Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов

Использование: для ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователя перпендикулярно контактной поверхности объекта контроля с направлением волны через одну фокальную ось и последующим определением дефекта по времени пробега импульса упругой волны, при этом подача упругой поперечной ультразвуковой волны осуществляется с одной стороны изделия при помощи преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной ультразвуковой волны с другой стороны изделия при помощи этого же преобразователя с рабочей частотой обеих упругих волн 300 кГц и последующим определением наличия дефекта в объекте контроля по времени пробега импульса и амплитуде продольной волны. Технический результат: улучшение реверберационно-шумовой характеристики, увеличение чувствительности метода и повышение площади контроля. 6 ил.

 

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.

В ОК (объект контроля) возбуждается УЗ колебание, распространяющиеся в виде ассиметричных волн нулевого порядка и (мода d0) 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.

Чувствительность метода зависит от параметров ОК и глубины залегания дефектов, уменьшаясь с увеличением последней. Минимальная площадь обнаруживаемых дефектов 100…1500 мм2, 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.

Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов, включающий в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователя перпендикулярно контактной поверхности объекта контроля с направлением волны через одну фокальную ось и последующим определением дефекта по времени пробега импульса упругой волны, отличающийся тем, что подача упругой поперечной ультразвуковой волны осуществляется с одной стороны изделия при помощи преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной ультразвуковой волны с другой стороны изделия при помощи этого же преобразователя с рабочей частотой обеих упругих волн 300 кГц и последующим определением наличия дефекта в объекте контроля по времени пробега импульса и амплитуде продольной волны.



 

Похожие патенты:

Использование: для дефектоскопии рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что дефектоскоп содержит связанные между собой управляющий процессор (1) и исполнительный блок (2) и соединенный с ними блок питания (3).
Изобретение относится к ультразвуковой дефектоскопии металлических конструкций и сооружений при отрицательной температуре, а именно низкотемпературной контактирующей жидкости (НКЖ), предназначенной для акустического контакта при ультразвуковом неразрушающем контроле рельсов, стрелочных переводов и сварных стыков съемными средствами дефектоскопии при отрицательной температуре атмосферного воздуха.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам и средствам неразрушающего контроля материалов, и может быть использовано для диагностики рельсов и других протяженных объектов железнодорожного пути.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля рельсовых путей. Согласно способу диагностики рельсового пути и синхронизации результатов измерений диагностический комплекс, содержащий средства дефектоскопии и навигации, перемещают по рельсовому пути, обнаруживают стрелочные переводы, сохраняют их метки совместно с данными дефектоскопии в диагностической базе данных рельсового пути.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при реализации магнитных и ультразвуковых бесконтактных методов дефектоскопии для обнаружения дефектов и определения геометрических размеров изделий на значительных скоростях сканирования.

Использование: для ультразвуковой томографии. Сущность изобретения заключается в том, что устройство ультразвуковой томографии содержит персональный компьютер, соединенный с микроконтроллером, к которому последовательно подключены многоканальный генератор, антенная решетка, многоканальный усилитель, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство, при этом устройство дополнительно содержит многоканальный блок вычисления скорости изменения каждого ультразвукового сигнала, подключенный к выходу многоканального усилителя и к входу многоканального генератора, управляемого напряжением, который связан с тактовым входом многоканального аналого-цифрового преобразователя.

Использование: для ультразвуковой томографии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют размещение пьезопреобразователей антенной решетки на объекте контроля, циклическое ультразвуковое облучение объекта контроля поочередно каждым пьезопреобразователем антенной решетки и одновременный прием ультразвуковых волн и их преобразование в электрические сигналы всеми преобразователями антенной решетки, усиление и преобразование в цифровые коды полученных электрических сигналов, их сохранение, когерентную обработку сохраненных цифровых кодов, при которой разбивают объект контроля на локальные области, которые рассматривают в качестве локального сосредоточенного отражающего элемента, сохраненные цифровые коды сдвигают назад во времени на величину, равную времени распространения отраженной волны от рассматриваемой локальной области до соответствующего пьезопреобразователя антенной решетки, затем перемножают сдвинутые во времени цифровые коды соответственно для каждой из локальных областей, сохраняют полученные произведения цифровых кодов и используют их для реконструкции изображения и его визуализации, при этом после преобразования ультразвуковых волн в электрические сигналы всеми преобразователями антенной решетки и их усиления определяют скорость изменения каждого электрического сигнала, которую используют для вычисления периода преобразования полученных электрических сигналов в цифровые коды.

Использование: для выявления и оценки параметров дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металла прутков. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют прозвучивание контролируемого прутка стержневой волной, измерение времени распространения стержневой волны от преобразователя до дефекта и обратно, пересчет измеренного времени в координату дефекта по длине прутка с учетом скорости распространения стержневой волны, определение коэффициента отражения стержневой волны от дефекта, определение дефектности прутка по результатам сравнения коэффициента отражения от дефекта с уровнем браковки, при этом также осуществляют дополнительное прозвучивание стандартного образца прутка стержневой и крутильной волнами, определение коэффициентов отражения стержневой и крутильной волн от искусственного отражателя в стандартном образце прутка, измерение координаты искусственного отражателя в поперечном сечении стандартного образца прутка, прозвучивание контролируемого прутка крутильной волной, определение коэффициента отражения крутильной волны от дефекта в контролируемом прутке, определение коэффициентов затухания стержневой и крутильной волн в контролируемом прутке, определение координаты дефекта в поперечном сечении прутка.

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может быть использована для оценки надежности и качества изделий из материалов, имеющих большой разброс характеристик.

Использование: для обнаружения несанкционированных воздействий на трубопровод. Сущность изобретения заключается в том, что возбуждают трубопровод зондирующими периодическими виброимпульсами, формируют образцовые уровни сигналов, имитирующих несанкционированные воздействия, и принимают решение по результатам сравнения накопленных сигналов, принимаемых от равноудаленных точек по разные стороны от места зондирования трубопровода, при этом разностный сигнал получают путем сравнения предварительно преобразованных в спектры частот сигналов от равноудаленных точек, упомянутые эталонные уровни формируют в виде доверительных интервалов в предварительно выделенных частотных диапазонах рабочего спектра с привязкой к определенному виду несанкционированного воздействия, и решение по обнаружению последнего и о его виде принимают по попаданию спектра разностного накопленного сигнала в соответствующий доверительный интервал.

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий механическими колебаниями. Термотомографический способ определения глубины залегания внутренних дефектов контролируемого изделия включает предварительное построение градуировочной зависимости наибольшего изменения температуры на поверхности контролируемого изделия при наличии и отсутствии внутреннего дефекта в изделии от глубины расположения дефекта, построение градуировочной зависимости, последующее возбуждение ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии, регистрацию абсолютного значения изменения температурного поля поверхности контролируемого изделия на внутреннем дефекте во времени в течение времени ультразвукового воздействия и после его прекращения до остывания, регистрацию наибольшего значения и измерение соответствующего значения времени, отсчитываемого с момента прекращения ультразвукового воздействия. Согласно изобретению осуществляют регистрацию температурного поля одновременно на двух поверхностях контролируемого изделия и определяют глубину залегания дефекта внутри контролируемого изделия по полученным результатам. Раскрыто устройство для осуществления способа. Технический результат - обеспечение определения глубины залегания внутренних дефектов с необходимой для практики точностью, повышение достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышение достоверности результатов оценки технического, эксплуатационного состояния и расширение области использования сложных конструкций и их элементов из ПКМ. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Использование: для ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователя перпендикулярно контактной поверхности объекта контроля с направлением волны через одну фокальную ось и последующим определением дефекта по времени пробега импульса упругой волны, при этом подача упругой поперечной ультразвуковой волны осуществляется с одной стороны изделия при помощи преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной ультразвуковой волны с другой стороны изделия при помощи этого же преобразователя с рабочей частотой обеих упругих волн 300 кГц и последующим определением наличия дефекта в объекте контроля по времени пробега импульса и амплитуде продольной волны. Технический результат: улучшение реверберационно-шумовой характеристики, увеличение чувствительности метода и повышение площади контроля. 6 ил.

Наверх