СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF ULTRASONIC INSPECTION OF ARTICLES FROM COMPOSITON MATERIALS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для выявления или нахождения дефектов изделий из анизотропных композиционных материалов.
Характерные разрушения изотропных твердых тел были описаны в работах [Irvin G.R., In «Structural Mechanics», Proc. I st. Symp. Naval Struct. Mech., Pergamon, Oxford, 1960, p. 557-594; Konish H.J., Swedow J.L., Cruse T.A., J. Compos. Mater., 6. 114-125, 1972]. Многократные теоретические уточнения и экспериментальные подтверждения привели к общепринятому использованию вязкости разрушения в качестве важнейшей константы технических материалов.
Полное описание разрушения анизотропных композитов, в отличие от изотропного случая, не может быть сведено к одномерной задаче. Необходимо установление функциональных зависимостей между ориентацией трещины (расслоения, непроклея и др. дефектов), направлением материала и векторов нагрузки, не говоря уже об определении когезионной, адгезионной и механической диссипаций. Следовательно, обзор и классификация определенных теоретических решений и детализации методов контроля могут затруднить, а не выявить соответствующие перспективы разрушения и контроля композитов.
Невидимые области материалов, например внутренние части изделий, сварочных швов и композиционных материалов, можно анализировать при помощи ультразвукового контроля. Это тип неразрушающего контроля использует отражение звуковых волн для обнаружения дефектов, которые было бы сложно определить другим способом без разрушения исследуемого объекта. Ультразвуковой контроль является распространенным в авиационно-космической промышленности способом контроля целостности материалов в процессе производства и технического обслуживания.
Особенность ультразвукового контроля заключается в необходимости наличия контактной смазки для передачи ультразвуковой энергии исследуемому образцу вследствие большого расхождения между акустическим импедансом воздуха и твердой фазы контролируемого образца.
Другая особенность ультразвукового контроля заключается в том, ультразвуковой преобразователь (излучатель) должен быть правильно ориентирован (обычно перпендикулярно) относительно контролируемого объекта или дефекта. В полимерных композитах дефекты имеют, главным образом, параллельную ориентацию к поверхности изделия.
Для большинства случаев неразрушающего контроля используются методы, описанные в [Неразрушающий контроль и диагностика.: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 448 с.].
Неметаллические материалы обладают более сильной зависимостью затухания ультразвука от частоты, чем металлы. Особенно быстро затухание растет с частотой в крупноструктурных неметаллах. Поэтому для неразрушающего контроля таких материалов приходится использовать снижение частоты УЗ (ультразвукового) диапазона. Например, УЗ контроль ПКМ (полимерный композиционный материал) возможен на частотах, приблизительно, не выше 150…200 кГЦ.
ПКМ - один из наиболее распространенных конструкционных неметаллов. Для дефектоскопии и оценки прочностных характеристик конструкций (изделий) из ПКМ чаще других применяют методы прохождения (теневые) при сквозном или поверхностном прозвучивании изделий. Основным измеряемым параметром является время распространения ультразвука на некоторой базе прозвучивания. Поэтому базу необходимо знать с возможно большей точностью, особенно при поверхностном прозвучивании. Размеры рабочих поверхностей УЗ преобразователей для этого должны быть как можно меньше.
Для ряда задач, решаемых как методами прохождения, так и эхо-методом, необходимы преобразователи с малой длительностью преобразуемых импульсов и низким уровнем собственного реверберационного шума.
Все эти противоречивые требования были удовлетворены в предложенной конструкции преобразователя с сухим точечным контактом (СТК) и малой длительностью импульсной характеристики [Ультразвуковой низкочастотный преобразователь: пат. 2082163 Рос. Федерация: МПК G01N 29/24/ А.А. Самокрутов [и др.], заявитель и патентообладатель ООО «АКС». - №94005901; заявл. 21.02.1994, опубл. 04.07.1997, Бюл. №17]. Благодаря малой длительности сигналов и сухому акустическому контакту их можно применять для решения самых разных задач УЗ низкочастотного контроля.
По диаграммам направленности данного преобразователя видно, что первый преобразователь с продольными колебаниями протектора обеспечивают излучение и прием продольных УЗ волн по нормам к поверхности полупространства, а второй преобразователь с поперечными колебаниями протектора позволяет излучать и принимать поперечные УЗ волны перпендикулярно к поверхности. Вследствие точечного акустического контакта, кроме основного типа волн, каждый из преобразователей неизбежно излучает и способен принимать, под некоторыми углами к поверхности полупространства, другой тип объемных волн.
Кроме того, вдоль поверхности полупространства от этих преобразователей в разные стороны от точки контакта распространяются различные поверхностные волны. Преобразователь с продольными колебаниями протектора является ненаправленным излучателем волн Релея. Преобразователь с поперечными колебаниями протектора в направлении вектора смещений излучает продольные подповерхностные (головные) волны и волны Релея. Он же в направлении, перпендикулярном вектору смещений, излучает поперечные волны с горизонтальной поляризацией (SH волны). Эти свойства преобразователей с поперечными колебаниями протектора дают возможность измерений скоростей продольных и поперечных волн в материалах (ПКМ) способом поверхностного прозвучивания.
Детали из МСП-К являются многослойным клеевым полимерным композиционным материалом. Характерными дефектами для них являются:
- зоны отсутствия сцепления между соединенными элементами (непроклей), имеющий нулевую прочность. Обычно эти дефекты имеют заполненный газом зазор. Непроклеи - наиболее часто встречающиеся и самые опасные дефекты клеевых соединений;
- плохая адгезия, то есть слабое сцепление клея с материалом соединяемого элемента. Это снижает прочность клеевого шва;
- недоброкачественный клей;
- пористость, ослабляющая прочность соединения. Причины пористости - неполное удаление из клея растворителя, недостаточное давление при запрессовке, применение некачественных компонентов.
Для контроля деталей из МСП-К используют велосиметрический УЗ метод. Контроль проводят по сухим поверхностям без применения контактных смазок или погружения объекта контроля (ОК), в ванну с жидкостью. Этот метод использует влияние дефектов на скорость распространения упругих волн и длину их пути между излучающим и приемным преобразователями дефектоскопа.
0
В ОК (объект контроля) возбуждается УЗ колебание, распространяющиеся в виде ассиметричных волн нулевого порядка и (мода d) продольных волн.
Дефекты регистрируют по изменению сдвига фазы принятого сигнала или времени распространения импульса на участке между излучателем и приемником (Фиг. 1).
Известны способы УЗ контроля материалов и изделий (Патент РФ №2036470, G01N 29/24, 1995; Патент РФ №2141653, G01N 29/04, 1999; Патент РФ №2492465, G01N 29/26, 2013; Патент РФ №2528578, G01N 29/24, 2014; Патент РФ №2539806, G01N 29/24, 2012; Патент РФ №2580214, G01N 29/24, 2012).
Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту РФ №2469311 G01N 29/26, 2012, которые было принято авторами за ближайший аналог.
Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов, включающий в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователей перпендикулярно контактной поверхности с направлением сканирования через одну фокальную ось. Наличием дефекта является временная разница длительности пробега импульса упругой волны.
Недостатком данного способа является то, что для УЗ контроля композиционных материалов необходимо применять контактирующую жидкость; данное устройство слишком громоздко и имеет большие габариты; ограниченность области применения из-за низкой реверберационно-шумовой характеристики.
В результате исследований выяснилось, что данного материала (МСП-К) велосиметрический метод с односторонним доступом ограничен в применении, так как отсутствует четкий информационный параметр, который однозначно бы изменялся в дефектных участках.
Односторонний вариант метода имеет интерференционные помехи, затрудняющий контроль данного материала. По этой причине обычно не удается обнаружить дефекты вблизи краев и зон резкого изменения толщины ОК.
2
Чувствительность метода зависит от параметров ОК и глубины залегания дефектов, уменьшаясь с увеличением последней. Минимальная площадь обнаруживаемых дефектов 100…1500 мм, причем большим глубинам залегания.
Односторонний вариант велосиметрического метода имеет также неконтролируемую зону, прилегающую к поверхности, противоположную поверхности ввода. Она составляет 20…40% от толщины ОК.
Технической задачей является улучшение реверберационно-шумовой характеристики, увеличение чувствительности метода и повышение площади контроля за счет использования велосиметрического способа УЗК (ультразвукового контроля) с двухсторонним доступом и использования одновременно временного и амплитудного метода прохождения упругих волн ОК (объекта контроля) с применением специальных преобразователей с СТК (сухого точечного контакта).
Указанная задача решается за счет того, что в способе контроля изделий из композиционного материала, который включает в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователей перпендикулярно контактной поверхности с направлением сканирования через фокальную ось. Наличием дефекта является временная разница длительности пробега импульса упругой волны. Осуществляется подача упругой поперечной с одной стороны изделия при помощи УЗ преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной волны с другой стороны изделия при помощи одновременного преобразователя с рабочей частотой 300 кГц. Наличие дефекта определяют по времени пробега импульса поперечной волны и амплитуде продольной волны.
На (Фиг. 2) приведена схема проведенного эксперимента. Контроль осуществлялся импульсным дефектоскопом А1220 «Монолит», который позволяет фиксировать время прихода сквозного сигнала с абсолютной погрешностью измерений временных интервалов в мкс.
Преобразователь типа S1808 с двумя пьезопреобразователями (позволяет объединить два метода контроля - временной и амплитудный. Временной метод прохождения основан на измерении времени пробега импульса через ОК (объект контроля). Путь ультразвукового луча АСД, огибающего дефект, больше, чем прямой путь АВД. В данном случае, тип волны не меняется, то есть, если вводится продольная, то и принимается продольная, если вводится поперечная, то она и принимается.
Признаком дефекта при контроле амплитудным методом служит ослабление амплитуды упругих волн, прошедших через ОК.
Для УЗ контроля были выбраны преобразователи типа S1808 с частотой 300 кГц (поперечная и продольная волна).
Результаты показали, что время прихода сигнала на бездефектном участке и над искусственными дефектами одинаково, а амплитуда сигнала уменьшается (Фиг. 3, 4, 5, 6).
Исходя из вышеуказанного, можно сделать соответствующие выводы:
- наиболее оптимальным методом УЗК деталей из МСП-К является комбинация двух способов прохождения - временного и амплитудного;
- для реализации данного способа требуется двухсторонний доступ к ОК и обеспечение точной соосности преобразователей;
- необходимо использовать преобразователи с сухим точечным контактом с возбуждением продольной волны и рабочей частотой 300 кГц.