Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика неразрушающего контроля и методы испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов 14
1.1. Классификация, принципы и области применения методов неразрушающего контроля 14
1.1.1. Оптический неразрушающий контроль 15
1.1.2. Магнитный неразрушающий контроль 20
1.1.3. Радиоволновый неразрушающий контроль 23
1.1.4.. Электрический неразрушающий контроль 27
1.1.5. Электромагнитный (вихревых токов) неразрушающий контроль 29
1.1.6. Тепловой неразрушающий контроль 31
1.1.7. Копиллярный неразрушающий метод контроля 34
1.1.8. Неразрушающий контроль течеисканием. 35
1.2. Анализ технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов 36
1.3. Общая характеристика испытаний полимерных композиционных материалов 41
1.4. Определение свойств полимерных композиционных материалов 45
1.4.1. Определение свойств волокнистых армирующих наполнителей. 45
1.4.2. Определение свойств матричных материалов 47
1.4.3. Определение физических и структурных свойств композиционных материалов 49
1.4.4. Определение механических свойств композитов 53
Глава 2. Современное состояние неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов 55
2.1. Контроль вязкости связующих 55
2.2. Контроль содержания связующего 59
2.3. Контроль толщины стенки в процессе намотки 66
2.4. Контроль степени полимеризации 70
2.5. Контроль изделий из полимерных композиционных материалов на наличие дефектов 79
2.6. Анализ экспериментального метода неразрушающего контроля композиционных материалов 83
Глава 3. Разработка метода промышленного ультразвукового контроля качества нанесения теплозащитных покрытий с использованием ЭВМ 101
3.1. Принцип и области применения метода акустического неразрушающего контроля 101
3.2. Принципиальная схема комплекса промышленного ультразвукового контроля 107
3.3. Принцип работы комплекса промышленного ультразвукового контроля 108
3.3.1. Принцип толщинометрии теплозащиты 110
3.3.2. Принцип контроля участка непроклея между корпусом и теплозащитным покрытием 112
3.4. Результаты экспериментальных исследований 113
Глава 4. Разработка метода радиационного неразрушающего контроля конструкций тепловых двигателей с использованием ЭВМ 119
4.1. Принцип и области применения метода радиационного неразрушающего контроля 119
4.2. Принципиальная схема комплекса радиационного неразрушающего контроля 124
4.3. Разработка схемы управления движением сканирования комплекса радиационного неразрушающего контроля 125
4.3.1. Требование к системе управления движением сканирования комплекса 125
4.3.2. Структура системы управления движением сканирования комплекса 125
4.4. Функции и принцип работы комплекса 126
4.4.1. Принцип образования цифрового изображения 126
4.4.2. Принцип промышленной рентгеновской вычислительной томографии на любых двухмерных плоскостях сечений 128
4.5. Переработка цифрового изображения. 128
4.6. Результаты экспериментальных исследований 132
Заключение по части II 134
Общее заключение по работе 135
Литература 137
- Анализ технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов
- Контроль изделий из полимерных композиционных материалов на наличие дефектов
- Принципиальная схема комплекса промышленного ультразвукового контроля
- Принципиальная схема комплекса радиационного неразрушающего контроля
Введение к работе
Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемой продукции. Понятие качества очень обширно и отличается для каждого конкретного изделия и материала, а кроме того постоянно находится в непрерывном развитии. Качеству продукции можно дать следующее общее определение — это "совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением" [19]. В это понятие входят самые различные параметры, которые необходимо контролировать. Это и химический состав, и геометрические параметры, и физико-механические характеристики, и многие другие свойства контролируемого объекта. Важную роль в решении задачи обеспечения выпуска качественной продукции играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества материалов и изделий подразделяются на два больших класса — разрушающие и неразрушающие методы контроля. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином "диагностирование".
Решение задачи обеспечения контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д). Зарождение неразрушающего контроля обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновского излучения, благодаря которому был обнаружен предмет в закрытой деревянной коробке и неоднородность внутренней структуры материала. С тех пор методы неразрушающего контроля существенно изменились, превратившись в независимую отрасль науки и техники. Сейчас развитие методов НК относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса. Это объясняется тем, что методы НК позволяют не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, при отказе
изделий. В связи с усложнением современных промышленных изделий и использованием новейших конструкционных материалов, имеющих сложную внутреннюю структуру, а также с повышением требований к надежности новой техники объем контрольных операций в промышленности резко возрастает. В настоящее время контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, поскольку ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технологических параметров. Так, например, в передовых странах затраты на проведение контроля качества составляют в среднем 5% от стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях, как аэрокосмическая или атомная, затраты на контроль качества возрастают до 20%. Однако такие значительные затраты быстро окупаются, поскольку благодаря применению методов и средств НК на всех стадиях производства обеспечивается требуемое качество изделий, увеличивается их надежность и повышается производительность труда[19].
Дефектоскопия, т.е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.
Существуют четыре важных направления развития РЖ и Д[51].
1. Интеллектуализация методов и средств НК и Д. В настоящее время НК и Д используют более 100 физических методов исследования, тысячи типов приборов с объемом продаж в десятки миллиардов американских долларов.
Интеллект диагностики начинается прежде всего с правильного выбора физического эквивалента, наиболее адекватного изучаемому явлению,
характеризующему работоспособность объекта. На основе этого должна проектироваться диагностическая технология. Для решения этой проблемы используются датчики на базе микроэлектронной технологии, построенные на основе самых различных физических явлений и химических преобразований.
Широкая номенклатура преобразователей и сенсоров требует обоснованного выбора оптимального варианта использования их на практике, согласования с исследуемыми параметрами и функциями управления объектов контроля.
Интеллектуализация современных методов НК и Д связана с их
интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных
процессоров, персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда
программ, алгоритмов тестового и функционального диагностирования.
Стали нормой перевод диагностической информации в двух- и трехмерное
изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени,
амплитудо-фазочастотная обработка многомерного сигнала,
реконструктивная томография, томосинтез и т.д. Это потребовало введения в аппаратуру множества специальных процессоров и устройств.
Переход на экспертные диагностические системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов, позволяющие определять остаточный ресурс и риск эксплуатации, — актуальнейшая проблема научно-технического прогресса (НТП).
2. Разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды. С увеличением масштаба НТП, постоянными стихийными бедствиями (землетрясения, цунами, смерчи и т.п.), бурным ростом экологических проблем регионов все более необходимой становится неразрывная взаимосвязь методов и средств определения состояния крупных промышленных объектов и окружающей среды.
В то же время наглядно прослеживается развитие диагностических систем и устройств для исследования микрообъектов в связи с бурным развитием
микроэлектроники, биотехнологий и других направлений НТП. Микротомография, рентгенотелевизионная микроскопия, микротомоскопия, микроэндоскопия и прочие важнейшие разделы интроскопии будут помогать проводить исследования и создавать новые материалы и объекты на микроуровне. Диапазон объектов контроля и диагностирования не ограничен ни по нижнему, ни по верхнему пределу геометрического размера, и это должно учитываться при создании единого оптимизированного и экономически обоснованного ряда приборов и систем НК и Д.
3. Совершенствование диагностических технологий. Технические средства НК и Д включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуатационно-техническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур НК и Д уделяется явно недостаточное внимание.
Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора НК и Д в большой степени зависит эффективность конечного результата — долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах.
Технология должна предусматривать спектр различных конструкций контрольно-диагностических приборов — от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессах производства, испытаний и эксплуатации объектов. Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диагностирования, выполненных применительно к конкретным изделиям, операциям и задачам обнаружения дефектов.
Самый важный момент — принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требованиям и прекращении его эксплуатации или функционирования — должен быть особо отмечен и научно обоснован в технологии. Фундаментом этого решения является предварительно
набранный статистический материал.
Диагностические технологии необходимо предварительно опробовать, они не могут содержать неразумных требований в виде "не допускаются никакие виды дефектов", должны работать только на опережение, надежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации, создание соответствующих методик и стандартов по определению остаточного ресурса объектов.
Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и внедрению отраслевых систем диагностического обслуживания, предусматривающих сочетание диагностических обследований, оперативное устранение вскрытых дефектов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне.
4. Организационное обеспечение НК И Д на международном уровне. В большинстве стран мира НК и Д осуществляют и развивают специалисты, работающие в университетах, институтах, на различных предприятиях государственного, муниципального, акционерного и частного уровней.
Эти специалисты и предприятия, использующие, эксплуатирующие и подготавливающие специалистов в области НК и Д, объединяются в массовые независимые общественные организации — национальные общества по НК и Д, которые организуют взаимодействие на международном уровне, проводят конференции, выставки, специализированные совещания, создают международные стандарты и т.п.
1-я международная конференция по НК и Д была проведена в Брюсселе в 1955 г. Национальная конференция СССР по НК и Д состоялась в 1956 г. в Ленинграде. В 1960 г. создан Международный комитет по НК (МКНК), в 1998 г. — Европейская Федерация по НК (ЕФНК).
В настоящее время Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД) объединяет более сотни предприятий и тысячи специалистов по НК и Д, регулярно проводит конференции, выставки, организует вместе с Госстандартом и Госгортехнадзором сертификацию специалистов, приборов, методик и лабораторий, единых стандартов и технологий.
Наиболее важной задачей является переход на международный уровень выполнения всех научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, стандартов, технологий, оборудования, обучения и аттестации персонала с возможностью и готовностью проведения международного аудита и надзора.
С целью проведения единой политики в области НК и Д для
максимального использования научно-технических достижений и разработок
во всех отраслях машиностроительного и других комплексов необходимо
создание межотраслевых и международных ассоциаций, которые могли бы
объединить усилия различных ведомств и фирм на создание современных
контрольно-диагностических систем многофункционального применения.
Крайне важно организовать территориальные центры диагностики,
оснащенные всем, спектром современной контрольно-диагностической
аппаратуры (рентгеновскими вычислительными томографами,
рентгено-телевизионными системами, тепловизорами, звуковизорами, телеэндоскопами и т.д.), которые могли бы квалифицированно разрабатывать диагностические технологии и осуществлять экспертный контроль качества сырья, промежуточных и целевых продуктов многих предприятий.
Для создания средств НК и Д новых поколений необходимо повысить эффективность координации академической, вузовской и отраслевой науки, международного сотрудничества путем создания совместных научно-технических программ и проектов, а также проведения регулярных международных выставок и конференций. Должна быть внедрена единая международная система сертификации персонала и техники НК и Д.
В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности тепловых двигателей, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск, могут привести к труднопредсказуемым последствиям. Отметим особенности дефектоскопии деталей тепловых двигателей: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствам; сложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массе; необходимость контроля многослойных конструкций; во многих случаях недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работы; необходимость подвергать контролю детали, установленные в конструкции, покрытые защитными пленками, имеющими загрязненную поверхность; необходимость обнаруживать дефекты, возникающие в процессе эксплуатации по различным причинам — производственным, конструктивным и другим.
Повышение качества композиционных материалов, изделий и конструкций из них, является одной из актуальных проблем современной техники. Важное значение имеет эта проблема и в области переработки композиционных материалов в изделия. Известно, что качество изделий и конструкций из КМ закладываются еще на стадии получения сырья и полуфабрикатов в процессе их переработки. Поэтому правильный выбор эффективных методов технологического неразрушающего контроля качества сырья, полуфабрикатов, режимов переработки и свойств готовых изделий позволяет обеспечить высокое качество последних.
Одна из основных задач диссертационной работы — исследование эффективных методов и средств НК композиционных материалов на полимерной матрице и конструкций из КМ. Особое внимание обращено на обеспечение контроля полимерных композиционных материалов (ПКМ), из которых изготавливают наиболее ответственные крупногабаритные конструкции тепловых двигателей. Наиболее важными показателями ПКМ
являются прочность, вязкость и количество связующего, нанесенного на армирующий наполнитель (волокно, ленту, ткань и т.д.).
Широкое внедрение КМ в тепловые двигатели потребовало разработки новых методов и аппаратуры НК, позволяющих осуществлять непрерывный контроль непосредственно в процессе формирования КМ и изделий из них. Наиболее пригодными для этих целей оказались радиоволновые, ультразвуковые методы и методы акустической эмиссии. Указанные методы (кроме акустической эмиссии) широко и давно применяются для целей дефектоскопии и толщинометрии.
В работе большое внимание отведено теоретическому рассмотрению и практическому применению данных методов при контроле технологических характеристик (вязкость, содержание компонентов, степень отверждения) ПКМ и полуфабрикатов, а также дефектоскопии, толщинометрии и контролю физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния КМ непосредственно в изделиях и конструкциях без их разрушения.
Большое значение для качества изделий из КМ имеют следующие технологические параметры.
Вязкость связующих определяет состав и качество КМ. Зная значение вязкости и изменение его от температуры и времени можно резко улучшить весовые и прочностные характеристики КМ.
Содержание связующего (поддержание точного и постоянного соотношения связующего и наполнителя в КМ) является важнейшим параметром при формировании КМ и изделия в целом. Содержание связующего определяет прочность, модуль упругости, герметичность, теплостойкость КМ.
Степень полимеризации КМ является сдаточным показателем изделий. От правильности проведения режима полимеризации КМ зависит наличие в изделии внутренних дефектов ( т.е. механическая прочность).
Одной из серьезных проблем является возникновение трещин в КМ из-за наличия остаточных напряжений, неравномерного распределения связующего по толщине, изменения натяжения волокна в процессе изготовления изделий, усадки связующего и т.д.
Основным параметром, влияющим на прочность и вес изделия является толщина КМ. При наличии неравномерности ленты, препрега, жгута, ткани по ширине и толщине на изделии возникают утолщения и утонения, нахлесты.
Цели и задачи диссертационной работы:
Исследование общей характеристики неразрушающего контроля и методов испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов;
Оценка современного состояния неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов;
Разработка методов промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ качества конструкций с теплозащитными покрытиями тепловых двигателей, контроль толщин и непроклеев конструкции;
Разработка методов радиационного неразрушающего контроля с использованием ЭВМ конструкций тепловых двигателей, реализация принципа контроля послойного сканирования на любых двухмерных плоскостях сечений;
Экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.
Анализ технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов
Оптический неразрушающий контроль (ОНК) основан на анализе взаимодействия светового излучения (ОИ) с объектом контроля (ОК). Оптическое излучение или свет — электромагнитное излучение сэлектромагнитное излучение с длиной волны 10"3...103 мкм, в котором принято выделять ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра с длинами волн соответственно 10"3...0,38; 0,38...0,78; 0,78... 103мкм[19]. Возникновение ОИ связано с движением электрически заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней. Информационными параметрами ОИ являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют измерение этих параметров при взаимодействии ОИ с ОК в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также изменение характеристик самого ОК под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических (фотоупругость), магнитооптических, акустооптических и других явлений.
Основными информационными параметрами объектов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны.
К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, относятся пустоты (нарушение сплошности), расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т. д.
Эффективность применения ОНК существенно зависит от правильности выбора геометрических и временных характеристик условий освещения и наблюдения ОК. Главное при этом — обеспечить максимальный контраст дефекта подбором угла освещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непрерывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и степени когерентности света. Необходимо учитывать различия оптических свойств дефекта и окружающей его области фона.
Различие в отражении поляризованного света от металлов и диэлектриков используется для получения контрастного изображения дефектов. При этом объект освещается поляризованным светом под углом Брюстера, а его наблюдение осуществляется с помощью поляроида, устанавливаемого в положение, обеспечивающее максимальный контраст дефекта.
По виду регистрации изображения различают три группы оптических приборов: визуальные, детекторные и комбинированные. У визуальных приборов приемником является глаз (лупы, микроскопы, эндоскопы, приборы измерения линейных и угловых размеров и др.). Приемниками у детекторных: приборов могут служить фотоэмульсии, люминесцирующие вещества, электронные приборы и т.п. Комбинированные приборы пригодны для обзора визуального и с помощью детектора.
Возможности технических эндоскопов значительно расширены благодаря применению волоконно-оптических элементов. Волоконные световоды — набор тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10-20 мкм, собранных в жгут. Каждый элементарный светопровод покрыт снаружи тонким слоем (1-2 мкм) стекла с более низким показателем преломления. На границе световод-оболочка происходит полное внутреннее отражение света, входящего в основную нить, что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением.
Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) позволяет существенно расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического неразрушающего контроля, например, голографические, акустооптические и др. Лазерная дефектоскопия базируется на использовании основных свойств лазерного излучения монохроматичности, когерентности, направленности.
Высокая монохроматичность (узкий спектр частот) излучения оптического квантового генератора (ОКГ) позволяет широко использовать методы спектральной селекции объектов. В настоящее время число излучаемых лазерами различных длин волн достигло нескольких сотен в УФ, ВИ и ИК диапазонах спектра. Созданы лазеры с плавной перестройкой длины волны излучения.
Острая направленность излучения (лазеры излучают в очень малых телесных углах) обеспечивает эффективность сканирующих систем контроля удаленных объектов.
Благодаря высокой мощности лазерного излучения становится возможным активный оптический контроль, когда дефектные места объекта могут локально удаляться испарением под действием луча ОКГ.
Возможность генерации с помощью ОКГ световых импульсов предельно малой длительности (до 10"14 с) позволяет реализовать эффективные методики контроля динамических характеристик объекта.
Высокая когерентность и монохроматичность излучения ОКГ позволяют получать запись объемного изображения (голограмм) любого объекта.
Термин голограмма происходит от греческого слова holos, что значит полный. В обычной фотографии трехмерная картина преобразуется в двухмерное изображение, голография сохраняет ее трехмерность. Получение четкого изображения при голографии состоит из двух процессов: получение голограммы и восстановления. Принципиальная схема установки для получения голограммы приведена на рис. 1.1. Световой пучок от лазера 6 попадает на светоделительную пластину 1 и расщепляется на два. Один пучок, используемый для освещения объекта, проходит через оптическую систему 3 и, отражаясь от освещенного контролируемого объекта 4, попадает на светочувствительную пластину 5. Этот пучок называется предметным. Второй пучок, называемый опорным, отражается в результате интерференции двух световых потоков получается изображение в виде интерференционных полос, содержащее полную информацию о наружной поверхности контролируемого объекта[19].
Контроль изделий из полимерных композиционных материалов на наличие дефектов
В изделии после намотки в процессе полимеризации из-за внутренних напряжений, неравномерного распределения связующего и других технологических факторов могут возникать расслоения, отслоения, рыхлоты, трещины и др. В настоящее время контроль многослойных композиций проводится теневым ультразвуковым методом. Для исключения контактной смазки контроль проводится с использованием катящихся датчиков с локальной имперсионной ванной [28].
Теневой метод контроля не позволяет определять глубину залегания дефектов и конкретизировать их нахождение. Применение импедансного, велосимметрического и других методов не эффективно из-за небольшой толщины стеклопластика и низкой чувствительности [87].
Для определения трещин в неметаллических материалах в настоящее время широко используются акустический, ультразвуковой, импульсный методы, радиационный метод и метод фотоупругости,
Существенным недостатком импульсного метода является проблема обеспечения надежного акустического контакта излучателя и приемника в различных местах изделий и т. к. неодинаковость потерь УЗ энергии в контактах приводит к большим погрешностям. Заметное влияние на результаты измерений импульсным способом оказывает также изменение свойств стеклопластика [11], [42].
Радиографический метод обеспечивает определение концентрации и ориентации наполнителя, трещин в смоле, неточности шага намотки и т. д. Радиографический метод не нашел широкого применения из-за трудоемкости.
Метод фотоупругих покрытий позволяет измерить величину основных деформаций изделия и направления деформаций, а также наблюдать места концентрации напряжений и наличия трещин [63]. Метод основан на изменении поляризации и преломления света в фотоупругих покрытиях, нанесенных на поверхность изделия.
Применение метода фотоупругих покрытий в условиях производства встречается с рядом трудностей, обусловленных его нетехнологичностью, трудоемкостью (требуется нанесение на всю поверхность покрытия, затем удаление покрытия, контроль на полноту удаления, приготовление покрытия). Кроме того, расшифровка результатов контроля представляет значительные трудности.
Выявление трещин в стеклопластиковых изделиях возможно с использованием эмиссии волн напряжений. Недостатком метода является сплошность аппаратуры и необходимость нагружения изделий внутренним давлением, в результате чего значительно снижается прочность изделия и надежность его работы при последующих испытаниях [63], [26].
В России и за рубежом проведены теоретические исследования и разработаны приборы и устройства по определению анизотропии механических свойств структуры и трещин в неметаллических материалах с использованием микрорадиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазонов.
В обзоре, посвященном использованию современных методов неразрушающего контроля в промышленности США отмечается, как перспективный, СВЧ метод контроля микроструктурных дефектов и механических свойств материалов на сантиметровых волнах. Там же предложены конструкции СВЧ дефектоскопа, который позволяет определить внутренние напряжения и трещины в контролируемом изделии [86].
В обзоре, посвященном новым разработкам в области неразрушающего контроля в США описано применение для неразрушающих испытаний электрических эффектов на СВЧ частотах для выявления тонких трещин, структурных напряжений и неоднородностей.
В результате проведенных теоретических и практических работ в СССР разработаны и используются в промышленности ряд СВЧ дефектоскопов [26], [34], [66].
ЛЭТИ им. Ульянова (Ленина) совместно с ЦНИИМ созданы СВЧ дефектоскопы ИМ- 1-120, ИМ- 1-143, 54-197, СФ-24, а также портативный СВЧ дефектоскоп, который предназначен для комплексного исследования деталей к конструкций из стеклопластиков [34], [43]. В НИИ интроскрпии разработаны радиодефектоскопы РИР-1, РАФ-Д, СД-12Д [68].
Радиодефектоскопы РАФ-Д предназначены для контроля влажности материала и неприменим для обнаружения трещин в стеклоорганопластиках ввиду низкой разрешающей способности.
Радиодефектоскоп РИР-1 предназначен для контроля гомогенности резиновых смесей, но может быть использован для обнаружения трещин, расслоений и неприклеев. Принцип работы радиоинтроскопа основан на сравнении диэлектрических свойств соседних участков контролируемого изделия.
Радиодефектоскоп СД-12Д предназначен для контроля однородных диэлектрических материалов. Дефектоскоп имеет недостаточную чувствительность для обнаружения трещин и расслоений в стеклопластиковых изделиях [34].
Каждый из вышеперечисленных СВЧ дефектоскопов предназначен для решения конкретных задач и имеет свои конструкционные особенности. Учитывая, что разработанные дефектоскопы конструктивно выполнены для контроля изделий определенной формы и результаты контроля фиксируются на фото или термической бумаге, необходимо разработать устройства, обеспечивающие автоматизированный контроль изделий, соответствующий требованиям автоматизированной системы управления технологическим процессом намотки к обеспечивающий выявление разноориентированных трещин малой протяженности на любой глубине [66].
Целью данной работы являлось: создание нового научного направления — технологический неразрушающий контроль композиционных материалов; разработка научных основ создания методов и средств непрерывного автоматизированного контроля основных технологических параметров, в процессе формирования изделий из композиционных материалов; изучение взаимосвязи электромагнитного ультразвукового излучения и акустической эмиссии с физико-механическими и прочностными характеристиками композиционных материалов; внедрение аппаратуры и методов в спецтехнику и народное хозяйство.
Принципиальная схема комплекса промышленного ультразвукового контроля
Важную роль в производстве конструкций с теплозащитными покрытиями играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества внутренней полости включают в себя радиографию, лазерную голографию, инфракрасную фотографию, микроволновую технику контроля, ультразвуковой контроль и т. д.. При непосрественном участии автора разработан интегральный комплекс экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ. Оборудование позволяет провести научно-исследовательские работы визуального образования цифрового изображения в реальном времени при определении качества нанесение теплозащитного покрытия внутренней полости в замкнутой конструкции.
Схема разработанного комплекса экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ приведена на рис.3.3. Он состоит из следующих частей: 1. дисплея (монитора), 2. ЭВМ с высшей характеристикой, 3. блока управления, 4. рабочей площадки, 5.образца конструкции с теплозащитными покрытиями, и также рефлектоскопа.
При использовании оборудования автоматизация контрольных операций позволяет резко увеличить производительность, достоверность и экономичность контроля. Применение ЭВМ позволяет решить следующие проблемы: расширить функциональные возможности рефлектоскопа и сократить время на настройку, калибровку и перестройку его режимов работы; получить документ контроля с результатами статистического анализа и обработки по средним значениям и дисперсии; обслуживать приборы с помощью низкоквалифицированного персонала.
Принцип работы комплекса промышленного ультразвукового контроля Данный комплекс промышленного ультразвукового контроля предназначен для экспериментального исследования толщины теплозащитного покрытия и контроля участка непроклея между корпусом и теплозащитным покрытием. Метод его контроля основан на излучении и приеме акустических волн в контролируемом объекте. Принципиальная структура приведена на рис. 3.4.
Комплекс экспериментального оборудования работает следующим образом. Для замера толщины теплозащитного покрытия, упругие колебания вводят в корпус с помощью излучателя ультразвуковых волн (рис. 3.4), который посылает импульс, и волны Лэмба 1-е возбуждаются в корпусе, а упругие колебания возбуждаются в теплозащите волнами Лэмба 1-ми. Этот эффект распространения акустических волн называется обратным, т. е., волны Лэмба 2-е возбуждаются в корпусе упругими колебаниями из теплозащиты. Акустические волны возбуждаются волнами Лэмба через поверхность корпуса и регистрируются приемником ультразвукових волн, расположенным симметрично с другой стороны. Сигнал передается в ЭВМ и обрабатывается.
Из рис. 3.4 видно, что через интервал времени /, пришедший в приемник ультразвуковых волн волной Лэмба 1-ой и волной Лэмба 2-ой, акустическая волна прошла путь "V" в теплозащите , то, волны Лэмба 2-е несут с собой информацию толщины теплозащиты. По интервалу времени t можно вычислять толщину теплозащиты.
Принципиальная схема комплекса радиационного неразрушающего контроля
В последнее время к введению промышленного цифрового изображения (ЦИ) (Digital Radiography — DR) и промышленной рентгеновской вычислительной томографии (ПРВТ) (Industrial Computed Tomography — ICT) в кругу неразрушающего контроля приковано большое внимание. При непосредственном участии автора разработан интегральный комплекс контрольного оборудования, который позволяет провести визуальное образование цифрового изображения в реальном времени для конструкций тепловых двигателей, при проведении научно-исследовательских работ по двухмерной ПРВТ, при определении форм внутренней полости в замкнутой конструкции.
Схема комплекса ЦИ и ПРВТ приведена на рис.4.4. Она состоит из следующих частей: 1. трубки рентгена; 2. коллиматора; 3. рабочей площадки; 4. высокоточного поворотного станка; 5. рабочего объекта; 6. эндоскопа; 7. промышленного фотоаппарата CCD; 8. ЭВМ с высшей характеристикой; 9. блока управления; 10. дисплея (монитора).
При методе контроля ПРВТ к поворотному движению высокоточного поворотного станка имеются следующие требования: минимальный угловой шаг регулирования не более 0.5; время промежуточного углового перемещения определяется временем экспозиции CCD (0.1 с ... 10 с); время одного цикла контроля для получения одной томограммы не более 15 мин.; угловые скорость и ускорение поворота регулированные; допуски углового месторасположения менее ±10"; допуски месторасположения в вертикальном движении менее ±0.05 мм, суммарные допуски менее ±0.25 мм/м, перекос платформы менее 10".
С целью увеличения точности месторасположения и скорости реакции системы управления движением сканирования рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ были принята сложная система сервоуправления, которая состоит из контрольных устройств, исполнительного механизма, звена обратной связи, электрической схемы, усилителя и т. д.(см. рис. 4.5).
Рис. 4.5 показывает, в этой сиситме принимают участие оба регулирования по замкнутому циклу, и в том числе высокоточный кодировщик перемещения для получения обратного местораспорожения, кодировщик углового перемещения для получения обратной информации по скорости. Обратная связь по скорости предназначена для увеличения скорости реакции, а от обратной величины перемещения зависит точность управления системы.
Данный комплекс предназначен для многонаправленного двухмерного контроля деталей и узлов при применении цифрового изображения ЦИ, и контроля послойного сканирования ПРВТ на любых плоскостях сечений.
Принципиальная структура приведена на рис. 4.6. Комплекс работает следующим образом. Х-Лучи рентгеновского источника с помощью коллиматора преобразуются в вид пучка лучей, просвечивающих конструкционный элемент на станке, образуя перспективное изображение. Превращение лучевого изображения в слабое видимое изображение осуществляется экраном из сцинтилляционного кристалла Csl. Послеэкранный рефлектор смещает пучок лучей из-за пределов поля излучения, далее изображение образуется на микросхеме промышленного фотоаппарата CCD (Charge-Coupled Device). Оптимизировать выходное изображение из фотоаппарата путём регулирования параметров выборки и обработать в компьютере. Данная технология характеризуется тем, что в результате накопления слабых фотонов в емкой потенциальной яме CCD с меньшим шумом увеличивается яркость изображения и образуется электронное изображение в широком динамическом диапазоне. Регулятор фотоаппарата CCD превращает его в 14 битов цифровое изображение, и выдает в компьютер. Компьютер (к цифровому изображению) производит следующие обработки: корректирование темного тока фотоаппарата CCD, корректирование неоднородности реакции элемента изображения CCD, корректирование недостатка экрана из сцинтилляционного кристалла, поглощение шума и фильтрование, выравнивание по средней величине, и заострение кромок и т.д.
