Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материал - Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист
Вернуться   Неразрушающий контроль | Форум Дефектоскопист > Форум Дефектоскопист > Статьи о дефектоскопии


Старый 11.09.2015, 00:03   #1
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материал

Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов

Об авторах

Сотрудники ФГУП «ОНПП «Технология», ГНЦ РФ, г. Обнинск:


Стариковский Геннадий Петрович
Начальник сектора неразрушающих методов контроля,
III уровень по акустическому виду НК.


Курятин Алексей Александрович
Инженер сектора неразрушающих методов контроля.


Карабутов Александр Алексеевич
профессор Международного Лазерного Центра МГУ им. М. В. Ломоносова,
г. Москва, д. ф.-м. н.

При проектировании авиационных конструкций основной задачей является снижение веса детали, агрегата. Для минимизации веса прежде всего в конструкцию закладываются материалы с максимальными значениями удельной прочности (отношения прочности материала к удельному весу при минимальном значении последнего). Значительное преимущество по этому параметру имеют композиционные материалы с полимерной матрицей (ПКМ), например, стеклопластики и углепластики. Увеличение доли ПКМ (прежде всего, углепластиков) в конструкции самолетов является магистральным направлением развития самолетостроения.

С применением ПКМ при изготовлении силовых элементов конструкций, таких как лонжероны, силовые панели крыла и фюзеляжа, агрегаты стабилизации и управления, предъявляются особые требования к качеству их изготовления и, следовательно, к контролю качества. Требования снижения веса конструкций из ПКМ привели к внедрению интегральных технологий изготовления деталей и агрегатов, при которых формование части или всех входящих элементов конструкции детали или агрегата при их изготовлении производится одновременно со сборкой. В связи с этим произошло увеличение габаритов деталей из ПКМ, что также поставило перед НК новые требования по чувствительности и достоверности контроля.

Следует отметить, что с увеличением габаритов и стоимости детали или агрегата из ПКМ изменилось и отношение к браковке таких изделий. Возросла роль технологий ремонта изделий, которые бы не изменяли несущую способность и надежность изделий в случае их ремонта. Это, в свою очередь, накладывает на методы НК необходимость предоставления полной информации о дефекте: его типе, глубине залегания, размерах и т. п.

В настоящей работе рассматривается класс крупногабаритных конструкций, представляющих собой конструктивное сочетание монолитных и трехслойных зон. Вид типового фрагмента таких конструкций представлен на рис. 1. Конструкция выполняется по интегральной технологии, то есть окончательная сборка внешней и внутренней обшивок с сотовым заполнителем и вкладышами осуществляется одновременно с формованием (отверждением) материала обшивок и вкладышей за один технологический процесс (переход). Задачей НК в данном случае является не только контроль соединений элементов, но и контроль сплошности материала элементов конструкции, сформованных одновременно со сборкой.


Выбор методов контроля такой конструкции производился для двух типов конструкций: трехслойной и монолитной. Имеющийся опыт НК трехслойных конструкций с обшивками из ПКМ позволяет утверждать, что наиболее производительным и достаточно чувствительным является импедансный метод [1, 2]. Он и был выбран в качестве метода контроля трехслойных зон представленной интегральной конструкции. Для контроля монолитных зон конструкции был выбран ультразвуковой эхо-импульсный метод НК с использованием прямых совмещенных преобразователей.
Изображения
Тип файла: jpg 000.jpg (5.8 Кб, 52 просмотров)
Тип файла: jpg 001.jpg (4.5 Кб, 52 просмотров)
Тип файла: jpg 002.jpg (5.1 Кб, 51 просмотров)
Тип файла: jpg 1.jpg (34.1 Кб, 50 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.09.2015, 00:06   #2
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию




Для настройки дефектоскопов в трехслойных и монолитных зонах были спроектированы и изготовлены специальные эталоны - рабочие стандартные образцы (РСО), представляющие собой фрагменты контролируемых объектов с искусственно выполненными в них имитаторами дефектов [3]. На рис. 2 и 3 представлен вид образцов для контроля трехслойных и монолитных зон.


Для обеспечения единства настройки ультразвукового дефектоскопа на плоскодонном отражателе РСО необходимо установить требования по непараллельности дна отверстия поверхности ввода. С этой целью был изготовлен образец с различным наклоном дна отверстий 0 10 мм и проведены измерения затухания сигнала. Расстояние до центра отверстия от поверхности ввода сохранялось постоянным. На рис. 4 представлены графики изменения амплитуды отраженного сигнала в зависимости от наклона дна ДЬ, на основании которых сформулированы требования по величине допустимого наклона дна.

Для прямых раздельно-совмещенных (РС) преобразователей была установлена существенная зависимость амплитуды регистрируемого сигнала от угловой ориентации преобразователя относительно главных осей анизотропии материала. Кроме того, известна неравномерность акустического поля РС-преобразователя [4, с. 50]. Поэтому для их контроля был выбран прямой совмещенный преобразователь.

Акустический контакт между преобразователем и поверхностью объекта контроля создавался с помощью контактной жидкости (вода с этиловым спиртом). Качество акустического контакта оценивалось в процессе контроля по величине амплитуды донного сигнала.


Известна неравномерность акустического поля совмещенного преобразователя [1, 5], особенно в ближней зоне (зоне Френеля). На рис. 5а представлено изменение звукового давления в оргстекле (ʎ1=1,12 мм и f1=2,5 МГц; ʎ2=0,56 мм и f2 = 5 МГц) по оси круглого преобразователя ø 12,5 мм при непрерывном сигнале возбуждения. Протяженность ближней зоны N (рис. 5а) указана для преобразователя f = 2,5 МГц. При импульсном характере возбуждения преобразователя характер интерференционных процессов в акустическом поле зависит от длины цуга волн, то есть от временной протяженности акустического сигнала преобразователя. На рис. 56 и в представлен характер изменения звукового давления при различной длительности акустического импульса [6].

Для устранения имеющейся неоднородности акустического поля между преобразователем и объектом контроля была введена линия акустической задержки. Ее протяженность определялась из соотношения l3 ≥ hс3/cм, где h - толщина материала в зоне контроля, с3, см - скорости распространения продольной ультразвуковой волны в задержке и ПКМ.
Изображения
Тип файла: jpg 2.jpg (100.8 Кб, 56 просмотров)
Тип файла: jpg 3.jpg (86.5 Кб, 56 просмотров)
Тип файла: jpg 4.jpg (59.8 Кб, 55 просмотров)
Тип файла: jpg 5.jpg (110.5 Кб, 56 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.09.2015, 00:08   #3
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию

Выбранная длина акустической задержки составляла 30 мм и приблизительно равнялась протяженности ближней зоны при импульсном характере акустического сигнала.


У большинства композиционных материалов с полимерной матрицей в достаточно широкой полосе (1 - 8 МГц) зависимость коэффициента затухания сигнала (8) от частоты близка к линейной (рис. 6). Подобная зависимость характерна и для стеклопластиков. Учитывая зависимость разрешающей способности от частоты при контроле конструкций из этих материалов, был выбран частотный диапазон ультразвукового контроля (2 - 5) МГц.

Кроме того, при контроле монолитных зон деталей из углепластиков большой толщины (более 5 мм) необходимо при настройке дефектоскопа производить корректировку затухания сигнала, используя функцию временной регулировки чувствительности (ВРЧ).

Известно, что на длительности зондирующего (τ1) и донного (τ2) сигналов достоверная регистрация сигналов от внутренних отражателей невозможна. Глубины зон вблизи поверхности ввода ϴ1 и донной поверхности ϴ2 принято называть «мертвыми» зонами ϴi = cyτi, i = 1, 2. Для деталей из ПКМ глубина «мертвых» зон не должна превышать толщину 2 - 3 слоев композита. В случае появления расслоения на этой глубине его можно выявить визуально либо методом простукивания. Для углепластиков на выбранном частотном диапазоне глубина «мертвой» зоны не должна превышать 0,5 мм.




Длительности зондирующего и донного сигналов зависят от длительности импульса возбуждения и длительности переходных процессов в преобразователе. Для оценки длительности переходных процессов преобразователей и оценки «мертвых» зон был изготовлен образец из углепластика с плоскодонными отверстиями (рис. 7). Оценка длительности переходных процессов производилась по длительности сигнала, отраженного от плоскодонного отверстия ϴ 10 мм, лежащего на глубине 2,7 мм (h/2), при длительности импульса возбуждения 12,5 нс. Глубина «мертвых» зон, определенная для серийных отечественных (НПЦ «Кропус-ПО», ООО «Вотум») и зарубежных («Panametrics») преобразователей ϴ 12,5 мм, представлена на диаграмме рис. 8.


Совместно с ООО «Инакон» (Москва) была выполнена работа по сокращению длительности акустического сигнала прямых преобразователей на частоты 5 и 2,5 МГц. На рис. 8 также представлены протяженности «мертвых» зон этих преобразователей, откуда видно, что за счет сокращения длительности акустического сигнала и длительности переходных процессов в преобразователе удалось существенно сократить протяженность этих зон. На рис. 9 в качестве примера представлены А-сканы, зарегистрированные дефектоскопом УД4-Т и преобразователем П111-5ПО (частота 5 МГц, ϴ 12,5 мм) на дефекте, расположенном на половине толщины образца (а) и в его бездефектной зоне (б), и на дефектах, лежащих на глубине 0,3 мм от поверхности ввода (в) и от донной поверхности (г) образца. Анализ полученных результатов показывает, что дефекты, лежащие на глубине 0,3 мм от поверхности ввода и донной поверхности, могут быть уверенно выявлены.
Изображения
Тип файла: jpg 6.jpg (53.4 Кб, 49 просмотров)
Тип файла: jpg 7.jpg (64.1 Кб, 52 просмотров)
Тип файла: jpg 8.jpg (126.4 Кб, 53 просмотров)
Тип файла: jpg 9.jpg (151.8 Кб, 52 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.09.2015, 00:10   #4
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию


Практика контроля монолитных зон деталей из ПКМ, выполненных по интегральной технологии, показала, что достаточно часто в них регистрируются области падения донного сигнала, при этом сигналы от внутренних отражателей отсутствуют. На рис. 10 представлены А-сканы сигналов в доброкачественной области (а) и в области повышенного затухания (б). Причем падение донного сигнала в последней области (ПЗ) может достигать 15 дБ.


С помощью акустического дефектоскопа с лазерным возбуждением УДЛ-2М (разработчик ООО «ЛИНКС 2000», Москва) были проведены исследования таких областей. Дефектоскоп позволяет возбуждать в ПКМ широкополосный акустический сигнал (0,1 - 15 МГц) в круговой области 0 3 мм на поверхности объекта. На рис. 11 представлены А- и В-сканы, полученные с помощью этого дефектоскопа в доброкачественной области (а) и в областях ПЗ (б, в). Анализ полученной информации показывает наличие большого числа отражателей по толщине материала.




Последующее исследование объекта контроля в области ПЗ и выполнение шлифов, фотографии которых представлены на рис. 12, позволили сделать заключение о том, что причиной затухания донного сигнала является наличие повышенной пористости материала. Причем основной массив пор (> 80%) имел размеры от 20 до 200 мкм, а измеренное объемное их содержание находилось в пределах 2,5 - 4,5%. Кроме того, распределение пористости по толщине имело иногда локальный характер, который был зарегистрирован дефектоскопом УДЛ-2М (рис. 13б, в) и подтвержден выполненными шлифами (рис. 13г).

Следует отметить, что интегральная технология изготовления рассматриваемой конструкции может приводить к возникновению областей повышенной пористости вследствие резкого изменения толщины и вынужденного ограничения давления формования.

Для выявления областей повышенной пористости необходимо следить на экране дефектоскопа не только за сигналами от внутренних дефектов, но и за поведением донного сигнала. С целью обеспечения требуемой достоверности контроля необходимо использовать дефектоскопы, имеющие двухстробовые автоматические сигнализаторы дефектов, то есть срабатывающие при выполнении одного из двух (либо двух) условий: появление сигнала от единичного внутреннего дефекта амплитудой, превышающий пороговый уровень, либо падение амплитуды донного сигнала ниже порогового уровня. К таким дефектоскопам относятся, например, дефектоскоп УД4-Т (ООО «Вотум»), дефектоскоп Epoch IV (фирма «Panametrics», США).

Одним из вопросов, требующих неотложного решения при НК каждого изделия, является классификация обнаруженных единичных дефектов, т. е. разделение расслоений и включений. Под расслоением в слоистом ПКМ понимается межслоевая трещина, под включением - нахождение инородных тел между слоями композиционного материала либо образование сгустков компонентов материала матрицы. Практика контроля показала, что указанные инородные тела в чаще всего являются фрагментами технологических материалов, применяемых при их изготовлении.
Изображения
Тип файла: jpg 10.jpg (86.3 Кб, 50 просмотров)
Тип файла: jpg 11.jpg (218.3 Кб, 50 просмотров)
Тип файла: jpg 12.jpg (89.6 Кб, 50 просмотров)
Тип файла: jpg 13.jpg (258.8 Кб, 51 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.09.2015, 00:13   #5
В мире НК
Бывалый
 
Аватар для В мире НК
 
Регистрация: 10.06.2013
Сообщений: 268
Благодарил(а): 0 раз(а)
Поблагодарили: 14 раз(а)
Записей в дневнике: 1
Репутация: 18
По умолчанию

Способы ремонта изделий в местах обнаружения расслоений или включений различны. Поэтому методика контроля должна содержать способ их классификации.


Первоначальный анализ типа дефекта производится на основании информации, полученной при НК всего изделия, по соотношению амплитуд сигнала, отраженного от дефекта, и донного сигнала в месте дефекта на А-скане дефектоскопа с пьезоэлектрическим преобразователем, как это показано на рис. 14. Однако эта информация в большинстве случаев не позволяет сделать заключение о типе дефекта при наличии донного сигнала в месте обнаруженного дефекта. Донный сигнал может быть зарегистрирован и в случае точечного контакта между берегами расслоения. Как и в предыдущем случае, в качестве экспертного дефектоскопа используется дефектоскоп УДЛ-2М.


Метод основан на анализе сигналов, отраженных от границ раздела двух сред, имеющих различное акустическое сопротивление. На рис. 15 представлен характерный вид сигналов, отраженных от границ слоя Z1 > Z2 < Z1 (Z1 - акустическое сопротивление ПКМ) и Z1 < Z2 > Z1


Наличие сигналов от двух границ раздела является признаком инородного включения, появление и исчезновение донного сигнала при сканировании места дефекта - признаком расслоения, имеющего точечные контакты между берегами. В связи с тем, что композиционный материал и материал включения имеют различные значения Z, по фазе и амплитуде сигналов от границ дефекта иногда удается установить материал включения. Был проведен анализ применяемых технологических материалов, изготовлен образец с искусственно выполненными включениями из выбранных технологических материалов (рис. 16). Проведено исследование сигналов, отраженных от границ «ПКМ -включение». На рис. 16 представлен вид сигналов от границ, регистрируемых на включениях образца с помощью дефектоскопов УД4-Т и УДЛ-2М. На основании этих результатов был составлен каталог с характеристиками каждого рассмотренного включения, позволяющий установить не только тип дефекта, обнаруженного в изделии, но и причину появления включения.

Наиболее важными вопросами НК монолитных зон интегральных конструкций является выбор пороговых уровней срабатывания автоматической сигнализации дефектов (АСД) дефектоскопа при проведении поискового и браковочного контролей, а также площадь отражателя РСО, по которому настраивается дефектоскоп. Опытным путем было установлено, что хорошие результаты контроля могут быть получены при площади отражателя, равной половине площади максимального допустимого расслоения в объекте. При этом величина амплитуды сигнала, регистрируемого от такого отражателя, должна составлять 80% экрана дефектоскопа по шкале амплитуд.

Этот уровень и был принят за уровень АСД при поисковом контроле на всем временном участке появления сигналов от внутренних отражателей. Уровень браковочного контроля, устанавливаемый при определении границ дефектов, был принят на 6 дБ ниже поискового, так как при этом наблюдались наименьшие расхождения границ обнаруженных дефектов с границами, реальными во всем диапазоне глубин расположения дефектов.

Величина допустимого падения донного сигнала (уровень второго строба АСД) была принята на 6 дБ ниже величины амплитуды донного сигнала в бездефектной области РСО при амплитуде сигнала от контрольного отражателя 80 % экрана.

Таким образом, проведенный комплекс экспериментальных работ, разработка и изготовление ультразвуковых пьезоэлектрических преобразователей с уменьшенной длительностью акустического сигнала позволили обеспечить контроль монолитных зон интегральных конструкций по всей толщине композита, а применение экспертного лазерно-ультразвукового дефектоскопа - установить тип обнаруженного дефекта.

Литература

1. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Ультразвуковой контроль. - В кн.: Неразрушающий контроль/Справочник в 7 т. //Под общей ред. В. В. Клюева. Т. 3. - М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.

2. Ланге Ю. В. Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций. - М.: Машиностроение, 1991. - 272 с.

3. ОСТ 1 02765 - 96. Отраслевой стандарт. Отраслевая система обеспечения единства измерений/Метрологическое обеспечение неразрушающего контроля. - НИИСУ, 1997. -69 с.

4. Ермолов И. Н., Вопилкин А. X., Бадалян В. Г. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии/Краткий справочник. - М.: ООО НПЦ НК «Эхо+», 2000. - 169 с.

5. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов/Справочник// Пер. с нем. - М.: Металлургия, 1991. - 752 с.

6. Singh G. P., Rose J. L. A simple model for computing ultrasonic beam behavior of broad-band transducers. - Materials Evaluation. 1982. V. 40. P. 880 - 885.
Изображения
Тип файла: jpg 14.jpg (135.5 Кб, 52 просмотров)
Тип файла: jpg 15.jpg (94.3 Кб, 50 просмотров)
Тип файла: jpg 16.jpg (193.6 Кб, 51 просмотров)
В мире НК вне форума   Ответить с цитированием
Старый 11.09.2015, 04:45   #6
admin
Администратор
 
Аватар для admin
 
Регистрация: 16.04.2012
Сообщений: 2,076
Благодарил(а): 55 раз(а)
Поблагодарили: 236 раз(а)
Записей в дневнике: 3
Репутация: 193
По умолчанию

Стариковский Г.П., Карабутов А.А., Курятин А.А. Неразрушающий контроль интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов. − В мире НК. – Декабрь 2011 г. − № 4 (54). − С. 61–65. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.
Вложения
Тип файла: pdf 54_61-65.pdf (967.2 Кб, 24 просмотров)
admin вне форума   Ответить с цитированием
Ответ
Похожие темы
Тема Автор Раздел Ответов Последнее сообщение
Впервые ГОСТ Р 56512-2015 Контроль неразрушающий. Магнитопорошковый метод AlexSinara Магнитопорошковый контроль 83 15.02.2018 07:11
Разряды дефектоскопистов? Giblib Общие вопросы 80 09.06.2016 11:21
Система Российских стандартов, нормативных и методических до admin Статьи о дефектоскопии 5 28.01.2014 13:53
Эксплуатационный неразрушающий контроль и работоспособность admin Статьи о дефектоскопии 33 30.05.2013 16:38
Стандартизация и неразрушающий контроль admin Статьи о дефектоскопии 3 04.07.2012 07:42


Опции темы
Опции просмотра

Ваши права в разделе
Вы не можете создавать новые темы
Вы не можете отвечать в темах
Вы не можете прикреплять вложения
Вы не можете редактировать свои сообщения

BB коды Вкл.
Смайлы Вкл.
[IMG] код Вкл.
HTML код Выкл.

Быстрый переход

VK Defektoskopist OK Defektoskopist Facebook Defektoskopist Instagram Defektoskopist YouTube Defektoskopist


Текущее время: 22:41. Часовой пояс GMT +3. Copyright ©2000 - 2018. Перевод: zCarot.
Внимание, коллеги! В целях нормальной работы форума администрация оставляет за собой право на обработку персональных данных зарегистрированных пользователей. В случае вашего несогласия просьба написать жалобу на defektoskopist.ru@gmail.com