Метод и аппаратура ультразвукового инфракрасного контроля полимерных композиционных материалов

Таким образом, актуальность диссертационных исследований обусловлена:

• расширяющимся применением композиционных материалов нового поколения, прежде всего, в высокотехнологичных отраслях, таких как авиакосмическая техника, ядерная энергетика, автомобилеи судостроение и т. п.;

• возможностью образования недопустимых специфических дефектов в процессе изготовления или эксплуатации композиционных материалов;

• ограничениями, присущими традиционным видам неразрушающего контроля, при обнаружении дефектов в композиционных материалах;

• положительными результатами практического применения теплового метода контроля композиционных материалов, включая выполненные за рубежом исследования в области ультразвуковой (УЗ) инфракрасной (ИК) термографии;

• отсутствием на российском рынке коммерческих систем теплового контроля композиционных материалов, в особенности, с использованием метода УЗ ИК термографии (УЗ тепловидения).

Цель работы. Разработка метода и устройства для ультразвукового тепловизионного неразрушающего контроля композиционных материалов.

Основные защищаемые положения.

• Метод УЗ ИК термографии, восходящий к низкочастотной тепловизионной вибротермографии и испытывающий определенное возрождение в последнее десятилетие, перспективен для обнаружения структурных неоднородностей в твердых телах, которые проявляют эффект механического гистерезиса и внутреннего трения. В особенности, данный метод пригоден для выявления трещин ударного и усталостного происхождения в композиционных и сотовых изделиях, используемых в авиакосмической технике, ядерной энергетике, автомобиле строении и судостроении.

• Наиболее используемые в настоящее время в УЗ ИК термографии акустические колебания частотой несколько десятков килоГерц и электрической мощностью на магнитострикторе до нескольких килоВатт не вызывают заметного нагрева «бездефектного» материала вследствие механического гистерезиса. Феноменологическая модель тепловыделения в дефектных зонах предполагает, что эффект внутреннего трения подобен постоянного действующему источнику тепла, что позволяет использовать для оценки мощности тепловыделения классическую теорию теплопроводности. Сопоставление данных феноменологической модели и экспериментальных данных позволяет оценить вышеуказанную мощность тепловыделения (сотни милливатт при обнаружении трещин в композитах).

• Термомеханическая модель УЗ ИК термографии предполагает совместное решение трехмерного уравнения распространения акустических волн и теплопроводности, на основании чего исследуют зависимости температурных сигналов в дефектных зонах от механических свойств материала (коэффициента Пуассона и модуля Юнга), частоты акустических волн, амплитуды колебаний магнитостриктора, расстояния между точкой УЗ стимуляции и точкой наблюдения, а также их взаимной ориентации.

Областью применения метода УЗ ИК термографии является неразрушающий контроль трещин ударного и усталостного происхождения, а также расслоений, непроклеев и других дефектов без взаимного проникновения контактирующих материалов. Отрасли преимущественного использования метода УЗ ИК термографии: авиакосмическая промышленность, ядерная энергетика, автомобиле-и судостроение.

Амплитуда температурных сигналов пропорциональна коэффициенту трения и эффективной (поглощенной) акустической энергии. В диапазоне исследованной электрической мощности УЗ стимуляции (до 2,5 кВт), температурные сигналы пропорциональны электрической мощности на магнитострикционном инденторе. Наибольшие температурные сигналы возникают при перпендикулярном расположении дефектов типа трещин относительно преимущественного направления распространения ультразвука. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из композиционных материалов целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках, или одновременная стимуляция нескольких точек.

Научная новизна диссертационных исследований.

Разработаны феноменологическая и термомеханическая трехмерные модели генерации тепловых сигналов, стимулируемых мощным ультразвуком, что позволило оценить эквивалентную мощность тепловыделения в дефектных зонах, а также влияние частоты ультразвука, взаимной ориентации и расстояния между точкой ввода ультразвука и дефектами на регистрируемые температурные сигналы. Экспериментальным путем выявлены и подтверждены вышеуказанные закономерности УЗ ИК термографического контроля применительно к композиционным материалам, в особенности, углепластику, являющимся одним из основных конструкционных материалов в авиакосмической промышленности. Установлена высокая эффективность применения УЗ ИК термографического контроля для обнаружения ударных повреждений в слоистых композитах и сотовых структурах с композиционной обшивкой и неметаллическими ячейками.

• Установлено, что температурные сигналы в зонах структурных дефектов композитов (угле-, стеклои органопластиков) прямо пропорциональны введенной акустической энергии и длительности стимуляции при времени стимуляции до 10/.

15 секунд при электрической мощности на магнитострикционном инденторе до 2,5 кВт.

Практическая ценность и реализация результатов диссертационных исследований.

• Разработана экспериментальная установка УЗ ИЬС термографического контроля, использующая непрерывное и импульсное возбуждение ультразвука магнитострикционным способом, а также тепловизионный способ регистрации динамических температурных полей.

• Выполнены приоритетные в отечественной практике экспериментальные исследования возможности УЗ ИК термографического контроля композиционных материалов, используемых в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, автомобиле строении и судостроении.

• Результаты данной работы используются в «Новоуральском научно-конструкторском центре» (г.Новоуральск) при разработке технологии контроля изделий из углепластика, используемых в ядерной энергетике, а также в МНПО «Спектр» (г.Москва) при испытаниях материалов авиакосмического профиля.

• Экспериментальная установка УЗ ИК термографического контроля используется в Томском политехническом университете при выполнении выпускных работ бакалавров и магистров, при проведении лабораторных работ студентами специальности «Физические методы и приборы контроля качества», а также слушателями курсов повышения квалификации в области теплового контроля.

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на Международной конференции «Electronics — 2012» (г. Созополь, Болгария, 2012 г), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (г. Томск, Россия, 2011 г.), 50-й Ежегодной конференции Британского общества неразрушающего контроля (г. Телфорд, Великобритания, 2011 г.).

Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и грантами. Результаты диссертационных исследований использованы при выполнении проекта № 5.568 аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011 годы), а также грантов № 09−08−13 568-офиц и № 09−08−99 022-р офи Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 100 наименования, двух приложений. Диссертация содержит 119 страниц текста, 73 рисунка и 13 таблиц.

Основные выводы.

В результате обзора научно-технической литературы показано, что традиционные методы НК, такие как УЗ, ВИК, контроль проникающими веществами, а также «классический» ТК, не решают в полном объеме задачи испытаний композиционных материалов. Сделан вывод, что одним из наиболее пригодных методов испытаний композиционных материалов сложной формы является вибротепловизионный метод, названный в данной работе «ультразвуковым инфракрасным термографическим (тепловизионным) контролем». Особенности данного метода и физические явления, происходящие в объектах контроля при УЗ облучении, до сих пор не изучены в полном объеме для практического применения метода.

Приоритет в разработке метода УЗ РЖ термографии принадлежит зарубежным исследователям (конец ХХ-го века). В России первые работы, описанные в настоящем исследовании, выполнены в Томском политехническом университете в 2008;2009 гг.

Основными механизмами тепловыделения при прохождении акустических волн через твердые тела является механический гистерезис, роль которого в неразрушающих испытаниях незначительна, и, в особенности, внутреннее трение, которое является основным источником повышения температуры в дефектных зонах.

Областью применения метода УЗ ИК термографии является НК трещин ударного и усталостного происхождения, а также расслоений, непроклеев и других дефектов без взаимного проникновения контактирующих материалов. Отрасли преимущественного использования метода УЗ ИК термографии: авиакосмическая промышленность, ядерная энергетика, автомобилеи судостроение. В настоящем исследовании использована как непрерывная, так и импульсная, УЗ стимуляция. Следует отметить, что в силу относительно большой длительности импульсов УЗ стимуляции (обычно от 0,1 до 3 с), непрерывная УЗ стимуляция, длительность которой, во всяком случае, не превышает 15−20 с, может рассматриваться как частный случай импульсной стимуляции. Предложена простая теплофизическая модель оценки тепловыделения в дефектных зонах при УЗ стимуляции, в рамках которой предполагается, что трещина феноменологически проявляет себя в поверхностном температурном поле как источник внутреннего тепловыделения. Таким образом, путем сопоставления теоретических и экспериментальных данных, возможна оценка мощности рассеяния УЗ энергии на дефектах, которая, например, для трещин в композиционных материалах достигает сотен милливатт.

Разработана более строгая термомеханическая модель тепловыделения в дефектных зонах, реализацию которой проводят в два этапа: 1) решение трехмерной задачи распространения УЗ колебаний в пластине и вычисление мощности, генерируемой дефектом с нулевой толщиной вследствие внутреннего трения- 2) решение трехмерной задачи распространения тепла от источника, мощность которого определены на первом этапе.

С помощью вышеуказанной модели исследованы зависимости температурных сигналов в дефектных зонах от механических свойств материала (коэффициента Пуассона и модуля Юнга), частоты акустических волн, амплитуды колебаний магнитостриктора, расстояния между точкой УЗ стимуляции и точкой наблюдения, а также их взаимной ориентации.

Амплитуда температурных сигналов пропорциональна коэффициенту трения и эффективной (поглощенной) акустической энергии. В диапазоне исследованной электрической мощности УЗ стимуляции (до 2,5 кВт), температурные сигналы пропорциональны электрической мощности на магнитострикционном инденторе. Расчетным путем получены оценки так называемого температурно-акустического спектра, вид которого для композитов типа углепластика показывает существенную зависимость температурных сигналов от частоты ультразвука, что, по-видимому, связано с комбинированным проявлением эффектов механического гистерезиса и резонансных явлений.

Наибольшие температурные сигналы возникают при перпендикулярном расположении дефектов типа трещин относительно преимущественного направления распространения ультразвука. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из композиционных материалов целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках, или одновременная стимуляция нескольких точек.

Для экспериментальных исследований композиционных материалов разработан экспериментальный комплекс, включающий вышеупомянутые устройства УЗ стимуляции, ИК тепловизоры, компьютер типа «лэп-топ» и устройство управления на базе модуля Ке-и8В24И, а также оригинальное программное обеспечение.

Для непрерывного возбуждения акустических волн использована стандартная установка финишной обработки металлов (частота 22 кГц, электрическая мощность на магнитострикторе до 300 Вт, длительность стимуляции композиционных материалов без охлаждения до 20 с). Для импульсной УЗ стимуляции по техническому заданию исполнителя разработана специализированная установка (изготовитель ООО «Инлаб»): частота 22 кГц, электрическая мощность на магнитострикторе до 2,5 кВт, минимальная длительность импульса 0,1 с, шаг дискретизации 0,1 с, длительность стимуляции композиционных материалов без 1 охлаждения до 20 с. В данной установке, с целью предотвращения образования стоячих волн, предусмотрена девиация частоты.

Для ИК термографической регистрации динамических температурных сигналов использованы стандартные ИК тепловизоры высокого уровня: ThermaCAM Р65 и NEC Avio ТН-9100.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием импульсной, периодической и непрерывной УЗ стимуляции. Установлено, что амплитуда температурных сигналов в дефектных зонах пропорциональна поглощенной акустической энергии (электрической мощности на магнитострикторе) и не зависит от характера изменения акустических сигналов во времени. Предпочтительность мощных коротких импульсов по сравнению с маломощной, но длительной стимуляцией, не установлена, по-видимому, вследствие сравнительно низкой интенсивности тепловой диффузии в композиционных материалах, например, по сравнению с металлами.

Согласно предсказаниям термомеханической теории внутреннего трения максимальные температурные сигналы образуются в зоне трещин с высоким коэффициентом трения стенок. УЗ стимуляция дефектов округлой формы, в частности, уноса материала (коррозии) не привела к положительным результатам. Установлено, что наличие иммерсионной жидкости не оказывает существенного влияния на температурные сигналы вследствие того, что в настоящих исследованиях применен магнитострикционный принцип возбуждения акустических волн.

Эффективность УЗ термографического контроля максимальна при УЗ облучении трещин по нормали и снижается с увеличением расстояния между точкой ввода ультразвука и дефектами. Поэтому при проведении сплошного контроля изделий из композиционных материалов целесообразна последовательная УЗ стимуляция изделий в различных точках, или одновременная стимуляция нескольких точек.

Площадь одновременного контроля с использованием метода УЗ РЖ термографического метода пропорциональна приблизительно квадрату акустической энергии и ограничена возможной деструкцией контролируемого материала в точке ввода ультразвука.

В процессе УЗ стимуляции объектов определенной формы и размеров возможно образование стоячих волн, которые можно подавить, применяя девиацию несущей УЗ частоты. В ряде случаев, наличие протяженных дефектов виде трещин влияет на образование стоячих волн.

Результаты данной работы используются в «Новоуральском научно-конструкторском центре» (г. Новоуральск) при разработке технологии контроля изделий из углепластика, используемых в ядерной энергетике, а также в МНПО «Спектр» (г.Москва) при испытаниях материалов авиакосмического профиля. Экспериментальная установка УЗ РЖ термографического контроля используется в Томском политехническом университете при выполнении выпускных работ бакалавров и магистров, при проведении лабораторных работ студентами специальности «Физические методы и приборы контроля качества», а также слушателями курсов повышения квалификации в области теплового контроля. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК.

Публикации автора по теме диссертационных исследований.

1. Вавилов В. П., Нестерук Д. А., Хорев B.C. Ультразвуковой инфракрасный метод выявления ударных повреждений и усталостных трещин в металлах и композитах. В мире НК, март 2010. 1(47). С. 36−58.

2. Вавилов В. П., Ширяев В В., Хорев B.C. Обработка результатов активного теплового контроля методом вейвлет — анализа. Дефектоскопия, 2011. № 4. С. 70−79.

3. Вавилов В. П., Чулков А. О., Хорев B.C. Ультразвуковой инфракрасный термографический неразрушающий контроль композиционных материалов. Тезисы докладов международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов. Томск. Россия 5−9 сентября 2011. С. 323−326.

4. Vavilov V.P., Nesteruk D.A., Khorev V.S. IR Thermographic NDT Research at Tomsk Polytechnic University. Siberia. Russia — Proceedings of the 50th Annual Conference of British Institute of Nondestructive Testing. 12−15 Sept. 2011, Telford. U.K. p. 1C3 (only on CD). 12 p.

5. Ширяев В. В., Хорев B.C. Тепловой контроль ударных повреждений в углепластике с применением ультразвуковой стимуляции. Контроль и Диагностика, 2011. Спецвыпуск. С. 112−114.

6. Нестерук Д. А., Хорев B.C., Коробов КН. Инфракрасно — ультразвуковой контроль воды в сотовых панелях самолетов. Контроль и Диагностика, 2011. № 11. С. 11−14.

7. Вавилов В. П., Хорев B.C., Чулков А. О. Исследование метода ультразвукового инфракрасного контроля трещин в композитных материалах. Контроль и диагностика, 2012. Спецвыпуск. С. 197−201.

8. Vavilov VI., Nesteruk D., Khorev VL. Ultrasonic and inductive IR Thermographic Procedures as Newly — Emerged Technigues in Thermal NDT. — Annual Journal of Electronics. Sofia. 2012. V. 6. № 2. P. 102−109.