СПОСОБ УСТАНОВКИ ДАТЧИКОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИН
METHOD TO INSTALL CRACK DETECTION SENSORS

Предлагаемое изобретение относится к области технической диагностики авиационной техники (AT), а именно к регистрации трещин при усталостных испытаниях AT, и может быть использовано в лабораториях прочностных испытаний всех видов техники.
Графические датчики обнаружения трещин устанавливают в предполагаемых местах образования трещин при ресурсных и прочностных испытаниях техники.
Обычно для этой цели в предполагаемом месте образования усталостной трещины наклеивают узкие полоски фольги, изготовленные в виде секционного датчика (1), перпендикулярно предполагаемому направлению распространения трещины. Затем датчик включают в электрическую схему регистратора.
Когда трещина достигает места расположения чувствительного элемента (токопроводящей дорожки), последняя обрывается по трещине и обрыв электрической цепи фиксируется аппаратурой - регистратором.
Конструктивно датчик обнаружения трещины представляет собой чувствительный элемент из константановой фольги на лаковой или бумажной изолирующей основе, приклеенный на исследуемую поверхность цианокрилатным клеем. Ширина чувствительного элемента датчика в пределах 0,015-0,5 мм, толщина 0,01-0,015 мм, электровыводы - проволочные, припаяны оловом.
Основным недостатком фольгового датчика обнаружения трещин является его ограниченный ресурс относительно ресурса испытываемого изделия, что заставляет менять датчики несколько раз в процессе ресурсных испытаний.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ установки датчиков (тензорезисторов) (2), в основе которого чувствительный токопроводящий элемент из константановой фольги, на изолирующей подложке, приклеивается к поверхности испытываемого изделия в местах предполагаемого образования трещин.
Константановая фольга, толщиной 0,01-0,015, как правило, изготавливается фотохимическим способом. В качестве изолирующей подложки датчика (тензорезистора) используется клеевая пленка фенолоформальдегидного клея или термостойкая бумага, пропитанная клеем УВС-10Т.
По форме чувствительного токопроводящего элемента датчики бывают одиночные, розетки, цепочки с базой (длиной) чувствительного элемента до 50 мм.
К поверхности испытываемого изделия датчики приклеиваются цианокрилатными клеями типа «Циарин ЭО» холодного отверждения.
Время полного отверждения 48 часов. Температурный диапазон работы от -80 до +80°С.
Клей УВС - 10Т (фенольный однокомпонентный, горячего отверждения - 5 часов при температуре 180°С, под давлением 0,1 - 0,3 мПа, затем при температуре 215°С в течение 5 часов - полимеризация).
Технические характеристики фольговых тензорезисторов (датчиков трещин) следующие:
- электрическое сопротивление до 2000 Ом;
- чувствительность не более 0,05 мм;
- температурный диапазон -70…+100°С;
5
- безотказная работа не менее 0,98 за 2×10 циклов нагружений.
Фольговый датчик обнаружения трещин имеет существенные недостатки:
- используемый клей крепления датчика к испытываемой поверхности изделия снижает надежность и, в общем, ресурс фольгового датчика обнаружения трещин;
- ограничение длины и применения датчика на сложных рельефных поверхностях испытываемого изделия;
- снижение надежности и чувствительности при подходе образовавшейся трещины не перпендикулярно оси датчика;
- требуется специальное покрытие датчика для предотвращения окисно-коррозийных повреждений;
- поставки датчиков обнаружения трещин осуществляются партиями, и часть датчиков остается невостребованной.
Задачами предлагаемого изобретения являются:
1. повышение надежности датчика обнаружения трещин за счет увеличения усталостной прочности до уровня усталостной прочности испытываемой конструкции и более;
2. расширение функциональных возможностей за счет установки датчика на сложных рельефных и длинных участках испытываемых конструкций и безотказности на любых углах подхода трещины;
3. расширение области применения датчиков обнаружения трещин при ресурсных испытаниях.
Способ установки графических датчиков трещин (ГДТ) состоит из следующих основных операций: изготовление электропроводной пасты (например, на основе дисперсного серебра и эпоксидного связующего холодного отверждения), подготовка мест установки ГДТ и изготовление электрических выводов, нанесение токопроводящих дорожек и наклейка электрических выводов ГДТ.
Характерной особенностью ГДТ является совместный процесс их изготовления и установки. ГДТ могут устанавливаться на испытываемых конструкциях, сварочных узлах и сочленениях любой конфигурации в горизонтальном, вертикальном и потолочном исполнениях под углом от 5° до 175° к оси предполагаемой трещины.
ГДТ имеет дополнительную возможность использования его после отработки образовавшейся трещины в качестве датчика развития трещины путем нанесения слоя токопроводящей пасты на токопроводящую дорожку датчика в зоне образовавшейся трещины.
Электрические параметры ГДТ:
- сопротивление изоляции не менее 20 кОм;
- сопротивление датчика задается его поперечным сечением и длинной;
- чувствительность ГТД - 0.003-0.06 мм;
6
- безотказная работа не менее 2·10 циклов нагружений;
- рабочий температурный диапазон -50+2000°С.
Выполнение технологии изготовления ГДТ при его установке накладывает определенные повышенные требования к качеству используемых материалов и полноте выполнения технологических операций.
Особые требования предъявляются к лакокрасочному покрытию (ЛКП) испытываемого изделия. Оно должно быть в месте установки ГДТ целым, без наплывов и раковин, иметь сопротивление изоляции не менее 1 мегаома (замер проводить с мокрым рабочим электродом). При измерении сопротивления изоляции с мокрым электродом рабочий щуп мегомметра обернут влажным тампоном. ЛКП должно быть устойчивым к этиловому спирту. В случае несоответствия этих условий ЛКП наносится вновь (лучший проверенный вариант ЛКП - грунтовка ЭП-0215 - для алюминиевых сплавов и ЭП-076 - для стальных). Нанесение проводится краскопультом или аэрографом в два слоя на подготовленную и обезжиренную поверхность.
Следующей ответственной операцией является изготовление дисперсного серебра. Как правило, эта операция выполняется химической лабораторией: используют реактивы - серебро азотнокислое, химически чистое, ГОСТ 1277-75; глюкоза химически чистая медицинская; аммиак, ГОСТ 3760-79 (раствор 1:1).
Изготавливается дисперсное серебро из расчета 3 г на 10 датчиков.
Токопроводящая паста для ГДТ готовится непосредственно перед ее применением, ее жизнеспособность не более 1 часа (рациональный объем пасты до полного использования 1 кистью получается из 3 г дисперсного серебра).
Готовится токопроводящая композитная паста холодного отверждения в пропорции 1-3-1, где одна часть эпоксидной смолы КДА с отвердителем ПЭПА, 3 части дисперсного серебра и одна часть этилового спирта смешиваются в следующей последовательности: 1 часть эпоксида смешивается с 1 частью спирта, затем в раствор, постоянно перемешивая, постепенно добавляются 3 части дисперсного серебра. Пасту тщательно перемешивают в одном направлении до получения однородной (маслянистой) массы без крупинок.
В процессе использования пасты необходимо также перемешивать ее в том же направлении, при загустении добавить несколько капель спирта, поддерживая необходимую консистенцию (растекаемость). Оптимальная растекаемость - когда нанесенная паста на вертикальную поверхность не дает подтека.
Электровыводы для ГДТ изготовлены из облуженной медной фольги с размерами 0,1×1,0×40 мм.
Нанесение токопроводящих дорожек ГДТ выполняется художественной кистью №1 или специальным дозатором, возможно нанесение по трафарету.
Перед нанесением пасты подготовленные поверхности протираются спиртом. Размеры токопроводящей дорожки датчика могут быть:
- по толщине 0,1-0,15 мм (регулируется растекаемостью пасты);
- по ширине 2,0-4,5 мм.
По длине - ограничение электрического сопротивления датчика, обеспечивающего работу регистратора (до 200 Ом).
По краям токопроводящей дорожки датчика приклеиваются электровыводы дополнительной каплей токопроводящей пасты с помощью художественной кисти.
При вертикальной и потолочной установке ГДТ электровыводы необходимо предварительно фиксировать отрезками (4×12 мм) малярного скотча. Полимеризация токопроводящей пасты на установленных ГДТ не менее 12 часов при температуре от 20°С до 25°С. По окончанию полимеризации токопроводящей пасты замеряются электрические характеристики установленного ГДТ: сопротивление изоляции должно быть не менее 20 кОм, при меньшем сопротивлении изоляции датчик срезается мини-стамеской по ЛКП и меняется на новый.
Электрическое сопротивление ГДТ проверяется на стабильность по всей длине датчика. Оно должно плавно повышаться по мере передвижения щупа омметра по датчику, места со скачкообразным увеличением сопротивления отмечаются маркером (как правило - это местное утончение токопроводящей дорожки).
Заключительной операцией установки ГДТ является их правка - выравнивание геометрии датчика и устранение обнаруженных утончений токопроводящей дорожки в ранее отмеченных местах нанесением дополнительного слоя пасты, затем повторяется измерение сопротивления датчика.
Сущность способа установки датчиков обнаружения трещин поясняется на фото:
Фото 1 отображает варианты установленных ГДТ на образцах и имитаторах трещин при отработке функциональных возможностей ГДТ.
Фото 2,3 отображают применение ГДТ при усталостных испытаниях самолета Бе-200РИ.
2
6
Фото 4 отображает ресурсные испытания самих ГДТ на специальном стенде, где образец балки равного сопротивления изгибу с установленными шестью ГДТ, циклично нагружается усилием от 8 до 12 кг/м частотой 10 Гц. Все ГДТ выдержали испытания до поломки образца балки при наработке около 2·10 циклов.
Технический результат достигается путем совмещения трех операций: изготовления, подготовки поверхности и установки датчиков обнаружения трещин.
Источники информации
1. А.Н.Серьезнов «Измерения при испытаниях авиационных конструкций на прочность». Изд. М.: «Машиностроение», 1976, с.98-101.
2. «WWW.VEDA.COM.UA», «Тензорезисторы».