| Метод УЗК | Принцип работы | Применение для композитов | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Эхо-импульсный | Единый преобразователь излучает импульсы и принимает отраженные сигналы от дефектов и донной поверхности | Обнаружение расслоений, пор, включений в углепластике, стеклопластике | Односторонний доступ, точная локализация дефектов по глубине, высокая чувствительность |
| Теневой | Два преобразователя: передатчик и приемник расположены с противоположных сторон изделия | Контроль многослойных конструкций, крупных расслоений | Выявление протяженных дефектов, простота интерпретации результатов |
| Резонансный | Измерение резонансной частоты колебаний в материале при различных толщинах | Определение неоднородностей по толщине, расслоений в ламинатах | Высокая точность измерения толщины, контроль разнотолщинности |
| Импедансный | Анализ изменения акустического импеданса при контакте преобразователя с поверхностью | Экспресс-контроль больших площадей композитных панелей | Высокая производительность, выявление приповерхностных расслоений |
| Велосиметрический | Регистрация изменения скорости ультразвуковых волн в зоне дефекта | Контроль полимерных композитов с переменной плотностью | Чувствительность к изменениям структуры материала |
| Параметр | Значение для композитов | Назначение | Рекомендации по настройке |
|---|---|---|---|
| Частота преобразователя | 0,5–30 МГц (для композитов типично 2–10 МГц) | Определяет разрешающую способность и глубину проникновения | Углепластик: 5–10 МГц, стеклопластик: 2–5 МГц, многослойные конструкции: 0,5–2 МГц |
| Скорость звука | 2500–3500 м/с | Корректный расчет глубины залегания дефектов | Углепластик: 3000–3200 м/с, стеклопластик: 2700–3000 м/с, требуется калибровка на образце |
| Усиление (дБ) | 40–80 дБ | Компенсация затухания сигнала в материале | Настройка по опорному отражателю, регулировка ВРЧ для равномерной амплитуды |
| Длина импульса | 50–300 нс | Влияет на разрешающую способность по глубине | Короткие импульсы для тонких слоев, длинные для глубоких дефектов |
| Временная регулировка чувствительности (ВРЧ) | Индивидуально | Выравнивание амплитуды донного сигнала по глубине | Настройка для получения одинаковой амплитуды от поверхности ввода и дна |
| Размер пьезоэлемента | 6–15 мм | Определяет размер контролируемой зоны | Малые элементы (6–9 мм) для тонких изделий, крупные (12–15 мм) для толстостенных |
| Тип дефекта | Описание | Индикация на экране | Критичность |
|---|---|---|---|
| Расслоение | Нарушение связи между слоями ламината, возникает при производстве или ударных нагрузках | Четкий эхо-сигнал на глубине расслоения, снижение или отсутствие донного сигнала | Критичный дефект, приводит к потере прочностных характеристик |
| Поры газовые | Мелкие воздушные полости в матрице, образуются при недостаточном уплотнении | Многочисленные мелкие отражения, снижение амплитуды донного сигнала | Умеренный, допустима пористость до 2–3% по объему |
| Включения инородные | Посторонние материалы (металл, пленка), попавшие в структуру при изготовлении | Локальный эхо-сигнал с высокой амплитудой, искажение донного отражения | Критичный при размере более 3–5 мм, концентратор напряжений |
| Непропитанные зоны | Участки с недостаточным содержанием связующего в армирующих волокнах | Рассеяние ультразвука, нестабильность амплитуды донного сигнала | Существенный, снижает межслойную прочность |
| Трещины | Плоскостные разрывы в матрице или по границе волокно-матрица | Интенсивный эхо-сигнал при ориентации перпендикулярно лучу УЗ | Критичный дефект, требует немедленного ремонта или отбраковки |
| Отслоение клеевого соединения | Потеря адгезии между склеенными композитными деталями | Эхо-сигнал от границы отслоения, отсутствие сигнала от второй детали | Критичный для клееных конструкций, полная потеря несущей способности |
Физические основы эхо-импульсного метода
Эхо-импульсный метод является наиболее распространенной технологией ультразвукового неразрушающего контроля композитных материалов. Метод базируется на фундаментальном принципе распространения упругих волн в однородной среде: ультразвуковой луч сохраняет прямолинейную траекторию до встречи с границей раздела сред, обладающих различными акустическими сопротивлениями.
При контроле композитных конструкций единый пьезоэлектрический преобразователь выполняет двойную функцию: генерирует короткие импульсы ультразвуковых колебаний и принимает отраженные сигналы от внутренних дефектов и донной поверхности изделия. Преобразователь работает в диапазоне частот от 0,5 до 10 МГц, при этом для углепластиков оптимальными являются частоты 5–7 МГц, обеспечивающие приемлемое соотношение разрешающей способности и глубины проникновения.
Ключевым достоинством метода является необходимость одностороннего доступа к изделию, что критично для контроля сложнопрофильных композитных деталей авиационного и автомобильного назначения. Метод позволяет с точностью определять глубину залегания дефектов, их условные размеры и координаты относительно поверхности ввода ультразвука.
Разрешающая способность эхо-импульсного метода определяется длиной ультразвуковой волны в материале. Для типичного углепластика при частоте 5 МГц и скорости звука 3075 метров в секунду длина волны составляет примерно 0,6 миллиметров. Теоретически возможно выявление дефектов размером от четверти длины волны, что соответствует минимальному выявляемому дефекту около 0,15 миллиметров.
↑ НаверхОсобенности УЗК полимерных композиционных материалов
Полимерные композиты на основе углеродных, стеклянных и арамидных волокон обладают специфическими акустическими характеристиками, существенно отличающимися от металлических сплавов. Анизотропия свойств, обусловленная направленностью армирующих волокон, приводит к различной скорости распространения ультразвука вдоль и поперек слоев ламината.
Затухание ультразвука в композитах
Важнейшей особенностью композиционных материалов является повышенное затухание ультразвуковых колебаний по сравнению с металлами. Коэффициент затухания в стеклопластиках достигает значений 2–5 децибел на миллиметр, что в десятки раз превышает показатели углеродистых сталей. Механизм затухания связан с рассеянием акустической энергии на границах раздела волокно-матрица и поглощением в полимерном связующем.
Наличие множественных отражающих границ в многослойных ламинатах создает сложную картину эхо-сигналов на экране дефектоскопа. Дефектоскописту необходимо четко дифференцировать полезные сигналы от дефектов и структурные шумы, обусловленные неоднородностью самого материала. Применение временной регулировки чувствительности позволяет компенсировать затухание и получить стабильную амплитуду донного сигнала.
Скорость ультразвука в различных композитах
Скорость продольной волны в углепластике на основе эпоксидного связующего составляет от 2900 до 3200 метров в секунду в зависимости от объемного содержания волокон и типа укладки. Стеклопластики демонстрируют несколько меньшие значения скорости звука в диапазоне 2700–3000 метров в секунду. Для корректного определения глубины залегания дефектов требуется обязательная калибровка дефектоскопа на образце из контролируемого материала известной толщины.
↑ НаверхПьезоэлектрические преобразователи для композитов
Выбор типа и характеристик пьезоэлектрического преобразователя определяет эффективность ультразвукового контроля композитных изделий. Для композитов применяются преимущественно прямые совмещенные и раздельно-совмещенные преобразователи, генерирующие продольные ультразвуковые волны.
Частотные диапазоны преобразователей
Стандартные преобразователи для контроля углепластиков работают на частотах 2,5–10 МГц. Частота 5 МГц является оптимальным компромиссом между чувствительностью к мелким дефектам и глубиной проникновения. Для многослойных конструкций большой толщины или материалов с высоким затуханием применяются низкочастотные преобразователи диапазона 0,5–2 МГц.
Специализированные преобразователи
Для контроля композитов с повышенным затуханием разработаны специальные низкочастотные преобразователи с рабочими частотами от 40 килогерц до 800 килогерц. Такие датчики оснащаются мягкими полиуретановыми или силиконовыми протекторами, обеспечивающими надежный акустический контакт с поверхностью изделия. Размер пьезоэлемента варьируется от 6 до 15 миллиметров: малые элементы применяются для контроля тонких обшивок, крупные – для толстостенных силовых элементов.
В качестве контактной среды для композитов используются специальные гели на водной или глицериновой основе. Применение масляных контактных жидкостей для полимерных композитов не рекомендуется из-за возможности проникновения в структуру материала и изменения его свойств. Для вертикальных поверхностей применяются густые тиксотропные гели, предотвращающие стекание.
Методика настройки дефектоскопа
Корректная настройка ультразвукового дефектоскопа является обязательным условием достоверного контроля композитных конструкций. Процедура настройки выполняется на стандартных образцах или на эталонных участках контролируемого изделия.
Определение скорости звука
Первым этапом настройки является точное определение скорости распространения ультразвука в конкретном композите. Используется образец известной толщины из контролируемого материала. Преобразователь устанавливается на поверхность образца, и по времени прихода донного сигнала рассчитывается скорость звука. Для углепластика толщиной 6 миллиметров и времени пробега 3,9 микросекунды скорость составит 3077 метров в секунду.
Настройка чувствительности
Регулировка усиления дефектоскопа проводится таким образом, чтобы амплитуда донного сигнала составляла 70–80 процентов от высоты экрана. Для компенсации затухания в толстых изделиях применяется временная регулировка чувствительности, обеспечивающая равную амплитуду сигналов от поверхности ввода и донной поверхности.
Проверка настройки на дефектах
Верификация настройки осуществляется на контрольном образце с искусственными отражателями известного размера. Типичный образец для углепластика содержит плоскодонные отверстия диаметром 2–5 миллиметров на различной глубине. Корректная настройка должна обеспечивать уверенное выявление минимального контролируемого дефекта с превышением амплитуды над уровнем шума не менее 6 децибел.
↑ НаверхНормативная база и требования стандартов
Ультразвуковой контроль композитов регламентируется комплексом нормативных документов, определяющих требования к оборудованию, методикам и квалификации персонала.
Государственные стандарты
Основополагающим документом является ГОСТ 23049-84, устанавливающий технические требования к ультразвуковым импульсным дефектоскопам второй группы и выше. Стандарт определяет минимальные характеристики приборов по чувствительности, разрешающей способности и точности измерения координат.
Требования к пьезоэлектрическим преобразователям регламентированы ГОСТ Р 55725-2013, который с 2015 года заменил ГОСТ 26266-90. Стандарт устанавливает номинальные частоты от 0,5 до 30 МГц и технические требования к преобразователям общего назначения с плоской рабочей поверхностью. Для преобразователей с частотой свыше 1,25 МГц допустимое отклонение от номинального значения не превышает 10 процентов.
Международные подходы и методики
В авиационной и аэрокосмической промышленности применяются специализированные методики ультразвукового контроля композитных конструкций с использованием С-сканирования. Данный подход позволяет визуализировать внутреннюю структуру ламината в виде плоскостных изображений, на которых дефекты отображаются как области с измененной акустической проницаемостью. Производители авиационной техники разрабатывают собственные корпоративные стандарты контроля композитов.
К ультразвуковому контролю композитов допускаются дефектоскописты, прошедшие специальную подготовку и аттестованные в соответствии с требованиями систем сертификации персонала неразрушающего контроля. Минимальный квалификационный уровень для самостоятельного проведения контроля – второй уровень по направлению ультразвуковой контроль.
Практические рекомендации для дефектоскопистов
Успешное применение эхо-импульсного метода при контроле композитов требует учета специфических особенностей материала и соблюдения проверенных технологических приемов.
Подготовка поверхности
Качество акустического контакта критически влияет на результаты контроля. Поверхность композитного изделия должна быть очищена от загрязнений, пыли и следов технологических жидкостей. Шероховатость поверхности не должна превышать значений, при которых воздушные зазоры становятся препятствием для прохождения ультразвука. Оптимальная шероховатость составляет не более 6,3 микрометра по параметру Ra.
Техника сканирования
Сканирование композитной панели выполняется перемещением преобразователя по взаимно перпендикулярным направлениям с перекрытием смежных проходов не менее 10 процентов. Скорость перемещения датчика не должна превышать 150 миллиметров в секунду для обеспечения надежного выявления дефектов. При обнаружении подозрительной индикации производится детальное обследование зоны дефекта с уменьшенной скоростью сканирования.
Интерпретация результатов
Анализ эхо-сигналов требует учета особенностей структуры композита. Наличие эхо-сигнала на глубине менее донной поверхности при одновременном снижении амплитуды донного отражения является характерным признаком расслоения. Множественные мелкие отражения с неравномерной амплитудой указывают на пористость материала. Для количественной оценки размеров дефекта применяется метод амплитудного сравнения с опорным отражателем или построение карт С-сканирования.
Результаты контроля фиксируются в протоколах или журналах с указанием параметров настройки оборудования, характеристик выявленных дефектов и заключения о соответствии изделия требованиям технической документации. Современные цифровые дефектоскопы позволяют сохранять полные данные сканирования для последующего анализа и архивирования.
