Способ теплового контроля композитных материалов
METHOD OF THERMAL CONTROLLING COMPOSITE MATERIALS

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных конструкций из композитных материалов (КМ), на основе результатов теплового контроля.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из КМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п. Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны, они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые, в первую очередь, могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к авариям, и которые возможно необходимо укреплять.
Уровень техники
Перспективным направлением в современной технике является использование композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие внутренних дефектов - нарушений внутренней сплошности (трещин, микротрещин, расслоений и т.п.), которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности либо в материале, имеющем нарушения сплошности.
Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими, как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо, с одной стороны, каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Одним из путей снижения «травмирования» конструкций из КМ является обнаружение дефектов нарушения сплошности.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из КМ.
Например, усталость КМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по финансовым причинам.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.
Известен ряд способов обнаружения дефектов нарушения сплошности тепловым методом.
1. Вавилов В.П., Иванов А.И. Импульсный тепловой контроль многослойных изделий // Дефектоскопия, 1984 №6. С. 39-47.
2. Ширяев В.В., Вавилов В.П., Иванов А.И. Способ активного теплового контроля: а.с. СССР 1075131, приор. 1 марта 1082 г. // бюл. Изобр. 1984. №7. 6 с.
3. Вавилов В.П., Климов А.Г., Ширяев В.В. активный тепловой контроль воды в авиационных сотовых конструкциях // дефектоскопия. 2002. №12. с. 32-38.
4. Будадин О.Н., Бекаревич А.А., Антоненко М.С. и др. Способ теплового контроля содержания металла в руде и устройство для его осуществления: пат. РФ 2539127. Опубл. 10.01.2015 г., бюл. №1. Решение от 08 октября 2014 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2013136884/28(055520) от 07.08.2013 г.
Согласно данным способам в контролируемое изделие вводят энергию, например тепловое излучение. Вследствие различия теплофизических характеристик областей нарушения сплошности (дефектов) и основного материала на поверхности контролируемого изделия образуется неоднородное температурное поле, которое регистрируется, например, тепловизионной техникой, обрабатывается и по результатам обработки и анализу выносится заключение о наличие в материале внутренних дефектов.
Недостаток данных способов вытекает из физической природы распространения теплового фронта в КМ: метод позволяет обнаруживать только нарушения сплошности достаточно больших размеров - в общем случае, сопоставимые по размерам с толщиной контролируемого изделия и зависящие от способа теплового нагружения. Контроль изделий по данным способам не позволяет обнаруживать микротрещины, «слипнутые» дефекты, дефекты малых размеров, поры и т.п.
Наиболее близким способом теплового контроля, принятым в качестве прототипа, является способ, описанный в работе Zweschper Th., Dillenz А., Busse G. Ultrasound lock - in thermography - a defect selective method for the inspection of aerospace components // Insight. 2001. V. 43. No. 3. P. 173-179.
Тепловой контроль, реализованный в соответствии с описанным способом, заключается в следующем. В контролируемый материал вводятся ультразвуковые волны, которые «заставляют» колебаться границы областей нарушений сплошности (дефектов). Вследствие этого на поверхностях границ нарушений сплошности образуется избыток энергии, которая вызывает появление избыточной температуры и теплового поля. Тепловое поле распространяется по материалу, достигает поверхности и формирует неоднородное температурное поле, по анализу которого определяется местоположение дефектов.
Данные способ позволяет обнаруживать трещины в материале, в т.ч. «слипнутые» трещины.
Недостаток данного способа заключается в следующем:
- не позволяет обнаруживать достаточно большие дефекты, мелкие поры,
- при проведении контроля на контролируемую конструкцию происходит контактное физическое воздействие ультразвукового датчика с достаточно большой интенсивностью. Не все изделия из КМ допускают такое воздействие, т.к. может нарушится монолитность многослойной конструкции и образовываться дополнительные дефекты.
- радиус воздействия в изделие ультразвуковых колебаний ограничен, что резко ограничивает производительность контроля,
- не позволяет контролировать изделия в процессе их испытаний, например в процессе воздействия на изделия силовых нагрузок. При том, что именно в процессе воздействия силовых нагрузок происходит образование дефектов - трещин.
Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа диагностики технического состояния реальных сложных многослойных конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования с достаточно большой производительностью и обеспечивать выявление широкой номенклатуры дефектов.
Предлагаемое изобретение направлено на исключение указанных недостатков - повышение достоверности, информативности контроля, а также расширение области применения.
Принципиально подход к решению задач обнаружения широкой номенклатуры дефектов с большой производительностью дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стал возможен с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.
Это связано с появлением современной портативной тепловизионной техники с программным обеспечением, например, см. О.Н. Будадин и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89; Будадин О.Н., Вавилов В.П., Абрамова Е.В. Тепловой контроль. Диагностика безопасности. Под общей редакцией академика РАН Клюева В.В. М.: Издательский дом Спектр, 2011, 171 с., позволяющим решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к дефектометрии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).
Имеются неоднократные попытки решить эту проблему с помощью дефектоскопии различными методами - ультразвуковым, радиоволновым и т.п. Однако это не приводило к желаемым результатам. Это связано с рядом причин.
1. Как правило, методы дефектоскопии позволяют обнаруживать макродефекты, в то время как нарушение снижение прочности может быть обусловлено, как правило, в основном, микородефектами (микротрещины, микропоры и т.п.), но и рядом других факторов, которые не поддаются обнаружению методами дефектоскопии: нарушением состава материала в процессе приложения силовых нагрузок, нарушением технологии изготовления и т.п.
2. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими-либо нагрузками (силовыми статическими или динамическими, внутренним давлением для баллонов и др.), а методы дефектоскопии, в основном, не позволяют проводить неразрушающий контроль в процессе нагружения конструкций. Кроме того, это опасно с точки зрения техники безопасности, т.к. для проведения дефектоскопии конструкций около нее должен находиться оператор - дефектоскопист.
3. При контроле сложных пространственных структур, либо объектов, которые занимали не все поле обзора регистрирующей системы, наряду с информативными температурными полями регистрировались температурные помехи, которые значительно снижали достоверность результатов контроля.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности, производительности и информативности контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов, в т.ч. из КМ, в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.
Т.е., в конечном итоге, изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, в т.ч. находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из КМ, повышении информативности и производительности контроля.
Технический результат достигается за счет того, что в способе теплового контроля, включающем
- тепловое возбуждение материала внешним источником,
- регистрацию температурного поля контролируемого изделия,
- сравнение зарегистрированного температурного поля с пороговым значением температуры и выделение дефектных участков,
перед регистрацией температурного поля
- в материал контролируемого изделия вводят электропроводную высокосмачиваемую жидкость, которая проникает в дефекты, микротрещины и поры материала,
- облучают контролируемое изделие электромагнитным полем, которое, взаимодействуя с электропроводной жидкостью, нагревает ее,
- регистрируют температурное поле поверхности в области расположения дефектов.
Для повышения эффективности нагрева электропроводной жидкости целесообразно примерять электромагнитное поле в СВЧ диапазоне.
Поскольку при взаимодействии электропроводной жидкости и электромагнитного поля происходит локальный нагрев жидкости - только в местах дефектов, то температурное поле поверхности имеет высокий температурный контраст (большое отличие температуры на дефектных и бездефектных участках) и высокий пространственный контраст (резкие четкие границы) дефектных участков. Это обеспечивает высокую информативность предлагаемого способа контроля.
В связи с тем, что имеется возможность ввести электропроводную жидкость в материал по всему изделию, а тепловизионная техника обеспечивает регистрацию температурного поля одновременно с большой площади, то предлагаемый способ имеет высокую производительность контроля.
Предлагаемый способ не предусматривает травмирующих воздействий на контролируемое изделие.
Предлагаемый способ является бесконтактным и дистанционным, т.к. в процессе контроля отсутствует взаимодействие с контролируемым изделием, поэтому он позволяет проводить контроль в процессе нагружения изделий силовыми нагрузками, т.е. в тех условиях, когда не допускается присутствие человека вблизи изделия.
Электропроводная высокосмачиваемая жидкость проникает практически во все внутренние микро- и макронесплошности, поэтому обеспечивается максимальная выявляемость внутренних дефектов.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг. 1 приведена схема устройства теплового контроля,
фиг. 2 приведены фотографии элементов и микрошлифов сложной пространственной конструкции с реальными дефектами: макродефектами типа нарушения сплошности и дефектами нарушения структуры,
фиг. 3 приведена, в качестве примера, термограмма поверхности контролируемого изделия, полученная по способу, принятому в качестве прототипа,
фиг. 4 приведена, в качестве примера, термограмма поверхности контролируемого изделия, полученная по заявляемому способу.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - материал контролируемого изделия,
2 - генератор электромагнитного излучения,
3 - электроды,
4 - тепловизионное устройство,
5 - поле обзора тепловизионного устройства,
6 - компьютер с программным обеспечением,
7 - макродефект типа нарушений сплошности,
8 - дефект типа нарушения структуры,
9 - область расположения макродефекта типа нарушения сплошности (расслоение) в изделии (при проведении экспериментальных исследований),
10 - источник теплового возбуждения, например ультразвуковой контактный преобразователь.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами, а система управления выключением/включением системы нагружения построена на стандартных релейных системах (см., например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве тепловизионного устройства 4 используются тепловизоры фирмы FLIR, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам. В качестве электропроводной высокосмачиваемой жидкости используется - индикаторный электропроводный пенетрант, который проникает в дефекты, микротрещины и поры материала.
Существует несколько способов заполнения дефектов в материале электропроводным индикаторым пенетрантом. Конкретный способ определяется требованиями к выявлению дефектов, материалом конструкции, ее габаритными размерами и т.п.:
- капиллярный - самопроизвольное заполнение полостей дефектов индикаторным электропроводным пенетрантом, наносимым на контролируемую поверхность смачиванием, погружением, струей, распылением сжатым воздухом, хладоном или инертным газом;
- вакуумный - заполнение полостей дефектов пенетрантом при давлении в их полостях менее атмосферного;
- компрессионный - заполнение полостей дефектов индикаторным электропроводным пенетрантом при воздействии на него избыточного давления;
- ультразвуковой - использование ультразвукового капиллярного эффекта;
- деформационный - воздействие на объект контроля упругих колебаний звуковой частоты или статического нагружения, увеличивающего минимальный размер дефекта, и др.
Минимальный размер дефекта составляет менее 1 мкм, что подтверждено испытаниями.
В качестве источника теплового возбуждения используется любое промышленное или бытовое (например, бытовая СВЧ печь для контроля малогабаритных конструкций) устройство СВЧ излучения.
Способ осуществляется следующим образом.
В материал контролируемого изделия 1 вводят электропроводную высокосмачиваемую жидкость, которая проникает в дефекты, микротрещины и поры материала 7, 8 и заполняет их. Далее помещают контролируемое изделие 1 в электромагнитное поле (фиг. 1) между электродами 3. Запускается генератор излучения 2 и происходит облучение контролируемого изделия 1 электромагнитным полем. Данное электромагнитное поле взаимодействует с электропроводной жидкостью и нагревает ее. Нагретая электропроводная жидкость, в свою очередь, нагревает материал 1 контролируемого изделия и формирует температурное поле на его поверхности. Данное температурное поле регистрируется тепловизионном устройством 4 посредством «осмотра» контролируемой поверхности изделия 1 полем обзора 5 тепловизионного устройства 4 и обрабатывается компьютером 6. На фиг. 4, в качестве примера, приведена термограмма поверхности контролируемого изделия с четким контуром внутреннего дефекта.
Для повышения эффективности нагрева электропроводной жидкости целесообразно применять электромагнитное поле в СВЧ диапазоне.
Поскольку при взаимодействии электропроводной жидкости и электромагнитного поля происходит локальный нагрев жидкости - только в местах дефектов, то температурное поле поверхности имеет высокий температурный контраст (большое отличие температуры на дефектных и бездефектных участках) и высокий пространственный контраст (резкие четкие границы) дефектных участков (фиг. 4). Это обеспечивает высокую информативность предлагаемого способа контроля.
В связи с тем, что имеется возможность ввести электропроводную жидкость в материал по всему изделию, а тепловизионное устройство 4, 5 обеспечивает регистрацию температурного поля одновременно с большой площади, то предлагаемый способ имеет высокую производительность контроля.
Для подтверждения работоспособности и эффективности заявляемого способа по сравнению со способом, описанным в качестве прототипа, были проведены соответствующие исследования.
Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на установке (фиг. 1) с использование тепловизионного устройства ИРТИС-2000 и магнитострикционного датчика для ввода ультразвуковых колебаний в контролируемый материал для создания температурного поля.
Экспериментальные исследования заключались в следующем.
Для исследования был выбран образец из композитного материала, имеющий расслоение 9 с размерами, ориентировочно, 25×25 мм и раскрытием 0,06 мм.
Этап 1. Исследование способа контроля, принятого в качестве прототипа.
Поверхность изделия 1 подвергалась нагреву путем ввода ультразвуковых колебаний от магнитострикционного преобразователя источником 10. Нагрев контролируемого изделия 1 осуществлялся с той стороны, с которой происходила регистрация температурного поля тепловизионным устройством 4 - односторонний тепловой контроль. В результате теплового воздействия на поверхности изделия формируется температурное поле. При этом за счет различных теплофизических характеристик основного материала изделия и дефекта, а также за счет «трения» стенок дефекта в области контролируемого изделия 1 температурное поле будет неоднородным: в области дефекта оно будет иметь большую величину. Данное температурное поле поверхности регистрируется тепловизионном устройством 4 посредством «осмотра» контролируемой поверхности изделия 1 полем обзора 5 тепловизионного устройства 4 и обрабатывается компьютером 6. На фиг. 3, в качестве примера, приведена термограмма поверхности контролируемого изделия с контуром внутреннего дефекта. Из термограммы видно, что контур дефекта размытый и не дает точного представления о реальном контуре дефекта. Оценка погрешности контуров дефекта реального, выявленного по способу, принятому в качестве прототипа, составляет (±6 мм) с вероятностью 0,97. Такая погрешность часто не приемлема при проведении практического контроля.
Этап 2. Исследование заявляемого способа контроля.
В материал контролируемого изделия - образца 1 ввели электропроводную высокосмачиваемую жидкость, которая проникла в дефект 9 и заполнила его. Далее образец 1 поместили между электродами 3, которые создают электромагнитное поле посредством генератора 2. После включения генератора 2 происходит облучение контролируемого изделия 1 электромагнитным полем. Данное электромагнитное поле взаимодействует с электропроводной жидкостью и нагревает ее. Нагретая электропроводная жидкость, в свою очередь, нагревает материал 1 контролируемого изделия и формирует температурное поле на его образца. Поскольку температурное поле формируется локальным внутренним источником тепла (область дефекта), то температурное поле поверхности имеет большой контраст, т.к. нагревается не вся поверхность, как в прототипе, а только область поверхности над дефектом. Данное температурное поле регистрируется тепловизионным устройством 4 посредством «осмотра» контролируемой поверхности изделия 1 полем обзора 5 и обрабатывается компьютером 6. На фиг. 4, в качестве примера, приведена термограмма поверхности контролируемого изделия.
Из фиг. 4 видно, что граница дефекта имеет четкий контур.
Оценка погрешности контура дефекта реального, выявленного по заявляемому способу, составляет (±0,5 мм) с вероятностью 0,97. Такая погрешность приемлема при проведении практического контроля.
Проведем ряд других экспериментальных исследований по выявлению трещин, пор и других дефектов в композитных материалах. На заявляемый способ разработана технология (методика) контроля, которая проходит апробацию в производстве.
В таблице приведены основные сравнительные характеристики заявляемого способа и способа, принятого в качестве прототипа.
Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с прототипом и аналогами, позволяет выполнять следующее:
- обнаруживает как большие по размерам дефекты, так и малые: мелкие поры, трещины и т.п.
- позволяет выявлять более мелкие по размерам дефекты типа нарушения сплошности,
- имеет большую производительность,
- позволяет проводить контроль изделий в процессе из силовых испытаний,
- радиус воздействия в изделие ультразвуковых колебаний ограничен, что резко ограничивает производительность контроля,
- не имеет физического воздействия на контролируемое изделие,
- имеет более высокую достоверность выявления дефектов и т.п.