Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии многослойных конструкций воздушных судов

Размещено на http://allbest.ru/

Размещено на http://allbest.ru/

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

НК- неразрушающего контроля

ИАТА- Международная ассоциация воздушного транспорта

GFRP - Углепластик

ПМК - (полимерные матричные композиты)

NASA - Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства США

АКФ - Автокорреляционная функция

ОФ - Оптимальный фильтр

ЭЛТ - Электронно-лучевая трубка

ТО - Техническое обслуживание

ФМ - Фазоманипулированные

МСК- Метод свободных колебании

УЗК- Ультразвуковой контроль

УЗ- Ультразвука

EMAT- электромагнитные акустические преобразователи

ИК- инфракрасный



СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. МНОГОСЛОЙНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В АВИАЦИИ
• 2. ДЕФЕКТЫ, ВСТРЕЧАЮШИЕСЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
• 3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
• 3.1 Метод инфракрасный термографии
• 3.2 Акустические методы контроля многослойных конструкций
• 3.2.1 Импедансный метод
• 3.2.2 Метод свободных колебаний
• 3.2.3 Резонансный метод
• 3.2.4 Акустико-топографический метод
• 3.2.5 Велосиметрический метод
• 3.2.6 Метод прохождения (теневой)
• 3.2.7 Реверберационный метод
• 3.2.8 Эхо-импульсный метод
• 4. Проблемы, возникающие ПРИ Ультразвукавом эхо контроле многослойных композитных материалОВ
• 5. Совершенствование Ультразвуковой дефектоскопии с помощью фазоманипулирования сигнала
• 5.1 Простая математическая модель предлагаемого дефектоскопа
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


ВВЕДЕНИЕ

В течение последних 50 лет, можно заметить большое увеличение использования метода неразрушающего контроля (НК) на авиационной технике. Совершенствование электроники и компьютерной техники открывали дверь новым возможностям развития НК. В настоящее время метод НК - это важнейший способ продолжения летной годности летательных аппаратов. Надо заметить что, моделирование новой концепции технического обслуживания (ТО) по состоянию контролем параметров стало причиной увеличения доверия к персоналу, осуществляющему НК.

Потенциал резкого и рентабельного постоянного контроля на высоко площадных комплексных технических структурах, разрешающие быстрее и чаще контролировать с низкой себестоимостью, таким образом поддерживать надёжности и безопасности Авиационной техники.

Несколько главных методов НК используется в ТО гражданской авиации. Визуальный метод, капиллярный метод, ультразвуковой контроль, вихретоковой метод, магнитный метод, термография, Рентген. У каждого свои преимущества и недостатки. Данная дипломная работа сосредоточивается на совершенствовании ультразвукового (УЗ) метода НК.

Ультраакустика (или ультразвук) представляет собой область интенсивных научных и технологических исследований. Она экстенсивно применяется в научной и инженерной деятельности. Ультразвук, который по своей сути является механической волной, взаимодействует с веществами. Разнообразие типов волн, от продольных до поверхностных, позволяет использовать их во всевозможных аспектах. Прогресс в области сенсоров, электронного инструментария, компьютеров, улучшение знаний о физическом взаимодействии - все это способствовало совершенствованию экспериментальной ультраакустики. Последние разработки в науке и технологии ультразвука в сферах неразрушающего контроля (НК), медицины, подводной акустики, молекулярного взаимодействия действительно впечатляют и открывают большие возможности для новых применений.

В 1880-х годах братья Кюри открыли пьезоэлектричество. Гальтон (1883), изучая акустический спектр, обнаружил существование УЗ в сигнале свистка. Свисток Гальтона считается одним из первых ультразвуковых генераторов. После этого проводится ряд исследований в области генерирования и обнаружения ультразвука. В начале ХХ века некоторые значительные разработки, связанные с коммерциализацией ультразвуковой технологии, обрели твердую почву. Вид и Лумис впервые использовали ультразвук с коммерческой точки зрения в конце 1920-х годов для распыления жидкости, контроля затвердевания, жидкой эмульгации и взаимодействие с живыми тканями. Файрестон (1940) создал первый коммерческий инструмент для УЗ дефектоскопии. После 1950-х масштабные технологические в электронике и компьютерах дали дополнительные преимущества отрасли УЗ инструментария.

Во всех отраслях УЗ важную роль играют технология преобразователей и электронный инструментарий. Вначале были пьезоэлектрические кристаллические преобразователи, а сегодня существует бесконтактные электромагнитные акустические преобразователи (EMAT), лазерные преобразователи и преобразователи воздушно-акустической связью.

Композитные материалы играют важную роль в многослойных конструкциях в аэрокосмической промышленности, показывают большую перспективу конструктору для оптимизации конструкции и обладания высокого соотношения прочность/вес. Контролем композиционных структур были опробованы некоторые техники НК, что доказало полезность ультразвуковых методов.



1. МНОГОСЛОЙНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В АВИАЦИИ

После 1950-х годов, в авиации стали широко применяли многослойные конструкции из металлических и неметаллических материалов. Элементы неметаллические и комбинационные (металлы и неметаллы) структуры соединялись с использованием клея. Также элементы металлических структур соединялись, используя пайку или сварку. Кроме того склеенные и сварные элементы дополнительно закрепляется с использованием точечной сварки или заклёпок [10].

Под многослойными понимаются конструкции из металлических и неметаллических материалов, отдельные элементы которых соединяются между собой клеями, пайкой или иным способом. Основы типы таких конструкций представлены в табл. 1.

Таблица 1 Основные типы многослойных конструкций [10]

№ схемы	Схема	Материал элементов	Вид соединения
1		1-Металл или армированный пластик; 2-Металл или пластик	Клеевое или паяное
2		1,3- металл или армированный пластик; 2- соты из металлической фольги или неметаллической (стекло-пластик, бумага) ленты	Клеевое или паяное
\3		1,3,5- Армированный пластик; 2,4- соты из армированного пластика	Клеевое
4		1,3- Металл или армированный пластик; 2-пенопласт	Клеевое
5		1-Пластик армированный или неармированный; 2-Металл;	Клеевое
6		1,2,3- Пластик армированный или неармированный	Клеевое
7		1,2- металл или пластик	Клеевое
8		Армированный слоистый пластик (стеклотекстолит и т.п.)	Слои материала, соединение связующим веществом

В XX веке в авиационных конструкциях в основном применяли высокопрочные алюминиевые, магниевые и титановые сплавы. При выборе материала учитываются его механические свойства (придел прочности , текучести , сопротивления усталости при различных циклах изменения напряжений, модуль упругости Е, износостойкость, вязкость и др.), теплофизические и химические свойства ( коэффициент линейного расширения , теплопроводность , коррозионная стойкость и др.), плотность , стоимость и дефицитность сырья, степень освоения в производстве, технологические свойства ( пластичность, свариваемость, линейные качества), определяющие возможность применения наиболее производительных производственных процессов [13].

Таблица 2 Сравнительные характеристики материалов, применяемых в авиационных конструкциях [13]

Материал	,	,МПа	,ГПа
Алюминиевые сплавы: Деформируемые Литейные	2,7 2,7	400…550 200…500	72 72
Магниевые сплавы: Деформируемые Литейные	1,8 1,8	200…340 200…270	45 45
Титановые сплавы: Деформируемые Литейные	4,5 4,5	500…1300 630…860	120 120
Стали: Углеродистые Легированные Высокопрочные	7,8 7,8 7,8	420…650 800…1600 1600…2400	210 210 210
Композитные материалы	1,4…2,6	500…1300	35…250

При выборе материала для элементов конструкции учитываются также их формы и размеры, величина и характер нагрузки (постоянная, ударная, циклическая), тепловое нагружение, наличие в элементах конструкции отверстий, перепадов сечений и других концентраторов напряжений. Однако наибольшее внимание при выборе материала уделяется удовлетворению требования обеспечения необходимых прочности и жесткости конструкции при наименьшей массе [22].

В настоящие время в многослойных конструкциях чаще используются композитные материалы. Они очень популярны в авиационной промышленности благодаря высокой прочности и легкому весу.

Композит в самой простой форме представляет собой материал, составленный как минимум из двух элементов, которые при соединении друг с другом обладают характеристиками, не присущими им по отдельности. На практике большинство композитов состоят из основного материала (матрицы) и некоторого упрочнителя, добавляемого в первую очередь для увеличения прочности и жесткости матрицы. Как правило, упрочняющий материал представлен в виде волокон. В настоящее время наиболее распространенные композиты можно разделить на три группы. Самыми популярными являются полимерные матричные композиты (ПМК) [23].

Рис.1. Структура композитного материала

Армированные полимеры или полимерные матричные композиты (ПМК) представляет собой полимерные основание (матрица) которые состоит из тонкое армированное (усиленное) высоконапряженное волокно. Волокно может быт стекло, углеродное, борное, керамическое или органический пластик. Волокно обеспечивает материала прочность и жёсткость. Матрица содержит материалы на одной структуры. Перемещая направление армированных волокон, можно усилить прочность в необходимом направлении [23]. Когда больше одного вида волокна для армирования, композиты называется гибрид (hybrid) [26]. В авиации, ПМК заменяли традиционные алюминиевые сплавы, что позволяло создать легкие и прочные конструкции. На военной авиации применение ПМК значительно выше. Первый значительный применение композитный материалов в гражданской авиации была в Европе, В 1983 фирма аэробус представляли композитный руль направления на А300. Следовательно, вертикальный стабилизатор А310 в 1985.

ПМК широко применяется в авиации. Узлы на силовой установке, обтекатели антенны. Вертикальные и горизонтальные стабилизаторы, сотовые панели и многие других (Рис.2 А-320) [23].

В А-320 применяется 12,5% РМС от веса самолета (60,5% понижение алюминиевые сплавы; 7,2% титановые сплавы и 5,5% других материалы) [20].

Airbus применяли композитные материалы на весь хвостового оперения А-320. Кроме того, композиты применяли на фюзеляже как обшивки, обтекатели. Неподвижные съёмные панели на передней/задней кромке крыла и дефлекторы, закрылки, интерцепторы, элероны, дверей/капоты колеса передней и главные опоры, гондолы, интерьеры и углеродный тормоз. Пеналы для полу тоже создано с ПМК армированный c стекловолокном. Смотр. Рис. 2.

Композитные структура крыла особенно привлекательно из за высокая прочность и жёсткость, и низкая плотность позволяет производить длинные, тонкие (относительное удлинение) крыла которая невозможно производить используя монолитные материалы.

композитный аэрокосмический ультразвуковой дефектоскопия

Рис. 2. Композитные материалы на А-320 [20]

Металлический вертикальный стабилизатор состоял из более 2000 компонентов, не считая деталей крепления. А композитный вертикальный стабилизатор имели менее 100 компонентов. Сравнением с металлическим, композитный стабилизатор не только был более легкий но и понижал стоимость сборки [23]

Эксплуатационная эффективность и экономичность с удобства пассажиров важно в гражданской ВС. Уменьшение вес планера экономит топливо, поэтому понижает себестоимость эксплуатации в авиакомпании. Некоторых разработки NASA доказывали понижение себестоимости применением ПМК с углеродного волокна[23]. Применение композитных материалов на А-380 позволялось экономит 17% топлива[28].

По словам генерального директора КАПО им.Горбунова Василия Каюмова, в авиалайнере Ту-214, производящемся в Казани, композитные материалы составляют около 25% всей конструкции, в то время как новейший Boeing-787 Dreamliner на 60% состоит из композитов [25].

Рис. 3. Композитные материалы, применяемые в конструкции самолёта Боинг 787 [ 25]

Очевидно что с увеличением использования многослойнных композитов увеличивается борьба их диагностирование. Соотвественно требуется свершенствование методы диагностики. Для этого требуется изучить своиства материалы и возможные дефекты.



2. ДЕФЕКТЫ, ВСТРЕЧАЮШИЕСЯ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Дефекты на многослойных конструкции можно разделить на, внутренние ПМК дефекты, и дефекты на соединениях [24].

Внутренние ПМК дефекты. К внутренним дефектам относятся:

1. Отслоение;

2. Трещина;

3. Повреждение при ударной нагрузке, представляющие многократные отслоении и трещины на месте повреждение;

4. Пористость;

5. Зоны с увеличенным или уменьшенным обметкой.

6. Отклонения от оптимального значения обмотка полимеризация.

7. Отклонение конфигурация армирование от нормы;

Дефекты на соединениях. В авиации широко применяется многослойных конструкции которые соединенных склеиванием. Качества таких соединениях (прочность, жесткость, противодействие на внешних ударов и т.д.) определяется свойства клейки и используемые технологии. Дефекты на клеевых соединениях;

1. Нарушение сцепления (disbonding)

Обычно такие дефекты бывает из за газовых зазоров. Причины появления таких дефектов, это, несоответствие элементы соединение бывших нарушения сцепления или недостаточные давление технологических оснастки на изготовление.

2. Плохое сцепление

слабое сцепление клея с материалом. Это понижает прочность клееная место соединения. Причина плохого сцепления, это некачественное изготовление поверхности элементы соединения и особенно при попадании масло и другие загрязнение на них.

3. Незаконченный полимеризация клея

Из-за недостаточной температуры и/или не достаточное время твердения.

4. Некачественный клей.

Когда клей не соответствует с нормативной документации. Конструкции с такими соединениями не обеспечивает необходимые прочности соединении.

5. Пористость ослабляет прочность соединения.

Причины пористость: незавершённое удаление раствора от клея, недостаточные давление во время запрессовки, использование не качественное клей.

6. Отклонение толщина келейная слоя от нормы,

понижает прочность. Оптимальная прочность и толщина определённо для каждого типа клея.

7. Усталостные разрушение клееного соединения, в результате попадания посторонних предметов. (грады, птицы и т.д.)

В общем, опыт эксплуатации с многослойными конструкциями показывает, что повреждении происходят из-за дискретные источники как удар молнии и человеческий фактор, чем усталостные повреждение(Blohm, 1994). Статистика ИАТА (табл. 3) показано итоговые причины повреждении на композитных конструкциях. (Кроме повреждении во время обслуживание на земле (ground handling))

Таблица 3 Чаше встречающие причины повреждения авиационных композитных материалов (ИАТА 1991) [24]

Причина неисправности	Встречаемые случи на %
Нападение Влаги и химические жидкости	30
Нагрева, усталость, изнашивание, эрозия	11
Попадание птицы, градобитие	8
Попадание посторонних предметы на ВПП	8
удар молнии	7



Типы повреждения на композитных материалах:

- нарушение сцепления или отслоение (45%);

- отверстия или пробоины (35%);

- трещины (10%);

- другие повреждения (10%).

Техническое обслуживание особенно затруднено, когда происходит воздействие воды или других жидкости на сотовые панели. Это вызывает коррозию, которая нарушает распределение действующей нагрузки, а затем приводит к снижению прочности. Причины повреждения композитов на разных частях самолета приведены на табл. 4.

Таблица 4 Причины повреждения композитов на разных частях самолета; Blohm (1994) [24]

Причины повреждения (на полете)	Бракованная деталь
Градобитие	Обтекатели, входные устройства двигателя, Верхний част крыла, Киль, Управление.
Попадание птицы	Входные устройства двигателя, Обтекатели.
Разрушение двигателя	Капот двигателя, Фюзеляж, нижняя часть крыла.
Отделение частей сепаратора пневматики (Tire protector separation)	Закрылки, обтекатели на нижней корневой части крыла, Капот шасси
Причины повреждения (на земле)	Бракованная деталь
Градобитие	Все горизонтальные поверхности (обшивки крыла, управление, верхние части капота двигателя)
Оснастки обслуживания на земле	Капот двигателя, корневой части крыла, Капот шасси.
Неправильное обслуживание	Капот двигателя, дверца для обслуживания
Перегрузка из-за отказа гидросистемы управления	Управление, Интерцепторы, реверс.
Транспортировка	Все заменяемые детали.
Мольные удары	Обтекатели корневой и концевой части крыла (элероны, руль направление, руль высоты) Капот двигателя
Перегрев	Капот двигателя, Капот шасси
Эрозия	Обтекатели, входные устройства двигателя
Химическое загрязнение утечка Skydrol	Капот двигателя , Управление, интерцепторы
Раствор для удаления краски	Все покрашенные детали.
Коррозия	Все алюминиевые соты с композитным армированием.



На многослойных конструкциях, не как металлические конструкции, необходимо выявлять мелкие дефекты. Дефекты обычно поступается с одного до нескольких квадратных сантиметров.

В зависимости от направления армирующих волокон, получены однонаправленный, продольный поперечный, косой пересекающие структуры и другие структуры ПМК. С однонаправленной армирование, модуль Юнга определяется его прочности. Скорости звука максимальна в направлении армирование и минимальна в направлении нормали к ней, потому что они определяются в основном параметрами полимерной матрице.

С продольной поперечной арматуры (например, с GFRP утка и основы расположены взаимно перпендикулярны), скорость звука максимальна в направлении утка и минимально в 45⁰ направлении к ним. Таким образом, для GFRP одного из типов, скорости продольной волны на сумму 4497; 4110 и 3710м/с, соответственно [21]. В направлении нормали к плоскости листа, модуль Юнга и эта скорость гораздо меньше

При любом расположении армирующих волокон в плоскости листа, модуль Юнга в направлении нормального этой плоскости и определение важность гибкости сухого контакта. Где точки меньше, чем любые направления в плоскости, следовательно, в тестировании многослойных конструкциях с наружным слоем в ПМК, значения контакт гибкость превышает те в случае испытания контролируемого объекта с металлической обшивкой. Это снижает передачи колебания корыта зоне контакта и уменьшает колебание передачи корыта зоне контакта и уменьшает длину воздействия возбуждении импульсами с соответствующим сужением их спектра. Большие значения контактные гибкость отрицательно влияет на импедансных дефектоскопов.

Высокое поглощение ультразвуковых волн в полимерной матрице и неоднородность структуры ПМК обусловлено хорошо заметная разница волнового сопротивления материалов армирующих волокон и матрицы являются причиной высокого затухания (поглощения и рассеяния) волн всех типов особенно на высоких частотах. Отсюда вытекает сложность применения традиционных методов ультразвуковые диагностики.

Рассмотрим традиционные методы, использующие дефектоскопии многослойных конструкции.



3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Как рассмотрено на втором разделе, характерными дефектами многослойных конструкций являются нарушение или ослабления соединений между элементами, а также дефекты (особенно расслоения) в неметаллических слоях. Особенности этих конструкций ограничивают использование традиционных методов неразрушающего контроля.

3.1 Метод инфракрасный термографии

В последние годы методы ИК-термографии рассматриваются как одно из перспективных направлений в технике неразрушающих испытаний изделий, в том числе и конструкций из композиционных материалов [32]. Практическое применение методов ИК-термографии в ряде случае затруднено и связано с необходимостью использования опытных специалистов для интерпретации результатов контроля и их анализа. В ряде работ рассмотрена возможность передачи функций анализа температурной информации и автоматизированного обнаружения дефектов, используя достаточно сложные алгоритмы теории распознавания образов [33].

Для выявления признаков наличия дефекта методом ИК-термографии необходимо выяснить может ли временное изменение температуры быть описано одномерным приближением для однородной среды или нет. Это позволяет провести упрощенный анализ и выявить признаки наличия дефектов по кривой изменения температур. Кривая временного изменения температуры при наличии дефектов типа включений или расслоений с воздушными промежутками располагается выше кривой охлаждения изделия без дефектов [34].



Рис.4. Кривые охлаждения в зонах бездефектного (2) и дефектных (1,3) участков [32]

Термограммы процесса остывания объекта получены в режиме отрицательного теплового воздействия (остывания предварительно равномерно нагретого фрагмента объекта в свободной атмосфере). Подобное тепловое воздействие наиболее близко моделирует тепловой переходный процесс в технологическом процессе изготовления изделий. Характерные термограммы процесса свободного остывания фрагмента изделия из углестеклопластика приведены на рис. 5-а, а из стеклопластика - на рис. 5-б.

Рис.5-а. Термограммы фрагмента конструкции из углестеклопластика. Область выявленного расслоения показана стрелкой [32]

Рис.5-б. Термограммы процесса остывания изделия из стеклопластика. Области выявленных расслоений показаны стрелками [32]



К достоинствам описанного подхода следует отнести возможность осуществления оперативного контроля состояния протяженных поверхностей в ходе технологического процесса в тех случаях, когда имеют место переходные тепловые режимы.

Наряду с описанными преимуществами термографический метод контроля не свободен от недостатков, главным из которых является требование обеспечения оптического доступа к поверхности объекта, а также обеспечение однородности излучательных свойств и начальной температуры контролируемой поверхности. В ряде случаев отмеченные особенности можно преодолеть путем применения дифференциального анализа термограмм, а также применения дублирующих методов контроля, например, ультразвукового метода.

Дефектоскоп: Тепловизор серии ТН-9100 фирмы NEC (Япония).

3.2 Акустические методы контроля многослойных конструкций

В настоящие время, самые распространенные методы выявления дефектов многослойных конструкции являются акустическими. Акустика (от греч. бкпэщ (акумо) - слышу) - это наука о звуке. Звуковые волны классифицирует в соответствии с их частотой, как показано на таблице 5.

Таблица 5 Механический волновой спектр [36]

Частота (Гц)	Назначение спектрального диапазона	Длина волны (см)
	Инфразвук	3Ч104
2Ч101	Аудио (слышимый)	3Ч102
2Ч104
2Ч107	Ультразвуковой	3Ч100
		3Ч10-2
2Ч109	Гиперзвуковой	3Ч10-4
2Ч1011		3Ч10-6
2Ч1013	Вибрация кристаллической решетки	3Ч10-8 3Ч10-10

Звуковые волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком. Волны, обладающие частотой от 20Гц до 20кГц,- это слышимый звук.

Звуковые волны с частотой, превышающей 20кГц, называются ультразвуком, С частотой превышающей 10мГц- гиперзвуком. Слабоинтенсивные ультразвуковые волны, имеют интенсивность от 10^-14 Вт/м² до 10³ Вт/м² и широко применяются уже более 50 лет [36].

Ультразвуковые волны представляет собой подвид звуковых волн, следовательно, они наделены всеми характеристическими параметрами, присущими звуковым волнам. По сути, ультразвуковые волны - это механические колебания с различными длинами волн, распространяющиеся в среде. Изменение длины ультразвуковых волн в различных средах обусловлено упругими свойствами последних и характером вынужденных колебании частиц среды.

Ультразвуковые волны классифицируют по четырем различным категориям в соответствии с механизмом колебания частицы в среде и с учетом направление распространения первичной волны.

1) Продольные, или волны сжатия;

2) Поперечные, или волны сдвига;

3) Поверхностные, или волны Рэлея;

4) Волны в пластинах, или волны Лэмба.

Характеристические свойства УЗ волн [36]

1. Скорость распространения волны завысит от природы вещества.

Скорость продольной волны = ; (1)

Скорость поперечной волны = ; (2)

Скорость поверхностной волны = 0,9 ; (3)

где, = плотность материала,

= коэффициент пуассона,

Y = модуль Юнга материала.

2. Волновое сопротивление (характеристический импеданс) Z- это сопротивление распространению УЗ волны в веществе.

; (4)

где, - плотность вещества; U- Скорость УЗ.

3. Интенсивность звука (I) и звуковое давление (P) (Вт/м²)

; (5)

; (6)

где = амплитуда колебаний частиц.

Поведение УЗ волн

Отражение

Подобно звуку и свету, УЗ волны демонстрируют такие явления, как отражение, рефракция и дифракция.

Рис. 6. Отражение и прохождение УЗ волн на границе двух сред [36]



Рис.7. Отражение УЗ волн. Поверхность - граница плексиглас/сталь [14]

Коэффициент отражения, , (7)

Коэффициент прохождения, (8)

Затухание: Это показатель уменьшение энергии УЗ волны при ее распространения в среде. Для определение уровня затухания замеряют изменения интенсивности в децибелах (дБ) [36].

Коэффициент затухания, (9)

где d= толщина среды, А= Амплитуда УЗ волны, = Амплитуда когда t=0

При распространении УЗ волны в среде интенсивность, получаемая на другом конце среды, меньше интенсивности вблизи от источника. Акустическая мощность пропорциональна квадрату амплитуды или давления. Дифракция, рассеяние и поглощение распространяющейся волны - все это приводит к потере интенсивности. Кроме того, есть еще ряд составляющих, которые обусловливают подобные потери: прослойка, шероховатость поверхности, дивергенция луча, объектная геометрия, взаимозависимость инструментария и т.д.

Рис.8. Схемы основных акустических методов контроля [31]

Основные Акустические методы использующие в авиации, являются импедансный метод (рис.8 г), Метод свободных колебаний (рис.8 д), Резонансный метод (рис.8 в), Акустико-топографический метод, Велосиметрический метод, Метод Прохождение (Теневой) (рис. 8 а), Эхо Импульсный Метод (рис.8 б), Реверберационный Метод.

3.2.1 Импедансный метод

Этот метод использует влияние дефекта на механический импеданс называется комплексное отношение силы , действующей на поверхности (или в точке) механической системы, к средней колебательной скорости на этой поверхности (или в точке) в направлении силы. Механический импеданс () представляется в виде.

; (10 )

где - активная, - реактивная составляющие; ;

- модуль или в виде , где .

Инерционную реактивную составляющую считают положительной, упругую - отрицательной.

В отличие от характеристического импеданса , характеризующего среду, в которой распространяются упругие волны, механический импеданс является параметром конструкции.

В контролируемых изделиях возбуждают изгибные колебания звуковых и низких (до 40 кГц) ультразвуковых или продольные колебания ультразвуковых частот. Применяется как непрерывное, так и импульсное излучение. сухого точечного контакта: Импедансный метод не требует соединяющих жидкостей (coupling liquid). Поэтому метод удобен для использования.

Контактная поверхность преобразователя обычно имеет форму сферы с радиусом кривизны R₁ = 3 … 20 мм. Преобразователь прижимается к изделию с полной силой F₀. В зоне контакта действует также переменная сила, обусловленная колебаниями преобразователя (излучение) или изделия (прием), Передаваемые через зону контакту упругие колебание могут быть непрерывными или импульсными. Для приемных преобразователей условие F_m<<F₀ (F_m - амплитуда переменной составляющей силы) выполняется всегда, для излучающих в некоторых случаях.

Для колебаний звуковых и низких ультразвуковых частот зона контакта представляет собой механический импеданс

; (11)

где контактная гибкость. flexibility

Импеданс соединен цепочкой с механическим импедансом контролируемого изделия, что соответствует параллельному соединению и на эквивалентной схем. Общий механический импеданс нагрузки преобразователя с сухим точечным контактом.

; (12)

С увеличением значение уменьшается, уменьшая величине на величину и передачу колебаний между преобразователем и контролируемым объектом. Поэтому сухого точечного контакта ограничено областью частот до 100 кГц.

Преобразователи импедансный дефектоскопов: Узлом дефектоскопа, преобразующим изменения механического импеданса контролируемого объекта в соответствующие изменения электрического сигнала, служит преобразователь. В дефектоскопах, использующих изгибные колебания, применяют совмещенные и раздельно-совмещенные преобразователи с сухим точечным контактом, а также бесконтактные преобразователи.

Дефектоскопы: IAD-3(VIAM-1968), AFD(Inspection instruments, Great Britain), AD-40I, AD-42I (MSIA “Spectrum”), DI-91(ACS-Russia), ISONIC-MIAMAP(Concord- British Airways), DAMI-S (VOTUM-Moldovia), BondMaster (Staveley, USA), ID-91M (AKA-CONTROL LTD-Russia).

Методика контроля: При контроле вручную оператор перемещает преобразователь по контролируемому изделию со скоростью 1 … 15 м/мин. Большие значения скоростей соответствуют изделиям с гладкими поверхностями. Шаг сканирование составляет 60 … 80% от минимальной протяженности допустимого дефекта. Контуры выявленных дефектов отмечают на поверхности изделия по показаниям дефектоскопа

Рис.9. Изменение амплитуды сигнала на выходе преобразователя при контроле сотовой панели [35] : - максимальный и минимальный уровни сигнала в доброкачественной зоне изделия



Возможности и особенности метода: Импедансный метод особенно в России применяется для выявления дефектов сотовых конструкций и тонких ПМК.

Чувствительность метода зависит от параметров контролируемого изделия. С уменьшением толщины обшивки и увеличением жесткости и массы внутреннего элемента на единицу поверхности изделия чувствительность возрастает. В благоприятных условиях совмещенным преобразователем выявляют дефекты диаметром 3 … 5 мм. В случае жесткого внутреннего элемента (например, толстого металлического лонжерона) предельная толщина обшивок наибольшая. Для конструкций с внутренними элементами небольшой жесткости или выполненными из легких материалов с малыми модулями упругости (пенопласт и т.п.) предельная толщина обшивок уменьшается.

Их недостатки: большая площадь контакта с контролируемым объектом, затрудняющая контроль изделий с криволинейными поверхностями, Относительно малое значение (глубина), мелкие дефекты не обнаруживаются.

3.2.2 Метод свободных колебаний

Метод свободных колебании (МСК) основан на ударном возбуждении в контролируемом изделии свободно затухающих упругих колебаний и регистрации изменения их спектров. В отличие от интегрального МСК, в котором используют колебания изделия как единого целого, здесь рассматривается локальный вариант метода, основанный на возбуждении изгибных колебаний в части изделия и регистрации изменений спектров в местах расположения дефектов.

Простейший вариант МСК- простукивание изделия с регистрацией изменений характера звука на слух.

Недостатки простукивания (субъективность оценки результатов контроля и невысокая чувствительность) устраняются применением аппаратуры (МСК дефектоскопов) для анализа спектров и оценки их изменений. В изделиях ударно возбуждают изгибные упругие колебания, а получаемые акустические импульсы преобразуют в электрические сигналы и обрабатывают а электронном блоке. Колебания обычно возбуждают электромагнитными вибраторами, принимают- микрофонами или пьезоприемниками. В зоне дефекта спектр ударно возбуждаемого импульса меняется в результате изменения модулей механических импедансов для соответствующих спектра. Это меняет колебательные скорости данных составляющих с собственными частотами отделенных дефектами слоев. Диапазон рабочих частот определяется в основном параметрами ударного вибратора, свойствами контролируемого объекта и амплитудно-частотной характеристикой приемника упругих колебаний. Обычно его выбирают в приделах 0,3…20 кГц. В дефектоскопе АД-64М, построенном по МСК, анализ спектра выполняется с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Дефектоскопы АД-64М используют для контроля изделий из неметаллических материалов, в том числе с низкими модулями упругости и большим затуханием упругих колебаний: стеклопластиковых лопастей воздушных винтов с пенопластовым заполнителем, неметаллических покрытий на силовых каркасах и т.п.

Возможности и особенности метода: Контроль ведут при одностороннем доступе без смачивания изделий. Придельная глубина залегания выявляемых дефектов в пластинках 30 мм. Минимальная площадь обнаруживаемого дефекта зависит от глубины залегания и составляет 1…15 : с увеличением чувствительность падает.

3.2.3 Резонансный метод

Состояние резонанса существует, когда толщина материала равна половине длинны звуковой волны в материале или кратна ей. Контролировать длину волны в материале можно с помощью контроля частоты. Если имеется передатчик изменяемой частотой, его можно настроит так, чтобы вызвать резонансное состояние для толщины контролируемого образца. Диапазон рабочих частот лежит обычно в приделах от 30 до 550 кГц. Данное состояние можно легко распознать по увеличению амплитуды принятых импульсов. Зная основную (собственную) резонансную частоту и скорости ультразвука в образце, можно рассчитать толщину образца.

(13)

Поскольку распознать режим основных колебаний достаточно сложно, основные частоты получается из разностей двух соседних гармоник, которые изображаются в виде двух соседствующих пиков в амплитуде импульса.

Достоверность оценки прочности склеивания резонансным методом в значительной мере определяется свойствами клея и технологией склеивания. В частности, адгезионная прочность клея должна превышать когезионную. При использовании первого режима контроля условием получения удовлетворительных результатов является постоянство массы клея на единицу поверхности.

Рис. 10. Спектр, полученный на установке УД4-Т [41]

Метод используется для контроля клееных, клеесварных конструкций, в которых выявляются лишь непроклеи.

Недостатки метода: необходимость смачивания контролируемых изделий и трудность проверки конструкций с криволинейными поверхностями.

Дефектоскопы: УД4-Т "ТОМОГРАФИК", AД-50U, AД-60S, АД-64М.



3.2.4 Акустико-топографический метод

Метод основан на возбуждении в контролируемом изделии мощных упругих колебаний широкого диапазона частот и регистрации увеличения амплитуд колебаний отделенных дефектами участков вследствие их резонансов на собственных частотах. Индикатором служит тонкодисперсный порошок (ликоподий). К изделию прижимают излучатель упругих колебаний изменяющейся частоты. При совпадение излучаемой частоты с собственной частотой отделенного дефектом участка амплитуда колебаний посредственно резко возрастает и частицы порошка смещаются в зоны с меньшим амплитудами, группируясь вокруг дефекта и образуя видимое его изображение.

Аппаратура: Контроль проводят на установке, состоящей из генератора касающейся частоты мощностью 0,4кВт, блока управления и пьезоэлектрического или магнитострикционного излучателя, прижимаемого к контролируемому изделию специальным устройством. Излучатель снабжен концентратором, имеющим сферическую поверхность контакта с изделием. Диапазон рабочих частот 18 … 200 кГц. Время контроля одного изделия 20 … 40 с.

Возможности и особенности метода. Метод пригоден для контроля изделий широкой номенклатуры независимо от способа соединения слоев (пайка, термодиффузионное сцепление, склеивание на сотовых конструкциях). Контроль изделий с малым коэффициентом затухания УЗК проводится обычно при одном положении излучателя относительно контролируемой конструкции. При проверке изделий с большим коэффициентом затухания (содержащих неметаллические слои) изделие последовательно возбуждают в нескольких точках. Отсутствие необходимости в сканировании обслуживает высокую производительность метода.

Благодаря отсутствию мертвой зоны можно обнаруживать дефекты вблизи поверхности.

При контроле изделий с периодической структурой внутреннего элемента это структура становится видимой. Порошок удерживается на наклеенных поверхностях, поэтому возможен контроль изделий с криволинейными поверхностями. Условием выявления дефекта является наличие резонанса отдельного им участка в диапазоне частот генератора. С увеличением глубины залегания дефекта чувствительность падает. Предельная глубина залегания дефекта 5 мм.

3.2.5 Велосиметрический метод

Велосиметрический метод использует влияние дефектов на скорость распространение упругих волн в изделии и длину пути волн между излучателем и приемником упругих колебаний. В контролируемом изделии возбуждают непрерывные или импульсные низкочастотные УЗК. Дефекты регистрируют по изменению сдвига фазы принятого сигнала или времени распространение волны на участке между излучающим и приемным вибраторами дефектоскопа. Эти параметры не зависят от силы прижатия преобразователя к изделию, состояния акустического контакта и других факторов, поэтому метод отличается повышенной стабильностью показаний.

В первом варианте преобразователь содержит расположенные в общем корпусе излучающий и приемный вибраторы с фиксированным расстоянием между осями (Рис.11)

Рис. 11. Односторонний доступ [35]

Во втором варианте излучатель И и приемник П упругих волн по располагаются соосно по разные стороны от контролируемого изделия ( рис.12). при отсутствии дефекта (расслоения, нарушения соединения между элементами конструкции) непрерывные упругие колебания проходят через изделие в виде продольной волны L.

Третий вариант (импульсный фазовый метод) отличается от первого тем, что вместо непрерывного излучения в нем используется импульсное. Изменение фазовой скорости упругих волн над дефектами регистрируется по смещению нулей импульса, принятого приемным вибратором (Рис.9).

Четвертый вариант использует импульсное излучение, дефект регистрируется по смещению нулей импульса, но вибраторы располагаются по разные стороны от изделия (Рис. 12)

Пятый вариант (временной метод) отличается от второго использованием импульсного излучения. (рис. 12)

Рис.12. Двухсторонний доступ [35]

Шестой вариант использует амплитудно-фазовую обработку сигнала. Вибраторы преобразователя располагаются по одну сторону от контролируемого объекта.

Преобразователи. Для излучения и приема упругих колебаний в преобразователях применяют составные пьезовибраторы работающие на собственных частотах. Используют продольный и поперечные пьезоэффекты.

Дефектоскопы: UVFD-1 (Россия-1962- первый и третий варианты), AD-10U (Россия), Sondicator S2B (Sperry, USA) , MIZ-21Sra (Zetec, USA), BondMaster (Staveley, USA).

Методика контроля изделий с односторонним доступом (первый, третий и шестой варианты) такая же, как и при импедансном методе.

При контроле изделий с двусторонним доступом (второй, четвертый и пятый варианты) применяемые приспособления для сканирование должны обеспечивать сносность излучающего и приемного преобразователей с точностью не ниже 2… 3 мм и перпендикулярность осей преобразователей к поверхности с отклонением не более .

Возможности и особенности метода. Односторонним вариантам метода (первому, третьему и шестому) свойственна мертвая зона, прилагающая к поверхности, противоположной поверхности ввода упругих колебаний. Она составляет 20… 40% от толщины изделия. Двухсторонние варианты (второй, четвертой и пятый) не имеют мертвой зоны и позволяют выявлять дефекты во всех сечениях изделия.

Односторонним вариантам метода присущи интерференционные помехи, затрудняющие контроль небольших (менее мм) изделий и конструкций, не содержащих сильно-поглощающих упругие колебания неметаллических слоев. Интерференционные помехи- наибольшие в первом варианте, когда используются непрерывные колебания. В этом случае краевая мертвая зона составляет 20 … 50 мм. Двусторонние варианты метода меньше подвержены влиянию интерференционных помех.

3.2.6 Метод прохождения (теневой)

Этим методом выявляют дефекты (преимущественно расслоения и непроклеи) в многослойных конструкциях из металлических и неметаллических материалов с различным сочетанием слоев, а также узлы их ПМК. Метод не имеет миртовой зоны и позволяет за один проход обнаруживать дефекты во всех слоях изделия. Применяют все способы акустического контакта. Для ручного и механизированного контроля часто используют катящиеся преобразователи с сухим контактом через шины из мягкого пластика. При контроле изделий переменной толщины из материалов с большими коэффициентами затухания применяют устройства для автоматического регулирования усиления, позволяющие компенсировать ослабление вследствие затухания.

Сотовые панели и изделия из ПМК контролируют также бесконтактным теневым способом с применением пьезоэлектрических преобразователей с воздушной связью и рабочими частотами 40 … 400 кГц. Ввиду малости волнового сопротивление воздуха по сравнению с модулями акустических импедансов обоих пьезоэлементов и объекта контроля коэффициенты прохождения на всех четырех границах раздела с раздела с воздухом близки к нулю. Поэтому амплитуда сквозного сигнала очень мала. Для ее повышения увеличивают напряжение возбуждения излучающего пьезоэлемента, применяют усилители с малым уровнем шумов, используют согласование акустических импедансов пьезоэлементов с воздухом и электрических импедансов пьезоэлементов с соответствующими импедансами электронного блока.

Повышение чувствительности достигается применением фокусирующих преобразователей. Для работы на частотах не более 50 … 70 кГц иногда используют изгибно-колеблющиеся биморфные преобразователи и электростатические приемники микрофонного типа, не требующие согласования с волновым сопротивлением воздуха.

Для контроля блоков из пенопласта с плотностью 100 использован амплитудно-временной метод прохождения. Информативными параметрами служат амплитуда и время задержки сквозного сигнала. Метод реализован в установке с 11 парами катящихся преобразователей с сухим контактом, работающих на частоте 50 кГц. Разработан способ оценки глубины залегания дефектов в этих материалах и даже их физико-механических свойств. Теневым методом контролируют авиационных колес.

Как правило, контроль проводят на специализированных установках с автоматическим сканированием и записью результатов.

В последнее время для неразрушающего контроля эхо- и теневым методом наличии использовать бесконтактное излучение УЗК с помощью лазера и прием УЗК оптическим интерферометром.

Дефектоскопы: UK-22KB, UD2-16 (Для ПМК 10…20мм) , 4 канальный SARA 10.

3.2.7 Реверберационный метод

Этот метод, называемый также методом многократных отражений, является разно водностью эхо-метода. Он основан на явлении реверберации (многократного отражения) упругих волн в слоях с относительно небольшими коэффициентами затухания УЗК (обычно в металлах). При контроле конструкций типа металл- пластик применяют два варианта метода.

В первом варианте импульсы УЗК вводятся в металлический слой в котором наблюдаются многократно отраженные эхо-сигналы.

Рис. 13. Схема контроля конструкции металл-пластик реверберационным методом [35] : - со стороны металла; - со стороны пластика; 1-преобразователь дефектоскопа; 2- металлический слой; 3- пластик; 4- клеевой шов

Дефект соединения увеличивает коэффициента отражения УЗК на границе раздела металл- пластик, в результате чего уменьшается скорость затухания эхо-сигналов (увеличивается время реверберации) в слое металла.

Во втором варианте УЗК вводятся в слой пластика (рис.13 б). В зоне доброкачественного склеивания УЗК переходят из пластика в металл и, многократно отражаясь в последнем, дают наблюдаемую на экране серию затухающих импульсов. Дефект соединения (непроклей) препятствует прохождению УЗК в металлический слой, и реверберация в нем отсутствует.

При вводе УЗК со стороны металла выявляемость дефектов улучшается с увеличением коэффициента отражения от поверхности УЗК и уменьшением коэффициента отражения от внутренней границы металла. Значение можно увеличить применением преобразователя с полуволновым пьезоэлементом без демпфера, входной импеданс которого на резонансной частоте .

Аппаратура. Применяют стандартные и специализированные эходефектоскопы. Для работы реверберационным методом часто используют прямые совмещенные преобразователи с недемпфированными пьезоэлементами.

Возможности и особенности метода. Контроль проводят при одностороннем доступе. Частоту выбирают так, чтобы толщина металлического слоя составляла не менее половины длинны волны. Поэтому с уменьшением частоту повышают (до 20 … 25 МГц). Наиболее удобны для контроля конструкции с металлическими слоями толщиной более 1,5 мм. Как правило, выявляют лишь зоны нарушения соединений между слоями. С уменьшением характеристического импеданса неметаллического слоя возможности метода ухудшаются. Если неметаллический слой слабо влияет на коэффициент отражения , который определяется в основном значение клеевой пленки. В этом случае обнаруживаются только зоны отсутствия адгезии клея к металлу. Обычно этим методом выявляют дефекты площадью более 0,5 см². Чувствительность может быть повышена применением фокусирующих преобразователей. Контроль со стороны пластика возможен лишь при относительно небольшом коэффициенте затухания УЗК в пластике, когда обеспечивается прием многократных эхо-сигналов в слое металла.

Методика контроля сводится к сканированию преобразователем поверхности контролируемого изделия. При контроле вручную изменение скорости затухания эхо сигналов оценивают визуально по изображению на экране ЭЛТ либо регистрируют с помощью автоматического сигнализатора дефектов

3.2.8 Эхо-импульсный метод

Как видно, существует огромное количество методов ультразвуковой дефектоскопии, но один из наиболее распространённых методов является эхо-импульстный метод ультразвукового неразрушающего контроля. Это объясняется тем, что этот метод - в отличии от других - применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты, характер.

В эхо-импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии (УЗД) используются те же принципы, что и в радио - и акустической локации.

Современный эхо-метод УЗД основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов упругих колебаний (длительностью 0,5 - 10 мксек) и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов отражателей.

К основным характеристикам метода относятся: чувствительность, максимальная глубина прозвучивания, минимальная глубина ("мертвая" зона), разрешающая способность, точность измерения расстояния, производительность контроля [30].

Под чувствительностью понимают минимальный размер дефекта, находящийся на максимальной глубине и четко регистрируемый прибором. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхо-метода - это минимальная площадь искусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определить по отражателям другого типа, выполняя пересчет на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта. Порог чувствительности ограничивается двумя главными факторами: чувствительностью аппаратуры и уровнем помех. В зависимости от структуры материала будет и изменяться порог чувствительности.

Максимальная глубина прозвучивания определяется максимальным расстоянием от дефекта (отражателя) заданного размера, на котором он уверенно выявляется. Она ограничивается условием, чтобы сигнал от дефекта был больше минимального сигнала, регистрируемого прибором и уровня помех. Она также определяется параметрами аппаратуры. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничивается теми же факторами, которые препятствуют повышению чувствительности.

Минимальная глубина или "мертвая" зона - минимальное расстояние от преобразователя или от поверхности изделия до дефекта, на котором он четко выявляется не сливаясь с зондирующим импульсом или импульсом от поверхности ввода ультразвука.

Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности метода.

Лучевая разрешающая способность - минимальное расстояние в лучевом направлении, при котором сигналы от дефектов видны на экране как два раздельных импульса.

Фронтальная разрешающая способность по перемещению - минимальное расстояние между дефектами в направлении перпендикулярном лучевому.

Точность измерения расстояния до дефекта определяется погрешностью в % от измеряемой величины.

Производительность контроля определяется шагом и скоростью сканирования (перемещения) преобразователя. При оценке времени контроля учитывается и время на исследование дефекта.

Условия выявления дефектов при эхо-импульсном методе: для обеспечения надежного выявления дефектов необходимо выполнение двух условий:

1. Сигнал от дефекта должен превосходить минимальный сигнал, регистрируемый регистратором прибора:

2. Сигнал от дефекта должен быть больше сигнала помех:

Также, зачастую от правильного выбора частоты ультразвуковых колебаний зависит мощность получения сигнала от дефекта, и как следствие, точность определения дефекта. Можно сказать, что частота является одним из главных параметров, от выбора которых зависит выявление. Остановимся подробно на её выборе. Как известно, частота зависит от коэффициента затухания. Для большинства материалов в диапазоне частот, применяемых в дефектоскопии, эта зависимость приближенно выражается формулой:

; (14)

где и - коэффициенты, не зависящие от частоты.

Первый член связан с поглощением, второй - с рассеянием ультразвука мелкими зернами (кристаллитами) металла. При малых расстояниях от преобразователя до дефекта влияние затухания ультразвука невелико, поэтому в ближней зоне целесообразно применение высоких частот. В дальней зоне затухание имеет очень большое значение для рационального выбора частоты. Оптимальная частота ультразвуковых колебаний определяется формулой:

; (15)

где: С₁ - коэффициент, связанный с поглощением ультразвука;

r - расстояние от преобразователя ультразвуковых волн до дефекта.

Виды помех, появляющихся при эхо-методе: При ультразвуковой дефектоскопии материалов и изделий, как и при других видов дефектоскопии наблюдается помехи. Их делят на несколько видов:

- помехи усилителя дефектоскопа. Эти помехи препятствуют беспредельному увеличению коэффициента усиления приемного тракта дефектоскопа и определяют граничное значение регистрируемого прибором сигнала.