Способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF A MONOLITHIC SHEET TOGETHER WITH AN ADHESIVE LAYER IN MULTILAYER STRUCTURES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может найти применение в авиационной, космической, судостроительной, автомобильной и других отраслях машиностроения.
Объектом контроля являются клеевые соединения обшивок с полками элементов жесткости (лонжеронов, стрингеров, стенок) в подкрепленных конструкциях из ПКМ, выполненных по интегральной технологии, когда формование обшивки и сборка конструкции (склейка обшивки с элементом жесткости), происходит за один технологический цикл.
При этом неразрушающий контроль элемента жесткости производится до сборки конструкции, а выявлению подлежат дефекты, находящиеся в материале обшивки и в клеевом слое клеевого соединения. Также могут быть проконтролированы клеевые соединения обшивок из ПКМ с металлическими листами (или полками элементов жесткости) и клеевые соединения внешних обшивок из ПКМ с различными заполнителями (сотовые заполнители, пенопласты, компаунды и т.д.) в многослойных конструкциях.
Известен акустический импедансный метод неразрушающего контроля клеевых соединений в листовых конструкциях и многослойных конструкциях с заполнителем, основанный на различии механических импедансов дефектных и доброкачественных участков контролируемого изделия. Механические импедансы оценивают с поверхности изделия в зонах возбуждения в нем изгибных колебаний звуковых или ультразвуковых частот. Изменения механического импеданса преобразуют в соответствующие им изменения электрического сигнала, который обрабатывают в электронном блоке дефектоскопа и представляют на индикаторе или используют для управления исполнительными механизмами (Ю.В. Ланге. Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных конструкций. - М.: Машиностроение, 1991. - 272 с: ил.).
Импедансный метод при неразрушающем контроле клеевых соединений в указанных конструкциях обладает рядом недостатков, таких как:
2
- низкая чувствительность (не обеспечивается уверенное выявление непроклеев площадью менее 1,5 см);
наличие ограничений по толщине склеиваемых элементов контролируемой конструкции, включая обшивки большой толщины (более 5 мм) и сотовые заполнители малой высоты (менее 5 мм) в многослойных конструкциях с заполнителем;
невозможность классификации дефектов (невозможность определения глубины залегания дефекта и, как следствие, невозможность отличия расслоения в листе от дефекта клеевого соединения - непроклея).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому способу является способ неразрушающего контроля клеевого соединения монолитных листов из полимерных композиционных материалов (патент РФ №2627539, кл. G01N 29/36, опубл. 08.08.2017 Бюл. №22), сущность которого заключается в том, что осуществляют ввод ультразвуковых колебаний в материал одного из соединяемых листов и регистрацию сигналов, отраженных от дефектов, поверхностей раздела «лист-клеевой слой», «клеевой слой-лист» с помощью ультразвукового дефектоскопа, снабженного прямым совмещенным пьезоэлектрическим широкополосным преобразователем, при этом наличие дефектов в клеевом слое определяется по величине амплитуды ультразвукового сигнала, отраженного от клеевого слоя в месте расположения дефекта, относительно положения строба на экране дефектоскопа, устанавливаемого при настройке дефектоскопа на образце, имеющем искусственные дефекты клеевого слоя, причем положение и длительность строба выбираются таким образом, чтобы сигнал, отраженный от клеевого слоя, попадал в диапазон этого строба, а амплитуду сигнала от клеевого слоя объекта контроля устанавливают равной средней амплитуде сигнала от клеевого слоя образца в бездефектной зоне.
Недостатком указанного способа, взятого в качестве прототипа, является отсутствие возможности обнаружения дефектов в материале соединяемых листов либо в материале листа соединения «лист-заполнитель» помимо обнаружения дефектов клеевого слоя в клеевых соединениях конструкций, изготавливаемых по интегральной технологии.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение возможностей способа, описанного в прототипе, сокращение времени проведения контроля монолитного листа с клеевым слоем в подкрепленных интегральных конструкциях и конструкциях с заполнителем, а именно - создание возможности контроля сплошности монолитного листа и обнаружения дефектов в клеевом слое клеевого соединения, реализуемые при одном акте сканирования поверхности одного из соединяемых листов, либо листа в соединении «лист-заполнитель».
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов, либо в составе клеевого соединения «лист-заполнитель» с целью обнаружения внутренних дефектов, включающий ввод ультразвуковых колебаний в материал одного из соединяемых листов, либо в материал листа в соединении «лист - заполнитель», регистрацию сигналов, отраженных от дефектов в листе, от дефектов в клеевом слое и от границ раздела «лист - клеевой слой», «клеевой слой - лист», «клеевой слой - заполнитель» с помощью ультразвукового дефектоскопа, снабженного прямым совмещенным пьезоэлектрическим широкополосным преобразователем и двухстробовой системой автоматической сигнализации дефектов (АСД), отличающийся тем, что наличие дефекта в листе определяется по величине амплитуды ультразвукового сигнала, отраженного от несплошности внутри листа, а наличие дефекта в клеевом слое определяется по величине амплитуды сигнала, отраженного от клеевого слоя в месте расположения дефекта клеевого слоя, относительно положения соответствующих стробов АСД, устанавливаемых при настройке дефектоскопа на образце, имеющем искусственные дефекты листа и клеевого слоя, причем обнаружение указанных дефектов производится при регистрации амплитуд ультразвуковых сигналов, отраженных от дефекта в листе и от дефекта клеевого слоя, которая осуществляется при одном акте сканирования поверхности одного из соединяемых листов, либо листа в соединении «лист - заполнитель», при этом положение, временная длительность и уровень по шкале амплитуд дефектоскопа первого из двух стробов АСД устанавливается при настройке на искусственном дефекте листа, а второго строба - на искусственном дефекте клеевого слоя, выполненных в образцах.
При этом амплитуда сигнала от клеевого слоя объекта контроля устанавливается равной средней амплитуде сигнала от клеевого слоя образца в бездефектной зоне.
Аналогично прототипу, в качестве первого информативного сигнала принимается один результирующий эхо-сигнал, получаемый при наложении сигналов, отраженных от двух границ клеевого слоя. Второй информативный сигнал - это эхо-сигнал, отраженный от дефекта внутри материала одного из соединяемых листов, либо внутри материала листа в соединении «лист - заполнитель».
Перед проведением контроля выполняется настройка дефектоскопа на образце, технология изготовления которого соответствует объекту контроля и который содержит искусственные дефекты клеевого слоя и материала листа. Искусственные дефекты представляют собой плоскодонные отверстия нормированной площади, выполненные со стороны одного из листов либо заполнителя до глубины расположения клеевого слоя и до половины толщины листа, со стороны которого проводится контроль и в материале которого требуется выявлять дефекты. Настройка дефектоскопа заключается:
- в установке амплитуды эхо-сигнала, отраженного от искусственного дефекта листа на определенный уровень посредством изменения усиления дефектоскопа и фиксации установленного значения усиления дефектоскопа;
- в измерении амплитуды эхо-сигнала, отраженного от искусственного дефекта клеевого слоя при зафиксированном ранее значении усиления дефектоскопа;
- в установке положения и длительности строба А (фиг. 5 поз. 11) дефектоскопа таким образом, чтобы его ширина охватывала весь диапазон контроля до клеевого слоя, а положение и длительность строба Б (фиг. 5 поз. 12) устанавливалось таким образом, чтобы начало и конец строба совпадали с началом переднего фронта и концом заднего фронта эхо-сигнала, отраженного от искусственного дефекта клеевого слоя, соответственно;
- в установке пороговых уровней браковки (положение стробов А и Б по вертикальной оси дефектоскопа);
Аналогично прототипу, уравниваются условия контроля образца и объекта контроля производя корректировку усиления дефектоскопа на величину AG, после чего проводится контроль объекта контроля путем сканирования всей площади поверхности с шагом сканирования не более 2/3 от диаметра контактной поверхности преобразователя.
где ΔG - величина корректировки усиления дефектоскопа, дБ,
OK
G - среднее значение амплитуды эхо-сигнала, отраженного от клеевого слоя объекта контроля, вычисленное по 10 или более точкам, дБ,
обр.
G - среднее значение амплитуды эхо-сигнала, отраженного от клеевого слоя образца, вычисленное по 5-10 точкам, дБ.
Границы дефектов в материале листа и в клеевом слое определяются по положению центра преобразователя при достижении строба А амплитуды эхо-сигнала от дефекта листа и при достижении строба Б амплитуды эхо-сигнала от клеевого слоя соответственно.
Технический результат изобретения, заключающийся в создании возможности контроля сплошности монолитного листа и обнаружения дефектов в клеевом слое клеевого соединения, реализуемые при одном акте сканирования поверхности одного из соединяемых листов либо листа в соединении «лист-заполнитель», достигается за счет проведения комплексной настройки дефектоскопа на двух имитаторах дефектов (искусственных дефектах листа и клеевого слоя, содержащихся в рабочем стандартном образце) и установкой двух различных пороговых уровней для соответствующих диапазонов контроля.
Это позволяет производить одновременный поиск дефектов в двух диапазонах:
- диапазон строба А охватывает всю толщину листа от поверхности до границы раздела «лист-клеевой слой»;
- диапазон строба Б охватывает всю толщину клеевого слоя от границы раздела «лист-клеевой слой» до границы раздела «клеевой слой-лист» либо «клеевой слой-заполнитель».
Пороговые уровни браковки (положение стробов А и Б по шкале амплитуд дефектоскопа) определялись по формулам:
1
где L - величина порогового уровня браковки для дефектов, расположенных в одном из соединяемых листов либо в листе соединения «лист - заполнитель», % от величины экрана дефектоскопа (уровень строба А по вертикальной оси дефектоскопа),
р
А - устанавливаемый уровень сигнала, отраженного от искусственного дефекта листа в образце, % от величины экрана дефектоскопа (рекомендуемый уровень сигнала для соединения из армированных углепластиковых листов - 80% от величины экрана, для других ПКМ этот параметр может варьироваться в зависимости от величины коэффициента затухания ультразвука в материале),
2
L - величина порогового уровня браковки для дефектов клеевого слоя, % от величины экрана дефектоскопа (уровень строба Б по вертикальной оси дефектоскопа),
н
р
А - амплитуда сигнала, отраженного от искусственного дефекта клеевого слоя, измеренная при усилении дефектоскопа, зафиксированном после установки сигнала от искусственного дефекта листа на уровень А, % от величины экрана дефектоскопа (величина амплитуды главным образом зависит от толщины листа и коэффициента затухания ультразвука в материале листа, со стороны которого производится контроль),
кл
A - среднее значение амплитуды эхо-сигнала от клеевого слоя по площади клеевого соединения бездефектной зоны образца, % от величины экрана дефектоскопа (рекомендуемое количество точек для определения среднего значения не менее 10).
Отличительными признаками заявленного способа являются:
возможность производить одновременный поиск дефектов в материале листа и дефектов в клеевом слое клеевого соединения, реализуя процесс контроля при одном акте сканирования поверхности одного из соединяемых листов либо поверхности листа в соединении «лист -заполнитель», что достигается за счет использования различных пороговых уровней для двух диапазонов контроля;
- перед проведением контроля производится комплексная настройка дефектоскопа на двух искусственных дефектах, выполненных в образце - имитаторе расслоения в листе и имитаторе непроклея в клеевом слое. При этом пороговые уровни браковки (положение стробов А и Б по шкале амплитуд дефектоскопа) определяются по формулам (2) и (3).
Оборудование, применяемое для реализации предложенного способа аналогично оборудованию, используемому в способе прототипа.
Реализация способа неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов.
р
На фиг. 1 и фиг. 2 показан образец, конструкция которого соответствует объекту контроля, состоящий из склеиваемых листов 3 и 4, клеевого слоя 5 и заполнителя 6. Перед проведением контроля, на образце, содержащем искусственные дефекты листа 1 и клеевого слоя 2, производится настройка дефектоскопа, снабженного прямым совмещенным широкополосным пьезоэлектрическим преобразователем с акустической задержкой и двухстробовой системой автоматической сигнализации дефектов (АСД) посредством которого через слой контактной жидкости в материал листа 3 образца в зоне расположения искусственного дефекта листа 1 вводятся ультразвуковые колебания и регистрируется на экране дефектоскопа эхо-сигнал, отраженный от искусственного дефекта листа 1. Изменяя значения длительности и задержки развертки дефектоскопа добиваются одновременного отображения на экране дефектоскопа сигналов, отраженных от торца акустической задержки 7 фиг. 3 и от искусственного дефекта листа 1 фиг. 1, причем сигнал, отраженный от акустической задержки 7, устанавливается в положение начала развертки дефектоскопа, а сигнал отраженный от искусственного дефекта листа 1 устанавливается в левую часть экрана не далее середины развертки дефектоскопа. Затем, изменяя усиление дефектоскопа, амплитуда сигнала 8 фиг. 3 от искусственного дефекта листа 1 устанавливается на определенный уровень А фиг. 3, после чего установленное значение усиления фиксируется. На экране дефектоскопа может присутствовать переотраженный сигнал 9 фиг. 3 от искусственного дефекта листа 1, амплитуда которого зависит от величины коэффициента затухания ультразвука в материале листа. Далее, при зафиксированном прежде значении усиления дефектоскопа, производится измерение амплитуды эхо-сигнала 10 фиг. 4, отраженного от искусственного дефекта клеевого слоя 2. Аналогично прототипу определяются средние значения амплитуды эхо-сигнала от клеевого слоя в бездефектных зонах образца и объекта контроля, вычисляется по формуле (1) величина корректировки усиления дефектоскопа AG.
1
2
1
2
По формулам (2) и (3) вычисляются пороговые уровни браковки для дефектов, расположенных в листе L и для дефектов клеевого слоя, расположенных в листе L. Положение и длительность строба А 11 фиг. 5 дефектоскопа устанавливают таким образом, чтобы его ширина охватывала весь диапазон контроля до клеевого слоя, а строба Б 12 фиг. 5 таким образом, чтобы начало и конец строба совпадали соответственно с началом переднего фронта и концом заднего фронта эхо-сигнала, отраженного клеевого слоя. Положение стробов А и Б по вертикальной оси дефектоскопа устанавливают на уровни L и L соответственно. После этого для уравнивания условий контроля образца и объекта контроля производят корректировку усиления дефектоскопа на величину ΔG, полученную ранее, скорректированный сигнал 13 фиг. 5, отраженный от клеевого слоя в бездефектной зоне объекта контроля. Границы дефектов в материале листа и в клеевом слое определяются по положению центра преобразователя при достижении строба А амплитуды эхо-сигнала от дефекта листа и при достижении строба Б амплитуды эхо-сигнала от клеевого слоя соответственно. На фиг. 6 и 7 изображены виды экрана дефектоскопа в местах расположения дефектов листа и клеевого слоя, где представлены эхо-сигнал 14, отраженный от дефекта листа и эхо-сигнал 16, отраженный от дефекта клеевого соединения объекта контроля, также показаны эхо-сигналы 15 фиг. 6, переотраженные от дефекта в материале листа.