| Метод | Принцип работы | Применение | Частота, МГц |
|---|---|---|---|
| Импульсный эхо-метод | Регистрация сигналов, отраженных от дефектов и противоположной поверхности | Обнаружение расслоений, пор, включений в монолитных композитах | 0,5–10 |
| Теневой метод | Измерение ослабления УЗ-волны при прохождении через материал | Контроль многослойных конструкций, обнаружение крупных дефектов | 0,2–2 |
| Резонансный метод | Анализ резонансной частоты колебаний между поверхностями | Выявление непроклеев в клеевых соединениях, оценка адгезии | 5–15 |
| Реверберационный метод | Регистрация многократных отражений УЗ-волн между слоями | Контроль сотовых панелей, трехслойных конструкций | 1–5 |
| Параметр | Диапазон | Назначение | Рекомендации для ПКМ |
|---|---|---|---|
| Частота преобразователя | 0,5–20 МГц | Выбор глубины проникновения и разрешающей способности | 1–5 МГц для углепластика, 0,5–2 МГц для стеклопластика |
| Усиление, дБ | 0–100 | Компенсация затухания сигнала | 40–80 дБ в зависимости от толщины и типа композита |
| Развертка, мкс | 2,5–1000 | Установка глубины контроля | Настройка по скорости УЗ в материале: 2500–3500 м/с |
| Временная регулировка чувствительности (ВРЧ) | До 90 дБ | Компенсация затухания на различной глубине | Построение кривой по 8–10 опорным точкам |
| Пороги стробов | 0–95% | Установка критериев регистрации дефектов | 20–40% для поверхностного строба, 60–80% для донного |
| Тип дефекта | Характеристика | Индикация на А-скане | Минимальный размер выявления |
|---|---|---|---|
| Расслоение | Нарушение связи между слоями армирования | Дополнительный эхо-сигнал между поверхностным и донным | 5×5 мм при толщине 3–10 мм |
| Непроклей | Отсутствие адгезии в клеевом соединении | Отражение от границы склеивания, отсутствие донного сигнала | 10×10 мм в зависимости от толщины клеевого слоя |
| Поры и пористость | Газовые включения в материале | Множественные мелкие эхо-сигналы, рассеяние УЗ-волны | 1–3 мм при содержании пор более 2% |
| Инородные включения | Посторонние частицы, неотвержденная смола | Эхо-сигнал с амплитудой, зависящей от акустического импеданса | 2–5 мм в зависимости от материала включения |
| Непропитка | Зоны сухого армирующего материала | Интенсивный эхо-сигнал из-за воздуха в волокнах | 3–7 мм при выходе на поверхность |
| Трещины | Разрывы в материале от механических нагрузок | Резкий эхо-сигнал при перпендикулярном прозвучивании | 0,5–1 мм при раскрытии более 0,05 мм |
Принципы ультразвукового контроля композитов
Ультразвуковой контроль представляет собой неразрушающий метод диагностики, основанный на регистрации параметров распространения упругих волн с частотой от двадцати килогерц до двадцати пяти мегагерц в контролируемом изделии. Метод, основные идеи которого были высказаны советским ученым Сергеем Яковлевичем Соколовым в тысяча девятьсот двадцать восьмом году, получил широкое применение в авиационной, космической и машиностроительной промышленности.
Физический принцип работы дефектоскопов основан на отражении ультразвуковых волн от границ раздела сред с различными акустическими сопротивлениями. При прохождении через однородный материал УЗ-волна распространяется прямолинейно, но при встрече с дефектом происходит отражение, рассеяние или изменение параметров сигнала. Анализ этих изменений позволяет определять наличие, координаты и характер несплошностей.
Композитные материалы обладают специфическими свойствами, усложняющими ультразвуковой контроль. Высокое затухание акустических волн в полимерной матрице, анизотропия свойств, неоднородная структура армирования требуют применения специализированного оборудования и методик. Скорость распространения продольных волн в углепластиках составляет от двух тысяч пятисот до трех тысяч пятисот метров в секунду, в стеклопластиках от двух тысяч до трех тысяч метров в секунду, что значительно ниже, чем в стальных конструкциях.
Контроль полимерных композиционных материалов требует использования низкочастотных преобразователей от половины до пяти мегагерц из-за высокого коэффициента затухания. Для обеспечения акустического контакта применяют специальные гели или иммерсионную технику с водной средой. Толщина контролируемых изделий ограничивается глубиной проникновения ультразвука и обычно не превышает восьмидесяти миллиметров для углепластиков.
Портативные ультразвуковые дефектоскопы
Портативные дефектоскопы представляют собой автономные микропроцессорные приборы, предназначенные для оперативного контроля в полевых условиях и на производственных участках. Современные модели оснащаются цветными дисплеями с высоким разрешением, встроенными аккумуляторами и расширенными возможностями обработки сигналов. Масса приборов составляет от восьмисот до полутора килограммов при габаритах, обеспечивающих работу одной рукой.
Технические характеристики портативных дефектоскопов включают диапазон рабочих частот от половины до двадцати мегагерц, глубину проникновения до восьми метров в стальных конструкциях и до трехсот миллиметров в композитах, диапазон усиления до ста децибел. Приборы обеспечивают режимы А-скана для отображения амплитудно-временных характеристик сигнала, В-скана для построения сечений и С-скана для создания топограмм дефектности.
Функциональные возможности современных моделей
Цифровая обработка сигналов реализована на базе быстродействующих процессоров, обеспечивающих частоту оцифровки до ста мегагерц. Функция временной регулировки чувствительности компенсирует затухание сигнала на различной глубине путем построения кривой усиления по десяти опорным точкам. Режим заморозки изображения позволяет детально анализировать зафиксированный сигнал без необходимости сохранения на внешний носитель.
Встроенная память объемом от двух до тридцати двух гигабайт обеспечивает сохранение до десяти тысяч протоколов контроля с А-сканами, настройками прибора и координатами дефектов. Интерфейсы USB и Wi-Fi позволяют передавать данные на компьютер для формирования отчетной документации. Программное обеспечение для персональных компьютеров включает конструктор протоколов, позволяющий создавать печатные формы в соответствии с требованиями конкретного предприятия.
Рабочий диапазон температур портативных дефектоскопов составляет от минус двадцати до плюс пятидесяти градусов Цельсия. При работе в условиях отрицательных температур необходимо использовать незамерзающие контактные жидкости на основе глицерина. Продолжительная эксплуатация при температурах ниже минус десяти градусов может привести к снижению емкости аккумуляторной батареи и изменению вязкости контактной среды.
Стационарные автоматизированные системы УЗК
Стационарные системы автоматизированного ультразвукового контроля применяются на производственных линиях для высокопроизводительной дефектоскопии крупногабаритных композитных конструкций. Системы включают многоканальные дефектоскопы с количеством каналов от шести до шестидесяти четырех, прецизионные сканирующие механизмы с воспроизводимостью позиционирования до десятых долей миллиметра, преобразовательные решетки и специализированное программное обеспечение.
Многоканальная архитектура обеспечивает параллельную работу нескольких преобразователей, что увеличивает скорость контроля до одного квадратного метра в час при разрешении пять на пять миллиметров. Фазированные антенные решетки содержат от шестнадцати до ста двадцати восьми элементов с индивидуальным управлением фазой и амплитудой излучения. Электронное сканирование луча позволяет изменять угол ввода без механического перемещения преобразователя.
Иммерсионные системы контроля
Иммерсионная техника предполагает размещение контролируемого изделия и преобразователей в водной среде, обеспечивающей стабильный акустический контакт без применения гелей. Системы оборудуются ваннами объемом от пятисот литров до пяти кубических метров с системами фильтрации и поддержания температуры воды в диапазоне от двадцати до двадцати пяти градусов Цельсия. Рабочее расстояние между преобразователем и поверхностью изделия составляет от пятидесяти до двухсот миллиметров.
Преимущества иммерсионного метода включают отсутствие влияния шероховатости поверхности на качество контакта, возможность контроля изделий сложной формы, исключение износа преобразователей. Недостатки связаны с необходимостью герметизации и защиты от коррозии водопоглощающих композитов, ограничениями по габаритам контролируемых изделий, необходимостью обслуживания водяных систем.
К оглавлениюМетоды контроля композитных материалов
Импульсный эхо-метод является наиболее распространенным в дефектоскопии композитов. Метод основан на регистрации времени прихода и амплитуды эхо-сигналов, отраженных от дефектов и противоположной поверхности изделия. Совмещенная схема прозвучивания использует один преобразователь для излучения и приема сигналов, что упрощает конструкцию сканирующих систем. Раздельная схема с двумя преобразователями применяется для контроля изделий с затрудненным доступом к противоположной стороне.
Теневой метод регистрирует ослабление ультразвуковой волны при прохождении через контролируемый материал. Два преобразователя располагаются с противоположных сторон изделия соосно друг другу. Передатчик излучает импульс, а приемник регистрирует прошедший сигнал. Наличие дефекта на пути распространения волны приводит к снижению амплитуды принятого сигнала. Метод эффективен для обнаружения крупных расслоений и зон непропитки, но не позволяет определять глубину залегания дефекта.
Резонансный и реверберационный методы
Резонансный метод основан на анализе резонансной частоты колебаний, возникающих между поверхностями изделия или слоями многослойной конструкции. При наличии хорошей адгезии между слоями система колеблется на определенной резонансной частоте. Нарушение связи между слоями изменяет резонансную характеристику, что фиксируется специализированными дефектоскопами. Метод применяется для контроля клеевых соединений, обшивок с сотовым заполнителем, многослойных панелей.
Реверберационно-сквозной метод регистрирует последовательность многократных отражений УЗ-волны между поверхностями изделия. Два преобразователя располагаются с одной стороны на небольшом расстоянии друг от друга. Излученная волна претерпевает многократные отражения и через определенное время попадает на приемник. Наличие дефектов изменяет картину многократных отражений, что проявляется в изменении амплитуды и спектра принятого сигнала. Метод эффективен для контроля трехслойных композитных конструкций толщиной от трех до тридцати миллиметров.
На практике для всестороннего контроля композитных конструкций применяют комбинацию различных методов. Импульсный эхо-метод используют для обнаружения расслоений в монолитных зонах, резонансный метод для оценки качества склейки, теневой метод для выявления зон непропитки. Такой подход обеспечивает максимальную достоверность контроля при минимальных временных затратах.
Программное обеспечение дефектоскопов
Современное программное обеспечение ультразвуковых дефектоскопов обеспечивает автоматизацию процессов сбора, обработки и анализа данных контроля. Базовые функции включают управление параметрами прибора, отображение А-сканов в реальном времени, сохранение результатов контроля в энергонезависимую память. Расширенные возможности реализуют построение двумерных и трехмерных изображений структуры материала, автоматическое обнаружение дефектов по заданным критериям, статистический анализ дефектности.
Программы для персональных компьютеров выполняют постобработку данных, полученных портативными или стационарными системами. Функциональность включает просмотр и редактирование сохраненных протоколов, построение карт дефектности в цветовой кодировке, измерение размеров и координат несплошностей, экспорт данных в форматы CAD-систем. Модули формирования отчетности позволяют создавать протоколы контроля в соответствии с отраслевыми стандартами и требованиями заказчика.
Алгоритмы обработки сигналов
Цифровая фильтрация сигналов применяется для подавления шумов и выделения полезных компонент эхо-сигналов. Реализуются полосовые фильтры с регулируемой частотой среза, адаптивные алгоритмы шумоподавления, медианные фильтры для устранения импульсных помех. Детектирование сигнала выполняется по положительной или отрицательной полуволне, по полному выпрямлению или по радиосигналу в зависимости от типа преобразователя и характера дефектов.
Алгоритмы автоматического распознавания дефектов анализируют параметры эхо-сигналов и классифицируют их по типу несплошностей. Используются пороговые методы, основанные на сравнении амплитуды с заданным уровнем, корреляционные алгоритмы для выделения характерных форм сигналов, нейросетевые классификаторы, обученные на базах данных реальных дефектов. Достоверность автоматического обнаружения составляет от восьмидесяти до девяноста пяти процентов при ложных срабатываниях менее пяти процентов.
К оглавлениюВыбор частоты и преобразователя
Частота ультразвукового преобразователя является критическим параметром, определяющим глубину проникновения и разрешающую способность контроля. Для композитных материалов применяются преобразователи в диапазоне от половины до десяти мегагерц. Низкие частоты от половины до двух мегагерц обеспечивают максимальную глубину проникновения до восьмидесяти миллиметров в стеклопластиках и используются для контроля толстостенных конструкций. Средние частоты от двух до пяти мегагерц представляют компромисс между проникающей способностью и разрешением.
Высокие частоты от пяти до десяти мегагерц применяются для контроля тонкостенных изделий толщиной до десяти миллиметров с высокими требованиями к обнаружению мелких дефектов размером от одного миллиметра. Разрешающая способность по глубине составляет примерно половину длины волны, которая для частоты пять мегагерц в композите со скоростью три тысячи метров в секунду равна трем десятым миллиметра. Это позволяет раздельно регистрировать дефекты, находящиеся на расстоянии более полутора миллиметров друг от друга по глубине.
Типы пьезоэлектрических преобразователей
Контактные преобразователи прямого ввода возбуждают продольные волны, распространяющиеся перпендикулярно поверхности изделия. Активный элемент изготавливается из пьезокерамики титаната-цирконата свинца с рабочей площадью от пяти до двадцати пяти миллиметров в диаметре. Протектор из полимерного материала обеспечивает демпфирование преобразователя и защиту пьезоэлемента. Длительность зондирующего импульса составляет от трех до десяти периодов колебаний.
Фазированные антенные решетки содержат линейку или матрицу пьезоэлементов с индивидуальным управлением. Типичная конфигурация включает шестьдесят четыре элемента с шагом шесть десятых миллиметра, обеспечивающих активную апертуру тридцать восемь миллиметров. Электронное сканирование реализует изменение угла ввода от нуля до восьмидесяти градусов, фокусировку луча на заданной глубине, секторное сканирование для формирования В-сканов без механического перемещения. Скорость электронного сканирования достигает тысячи кадров в секунду.
При контактном методе контроля протектор преобразователя подвергается абразивному износу о поверхность изделия. Ресурс работы стандартных преобразователей составляет от ста до трехсот часов сканирования. Для увеличения срока службы применяют протекторы из высокопрочных полимеров или керамики, используют иммерсионную технику с водяным клином. Износ протектора приводит к изменению акустических характеристик и требует периодической поверки преобразователей.
Часто задаваемые вопросы
Для углепластиков толщиной двадцать миллиметров рекомендуется применять преобразователи с частотой от двух до пяти мегагерц. Частота два с половиной мегагерца обеспечивает оптимальное соотношение между проникающей способностью и разрешением, позволяя обнаруживать расслоения размером от пяти миллиметров на всей глубине изделия. Использование более высоких частот может привести к чрезмерному затуханию сигнала на глубине.
Импульсный эхо-метод применим для обнаружения полных непроклеев, когда адгезия между металлом и композитом полностью отсутствует. В этом случае регистрируется интенсивный эхо-сигнал от границы раздела вместо донного сигнала. Для выявления частичных непроклеев более эффективны резонансный или импедансный методы, анализирующие изменение механических свойств клеевого соединения.
Поверхность должна быть очищена от загрязнений, масел, пыли и других веществ, препятствующих акустическому контакту. Допускается шероховатость поверхности до пятидесяти микрометров без дополнительной обработки. При большей шероховатости или наличии защитных покрытий рекомендуется местная шлифовка контролируемой зоны. Окрашенные поверхности контролируются без удаления краски, если ее толщина не превышает двухсот микрометров.
Точность определения глубины дефекта зависит от погрешности измерения времени прихода эхо-сигнала и точности задания скорости ультразвука в материале. При правильной настройке дефектоскопа по стандартным образцам погрешность составляет от одной до трех десятых миллиметра для изделий толщиной до пятидесяти миллиметров. Неоднородность скорости звука в различных зонах композита может вносить дополнительную погрешность до пяти процентов измеренной глубины.
Однонаправленные композиты обладают сильной анизотропией акустических свойств. Скорость ультразвука вдоль волокон может отличаться от скорости поперек волокон на двадцать-тридцать процентов. Это требует учета направления прозвучивания при настройке глубиномера и интерпретации результатов. Тканые композиты более изотропны, но структура переплетения может создавать ложные эхо-сигналы от границ слоев, которые необходимо отличать от реальных дефектов.
Контроль трехслойных конструкций с сотовым заполнителем выполняется специализированными низкочастотными методами. Импульсный эхо-метод позволяет контролировать обшивки толщиной до пяти миллиметров на предмет расслоений. Резонансный и реверберационный методы применяются для обнаружения отслоений обшивки от сотового заполнителя. Контроль самого сотового заполнителя на предмет деформаций ячеек затруднен из-за сложной геометрии и требует применения специальных методик.
