RU2686488C1 - Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов - Google Patents
Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686488C1 RU2686488C1 RU2018122931A RU2018122931A RU2686488C1 RU 2686488 C1 RU2686488 C1 RU 2686488C1 RU 2018122931 A RU2018122931 A RU 2018122931A RU 2018122931 A RU2018122931 A RU 2018122931A RU 2686488 C1 RU2686488 C1 RU 2686488C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- wave
- elastic
- waves
- defect
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000007689 inspection Methods 0.000 title abstract 2
- 239000000463 material Substances 0.000 title description 11
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 11
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 5
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 3
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователя перпендикулярно контактной поверхности объекта контроля с направлением волны через одну фокальную ось и последующим определением дефекта по времени пробега импульса упругой волны, при этом подача упругой поперечной ультразвуковой волны осуществляется с одной стороны изделия при помощи преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной ультразвуковой волны с другой стороны изделия при помощи этого же преобразователя с рабочей частотой обеих упругих волн 300 кГц и последующим определением наличия дефекта в объекте контроля по времени пробега импульса и амплитуде продольной волны. Технический результат: улучшение реверберационно-шумовой характеристики, увеличение чувствительности метода и повышение площади контроля. 6 ил.
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для выявления или нахождения дефектов изделий из анизотропных композиционных материалов.
Характерные разрушения изотропных твердых тел были описаны в работах [Irvin G.R., In «Structural Mechanics», Proc. I st. Symp. Naval Struct. Mech., Pergamon, Oxford, 1960, p. 557-594; Konish H.J., Swedow J.L., Cruse T.A., J. Compos. Mater., 6. 114-125, 1972]. Многократные теоретические уточнения и экспериментальные подтверждения привели к общепринятому использованию вязкости разрушения в качестве важнейшей константы технических материалов.
Полное описание разрушения анизотропных композитов, в отличие от изотропного случая, не может быть сведено к одномерной задаче. Необходимо установление функциональных зависимостей между ориентацией трещины (расслоения, непроклея и др. дефектов), направлением материала и векторов нагрузки, не говоря уже об определении когезионной, адгезионной и механической диссипаций. Следовательно, обзор и классификация определенных теоретических решений и детализации методов контроля могут затруднить, а не выявить соответствующие перспективы разрушения и контроля композитов.
Невидимые области материалов, например внутренние части изделий, сварочных швов и композиционных материалов, можно анализировать при помощи ультразвукового контроля. Это тип неразрушающего контроля использует отражение звуковых волн для обнаружения дефектов, которые было бы сложно определить другим способом без разрушения исследуемого объекта. Ультразвуковой контроль является распространенным в авиационно-космической промышленности способом контроля целостности материалов в процессе производства и технического обслуживания.
Особенность ультразвукового контроля заключается в необходимости наличия контактной смазки для передачи ультразвуковой энергии исследуемому образцу вследствие большого расхождения между акустическим импедансом воздуха и твердой фазы контролируемого образца.
Другая особенность ультразвукового контроля заключается в том, ультразвуковой преобразователь (излучатель) должен быть правильно ориентирован (обычно перпендикулярно) относительно контролируемого объекта или дефекта. В полимерных композитах дефекты имеют, главным образом, параллельную ориентацию к поверхности изделия.
Для большинства случаев неразрушающего контроля используются методы, описанные в [Неразрушающий контроль и диагностика.: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 448 с.].
Неметаллические материалы обладают более сильной зависимостью затухания ультразвука от частоты, чем металлы. Особенно быстро затухание растет с частотой в крупноструктурных неметаллах. Поэтому для неразрушающего контроля таких материалов приходится использовать снижение частоты УЗ (ультразвукового) диапазона. Например, УЗ контроль ПКМ (полимерный композиционный материал) возможен на частотах, приблизительно, не выше 150…200 кГЦ.
ПКМ - один из наиболее распространенных конструкционных неметаллов. Для дефектоскопии и оценки прочностных характеристик конструкций (изделий) из ПКМ чаще других применяют методы прохождения (теневые) при сквозном или поверхностном прозвучивании изделий. Основным измеряемым параметром является время распространения ультразвука на некоторой базе прозвучивания. Поэтому базу необходимо знать с возможно большей точностью, особенно при поверхностном прозвучивании. Размеры рабочих поверхностей УЗ преобразователей для этого должны быть как можно меньше.
Для ряда задач, решаемых как методами прохождения, так и эхо-методом, необходимы преобразователи с малой длительностью преобразуемых импульсов и низким уровнем собственного реверберационного шума.
Все эти противоречивые требования были удовлетворены в предложенной конструкции преобразователя с сухим точечным контактом (СТК) и малой длительностью импульсной характеристики [Ультразвуковой низкочастотный преобразователь: пат. 2082163 Рос. Федерация: МПК G01N 29/24/ А.А. Самокрутов [и др.], заявитель и патентообладатель ООО «АКС». - №94005901; заявл. 21.02.1994, опубл. 04.07.1997, Бюл. №17]. Благодаря малой длительности сигналов и сухому акустическому контакту их можно применять для решения самых разных задач УЗ низкочастотного контроля.
По диаграммам направленности данного преобразователя видно, что первый преобразователь с продольными колебаниями протектора обеспечивают излучение и прием продольных УЗ волн по нормам к поверхности полупространства, а второй преобразователь с поперечными колебаниями протектора позволяет излучать и принимать поперечные УЗ волны перпендикулярно к поверхности. Вследствие точечного акустического контакта, кроме основного типа волн, каждый из преобразователей неизбежно излучает и способен принимать, под некоторыми углами к поверхности полупространства, другой тип объемных волн.
Кроме того, вдоль поверхности полупространства от этих преобразователей в разные стороны от точки контакта распространяются различные поверхностные волны. Преобразователь с продольными колебаниями протектора является ненаправленным излучателем волн Релея. Преобразователь с поперечными колебаниями протектора в направлении вектора смещений излучает продольные подповерхностные (головные) волны и волны Релея. Он же в направлении, перпендикулярном вектору смещений, излучает поперечные волны с горизонтальной поляризацией (SH волны). Эти свойства преобразователей с поперечными колебаниями протектора дают возможность измерений скоростей продольных и поперечных волн в материалах (ПКМ) способом поверхностного прозвучивания.
Детали из МСП-К являются многослойным клеевым полимерным композиционным материалом. Характерными дефектами для них являются:
- зоны отсутствия сцепления между соединенными элементами (непроклей), имеющий нулевую прочность. Обычно эти дефекты имеют заполненный газом зазор. Непроклеи - наиболее часто встречающиеся и самые опасные дефекты клеевых соединений;
- плохая адгезия, то есть слабое сцепление клея с материалом соединяемого элемента. Это снижает прочность клеевого шва;
- недоброкачественный клей;
- пористость, ослабляющая прочность соединения. Причины пористости - неполное удаление из клея растворителя, недостаточное давление при запрессовке, применение некачественных компонентов.
Для контроля деталей из МСП-К используют велосиметрический УЗ метод. Контроль проводят по сухим поверхностям без применения контактных смазок или погружения объекта контроля (ОК), в ванну с жидкостью. Этот метод использует влияние дефектов на скорость распространения упругих волн и длину их пути между излучающим и приемным преобразователями дефектоскопа.
В ОК (объект контроля) возбуждается УЗ колебание, распространяющиеся в виде ассиметричных волн нулевого порядка и (мода d0) продольных волн.
Дефекты регистрируют по изменению сдвига фазы принятого сигнала или времени распространения импульса на участке между излучателем и приемником (Фиг. 1).
Известны способы УЗ контроля материалов и изделий (Патент РФ №2036470, G01N 29/24, 1995; Патент РФ №2141653, G01N 29/04, 1999; Патент РФ №2492465, G01N 29/26, 2013; Патент РФ №2528578, G01N 29/24, 2014; Патент РФ №2539806, G01N 29/24, 2012; Патент РФ №2580214, G01N 29/24, 2012).
Наиболее близким по набору существенных признаков является техническое решение по патенту РФ №2469311 G01N 29/26, 2012, которые было принято авторами за ближайший аналог.
Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов, включающий в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователей перпендикулярно контактной поверхности с направлением сканирования через одну фокальную ось. Наличием дефекта является временная разница длительности пробега импульса упругой волны.
Недостатком данного способа является то, что для УЗ контроля композиционных материалов необходимо применять контактирующую жидкость; данное устройство слишком громоздко и имеет большие габариты; ограниченность области применения из-за низкой реверберационно-шумовой характеристики.
В результате исследований выяснилось, что данного материала (МСП-К) велосиметрический метод с односторонним доступом ограничен в применении, так как отсутствует четкий информационный параметр, который однозначно бы изменялся в дефектных участках.
Односторонний вариант метода имеет интерференционные помехи, затрудняющий контроль данного материала. По этой причине обычно не удается обнаружить дефекты вблизи краев и зон резкого изменения толщины ОК.
Чувствительность метода зависит от параметров ОК и глубины залегания дефектов, уменьшаясь с увеличением последней. Минимальная площадь обнаруживаемых дефектов 100…1500 мм2, причем большим глубинам залегания.
Односторонний вариант велосиметрического метода имеет также неконтролируемую зону, прилегающую к поверхности, противоположную поверхности ввода. Она составляет 20…40% от толщины ОК.
Технической задачей является улучшение реверберационно-шумовой характеристики, увеличение чувствительности метода и повышение площади контроля за счет использования велосиметрического способа УЗК (ультразвукового контроля) с двухсторонним доступом и использования одновременно временного и амплитудного метода прохождения упругих волн ОК (объекта контроля) с применением специальных преобразователей с СТК (сухого точечного контакта).
Указанная задача решается за счет того, что в способе контроля изделий из композиционного материала, который включает в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователей перпендикулярно контактной поверхности с направлением сканирования через фокальную ось. Наличием дефекта является временная разница длительности пробега импульса упругой волны. Осуществляется подача упругой поперечной с одной стороны изделия при помощи УЗ преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной волны с другой стороны изделия при помощи одновременного преобразователя с рабочей частотой 300 кГц. Наличие дефекта определяют по времени пробега импульса поперечной волны и амплитуде продольной волны.
На (Фиг. 2) приведена схема проведенного эксперимента. Контроль осуществлялся импульсным дефектоскопом А1220 «Монолит», который позволяет фиксировать время прихода сквозного сигнала с абсолютной погрешностью измерений временных интервалов в мкс.
Преобразователь типа S1808 с двумя пьезопреобразователями (позволяет объединить два метода контроля - временной и амплитудный. Временной метод прохождения основан на измерении времени пробега импульса через ОК (объект контроля). Путь ультразвукового луча АСД, огибающего дефект, больше, чем прямой путь АВД. В данном случае, тип волны не меняется, то есть, если вводится продольная, то и принимается продольная, если вводится поперечная, то она и принимается.
Признаком дефекта при контроле амплитудным методом служит ослабление амплитуды упругих волн, прошедших через ОК.
Для УЗ контроля были выбраны преобразователи типа S1808 с частотой 300 кГц (поперечная и продольная волна).
Результаты показали, что время прихода сигнала на бездефектном участке и над искусственными дефектами одинаково, а амплитуда сигнала уменьшается (Фиг. 3, 4, 5, 6).
Исходя из вышеуказанного, можно сделать соответствующие выводы:
- наиболее оптимальным методом УЗК деталей из МСП-К является комбинация двух способов прохождения - временного и амплитудного;
- для реализации данного способа требуется двухсторонний доступ к ОК и обеспечение точной соосности преобразователей;
- необходимо использовать преобразователи с сухим точечным контактом с возбуждением продольной волны и рабочей частотой 300 кГц.
Claims (1)
- Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов, включающий в себя подачу ультразвуковых волн при помощи преобразователя перпендикулярно контактной поверхности объекта контроля с направлением волны через одну фокальную ось и последующим определением дефекта по времени пробега импульса упругой волны, отличающийся тем, что подача упругой поперечной ультразвуковой волны осуществляется с одной стороны изделия при помощи преобразователя с сухим точечным контактом на заданном участке контроля с одновременной подачей упругой продольной ультразвуковой волны с другой стороны изделия при помощи этого же преобразователя с рабочей частотой обеих упругих волн 300 кГц и последующим определением наличия дефекта в объекте контроля по времени пробега импульса и амплитуде продольной волны.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122931A RU2686488C1 (ru) | 2018-06-25 | 2018-06-25 | Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122931A RU2686488C1 (ru) | 2018-06-25 | 2018-06-25 | Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686488C1 true RU2686488C1 (ru) | 2019-04-29 |
Family
ID=66430307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122931A RU2686488C1 (ru) | 2018-06-25 | 2018-06-25 | Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686488C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2797337C1 (ru) * | 2023-01-25 | 2023-06-02 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Способ ультразвукового контроля изделий переменной толщины из полимерных композиционных материалов |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4346599A (en) * | 1980-09-08 | 1982-08-31 | Armstrong World Industries | Method and apparatus for ultrasonically testing polymers |
| SU1585729A1 (ru) * | 1987-12-24 | 1990-08-15 | Предприятие П/Я А-1233 | Способ определени прочностных температурных характеристик полимеров |
| WO1999013327A1 (fr) * | 1997-09-08 | 1999-03-18 | Osaka Gas Co., Ltd. | Sonde de focalisation ultrasonique a ondes longitudinales destinee a l'inspection d'une matiere polymere, et systeme d'evaluation de defauts |
| RU2319957C2 (ru) * | 2006-03-15 | 2008-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Совтех" | Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров |
| RU2461820C1 (ru) * | 2011-05-11 | 2012-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов |
| RU2469311C2 (ru) * | 2008-07-24 | 2012-12-10 | Эйрбас Оперэйшнз Лимитед | Устройство для ультразвукового контроля изделия, имеющего сложный контур |
-
2018
- 2018-06-25 RU RU2018122931A patent/RU2686488C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4346599A (en) * | 1980-09-08 | 1982-08-31 | Armstrong World Industries | Method and apparatus for ultrasonically testing polymers |
| SU1585729A1 (ru) * | 1987-12-24 | 1990-08-15 | Предприятие П/Я А-1233 | Способ определени прочностных температурных характеристик полимеров |
| WO1999013327A1 (fr) * | 1997-09-08 | 1999-03-18 | Osaka Gas Co., Ltd. | Sonde de focalisation ultrasonique a ondes longitudinales destinee a l'inspection d'une matiere polymere, et systeme d'evaluation de defauts |
| RU2319957C2 (ru) * | 2006-03-15 | 2008-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Совтех" | Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров |
| RU2469311C2 (ru) * | 2008-07-24 | 2012-12-10 | Эйрбас Оперэйшнз Лимитед | Устройство для ультразвукового контроля изделия, имеющего сложный контур |
| RU2461820C1 (ru) * | 2011-05-11 | 2012-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2797337C1 (ru) * | 2023-01-25 | 2023-06-02 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Способ ультразвукового контроля изделий переменной толщины из полимерных композиционных материалов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Adams et al. | Nondestructive testing of adhesively-bonded joints | |
| Castaings et al. | Single sided inspection of composite materials using air coupled ultrasound | |
| Alleyne et al. | Optimization of Lamb wave inspection techniques | |
| CA2169307C (en) | Non-contact characterization and inspection of materials using wideband air coupled ultrasound | |
| US9121817B1 (en) | Ultrasonic testing device having an adjustable water column | |
| Tan et al. | Comparison of Lamb waves and pulse echo in detection of near-surface defects in laminate plates | |
| Bustamante et al. | Hybrid laser and air-coupled ultrasonic defect detection of aluminium and CFRP plates by means of Lamb mode | |
| RU2686488C1 (ru) | Способ ультразвукового контроля изделий из композиционных материалов | |
| US20110126628A1 (en) | Non-destructive ultrasound inspection with coupling check | |
| Murashov | Nondestructive testing of glued joints | |
| Ushakov et al. | Detection and measurement of surface cracks by the ultrasonic method for evaluating fatigue failure of metals | |
| Vlasie et al. | Mechanical and acoustical study of a structural bond: comparison theory/numerical simulations/experiment | |
| Samokrutov et al. | Development of acoustic methods and production of modern digital devices and technologies for ultrasonic non-destructive testing | |
| RU2760487C1 (ru) | Ультразвуковой способ измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов в стеклокерамических материалах элементов конструкций летательных аппаратов | |
| RU2791670C1 (ru) | Способ контроля качества акустического контакта между ультразвуковым преобразователем и керамическим изделием при проведении ультразвуковой дефектоскопии | |
| RU2816862C1 (ru) | Способ ультразвукового контроля затесненных участков изделий из стеклопластика | |
| Dorogov et al. | Ultrasonic control of aircraft products and structures manufactured of polymer materials | |
| RU2788337C1 (ru) | Способ контроля глубины дефектов типа "складка" в изделиях из стеклопластиковых материалов ультразвуковым методом | |
| US11359917B2 (en) | Method for non-destructive testing of walls of components | |
| Suchkov | The main advantage of electromagnetic-acoustic testing technique | |
| RU2783297C2 (ru) | Способ ультразвукового контроля электропроводящих цилиндрических объектов | |
| RU2755565C1 (ru) | Способ контроля сплошности в многослойных клеевых соединениях элементов конструкций летательных аппаратов из разнородных материалов | |
| Lowe et al. | Comparison of reflection coefficient minima with dispersion curves for ultrasonic waves in embedded layers | |
| Mustafa et al. | Imaging of disbond in adhesive joints with Lamb waves | |
| SCHOBER et al. | A new non-contact measuring method for the evaluation of the curing status of glued lightweight components based on ultrasound |