, акустического контроля, как имеющих характерные, либо недопустимые, либо минимальные по размеру и надежно фиксируемые дефекты;

— систематизация этих изделий по косвенным, выявленным при контроле признакам (например, примерно одинаковый выходной сигнал при эхо-сквозном методе, полученный при сканировании во взаимно перпендикулярных направлениях);

— организация детального контроля этих изделий методами компьютерной томографии и радиометрии;

— последующее послойное исследование части этих изделий (например, лазерным разделением на тонкие слои с визуальным анализом каждого слоя);

— установление надежного соответствия вида и размера дефектов и соответствующих им информационных параметров применяемого метода контроля.

В результате, оператор дефектоскопии будет иметь «под рукой», для сравнения, изделия с «естественными» дефектами, с очень большой вероятностью такими и являющимися. Это дает реальную уверенность в корректности выполнения отбраковки изделий, часто имеющих высокую себестоимость и высокую стоимость утилизации.

4.

2.2 Технология непосредственного выполнения контроля

Технологический процесс контроля должен быть зафиксирован в соответствующих производственных документах (инструкциях, регламентах, технологических картах и т. п.).

Основные операции контроля включают в себя:

1) проверку и настройку дефектоскопа;

2) подготовку поверхности изделия;

3) настройку системы сканирования;

4) непосредственное сканирование датчиками поверхности изделия и фиксирование сигналов на экране дефектоскопа;

5) отбраковка изделий по критериям, установленным на стадии отработки технологии.

6) очистка поверхности изделия.

По выбранной ранее методике контроля, на первом этапе отбраковка изделия выполняется реверберационно — сквозным методом, затем отобранные «подозрительные» изделия тщательно проверяются эхо — сквозным методом. Забракованные на втором этапе изделия вскрываются (разрушаются), и на основе результатов анализа вскрытых дефектов, совместно с документированными результатами ультразвукового контроля, корректируются инструктивные материалы.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛАМ

В данной работе проведен анализ современного состояния неразрушающего контроля стратегически важных для нашей страны изделий из органопластиков.

Основным результатом обсуждения в Разделе 1 структуры органопластиков и технологии изготовления изделий из них, стало ясное понимание объективной трудности организации их эффективной дефектоскопии, в отличие от большинства других композиционных материалов. Этот вывод справедлив и для достаточно простого изделия типа «защитный шлем», выбранного в качестве примера. На основе подробного рассмотрения технологии изготовления изделий, показано, что основным и, одновременно, наиболее опасным видом дефектов в органопластиках являются плоские (коллинеарные поверхности изделия) дефекты типа несплошности или трещины.

Рассмотрение основных существующих методов неразрушающего контроля изделий из органопластиков в Разделе 2 привело к признанию наиболее целесообразным и эффективным, по крайней мере, для серийного производства, методе контроля таких изделий: сочетании комбинированных методов акустического контроля. При этом был определен реперный размер определяемого дефекта: эффективный диаметр порядка 5 мм.

Подробное рассмотрение различных комбинированных методов акустического контроля в Разделе 3 позволило выбрать вариант их наиболее оптимального сочетания, для наиболее эффективной дефектоскопии рассматриваемых изделий:

— отбор изделий с потенциальными дефектами реверберационно-сквозным методом;

— последующее определение координат и размеров дефектов эхо-сквозным методом.

В разделе 4 выводы предыдущих разделов применены к контролю изделия «защитный шлем» на стадии отработки технологии контроля и при производственных операциях контроля. Предложен принцип выбора и состав аппаратуры контроля, а также её минимально необходимые характеристики. Приведены примеры доступной аппаратуры с такими параметрами. Показана роль структурных помех, как наибольшей проблемы акустического контроля органопластиков и пути её аппаратурного разрешения. Кратко описаны основные технологические операции выполнения контроля изделий, причем упор сделан на подготовку изделий с характерными искусственными дефектами, как наиболее важную технологическую задачу при неразрушающем контроле изделий выбранного класса.

1. Аникеева Л. М., Маркин В. Б., Головина Е. А., Кметь В. А. Влияние модификаций поверхности армирующих волокон на прочностные характеристики органопластиков // Тезисы докладов 50 Юбилейной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Алтайского политехнического института. Барнаул, 1992, — С. 12.

2. Вавилов В. П. Тепловые методы неразрушающего контроля. — М., Машиностроение 1991, — 240 с.

3. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. — Самара: Научные основы и технологии, 2009. — 824 с.

4. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3.

Ультразвуковой контроль / И. Н. Ермолов, Ю. В. Ланге.

— М.: Машиностроение, 2004 г. — 864 с.

5. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.

2. Акустические методы контроля: Практич. пособие/И.Н.Ермолов и др. — М.: Высш. шк., 1991 г. — 283 с.

6. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2-х книгах. Кн.1/Под ред В. В. Клюева. — 2-е изд., перераб. и лоп. — М.: Машиностроение, 1986. — 488 с.

7. Справочник по композиционным материалам: в 2-х кн. Кн.1/ Под ред. Дж. Любина; Перев. с англ. под ред. А. Б. Геллера. — М.: Машиностроение, 1988 г. — 448 с.

Интернет — ресурсы:

8. Сайт компании ООО НПП «Спецтехника» (

http://armo99.ru/products/?id=51((08.

12.09).

9. Сайт компании ОАО «Каменскволокно» (

http://www.aramid.ru/articles.php?lng=ru&pg=94((08.

12.09).

10. Сервер ресурсов по ультразвуковому неразрушающему контролю (англ.)

(www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/cc_ut_index.htm ((08.

12.09).

11. Энциклопедия ультразвукового неразрушающего контроля (англ.)

(www.ndt.net/article/az/ut_idx.htm ((08.

12.09).

Рисунок 1.

1 — форма; 2 — опора; 3 — разделительный слой (парафин, воск или полимерная пленка); 4 — гелькоут; 5 — слои арамидной ткани, пропитываемой связующим; 6 — вновь нанесенное связующее; 7 — валик, для прикатывания слоев и удаления воздушных включений.

Рисунок 2.

1 — форма; 2 — опора; 3 — разделительный слой (парафин, воск или полимерная пленка); 4 — гелькоут; 5 — слои арамидной ткани, пропитываемой связующим; 6 — измельчитель волокна (ровинга); 7 — распылительные форсунки; 8 — валик, для прикатывания слоев и удаления воздушных включений; 9 — ровинг.

Г

П

а)

ИП

ИП

б)

П

Г

ИП

в)

Пр

Г

з

деф

дно

Рисунок 3.

Схемы вариантов реализации зеркально — теневого метода.

Г — генератор колебаний; Пр — приемник; И — излучающий, П — приемный преобразователи; «з» — зондирующий импульс; «деф» — отражение от дефекта; «дно» — отражение от дна.

Расположение импульсов показано условно.

дно

з

деф

дно1

дно2

II

III

I

ИП

ИП

IV

Рисунок 4.

Схема организации эхо — сквозного метода контроля.

Рисунок 5.

Схема организации контроля ревербационно-сквозным методом.