Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов

Оборудование для активной термографии

источник Olimpus

Одним из перспективных методов НК изделий из композиционных материалов является метод активной термографии (АТ) (рисунок 1). Данный метод основан на различии теплофизических характеристик дефектной и бездефектной областей, что отображается в виде неоднородностей распределения тепла. На сегодняшний день, этот метод успешно используется предприятиями, изготавливающими или эксплуатирующими изделия и конструкции из композиционных материалов. Такие крупные иностранные авиастроительные предприятия, как Boeing и Airbus, уделяют особое внимание методу АТ, включив его в свои стандарты предприятия, описывающие процедуру НК фюзеляжа, сотовых панелей и т.п. [1].

Метод АТ внесён в международные стандарты по НК (NAS 410, EN 4179, и т.д.), а также в Российские государственные стандарты (ГОСТ Р 17359-2015, ГОСТ Р 18434-1-2013 и т.д.). Национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 56787-2015 [2], посвященный неразрушающему контролю полимерных композитов, рекомендует метод активной термографии для выявления таких дефектов, как: расслоение, изменение плотности, нарушение связей между компонентами композита, нарушение целостности волокна, разрывы волокна, инородные включения, влага, пористость, изменение толщины, пустоты.

Для реализации метода активной термографии используется система NDTherm фирмы Opgal, которая представляет собой высокопроизводительный комплекс средств контроля методом АТ.

Общий вид системы с обозначением основных блоков и элементов, приведён на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид системы термографического контроля NDTherm: 1 — блок электронного управления, 2 — блок обработки и анализа изображений, 3 — камера видимого излучения, 4 — ИК камера, 5 — источники теплового возбуждения (галогеновые лампы)

Результаты проведения контроля с помощью системы NDTherm представляются в виде последовательных термограмм контролируемого участка после обработки специальными алгоритмами. Более подробное описание практической применимости вышеуказанного метода будет описано далее.

Оборудование для ультразвукового контроля

Одним из самых изученных и популярных методов НК является метод ультразвукового контроля (УЗК). Ультразвуковые методы дефектоскопии основаны на различии акустических свойств дефекта и основного материала.

Ультразвуковая камера DolphiCam, использованная при исследовании метода УЗК, является разработкой норвежской фирмы DolphiTech. Данный прибор предназначен для контроля деталей из углепластика и выявления дефектов типа расслоений, трещин, инородных включений и т.д. Данный прибор использует УЗ эхо-метод для одностороннего сканирования изделия на наличие дефектов. Излучателем и приёмником УЗ волн является матрица из ≈ 16 000 пьезоэлектрических элементов, что позволяет покрывать достаточно большой объём изделия одновременно, а также получать 2D и 3D изображения обнаруженных дефектов и определять их линейные размеры. Общий вид оборудования для УЗК представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Общий вид ультразвуковой камеры DolphiCam и сопутствующего оборудования

Практическое применение оборудования NDTherm и DolphiCam

Описанное выше оборудование было использовано для комплексного исследования образцов и изделий из композитных материалов авиационного назначения. Комбинированное использование методов АТ и УЗК позволило добиться успеха в обнаружении таких дефектов, как: расслоения в изделиях из углепластика (рисунок 3),

Рисунок 3. Результат контроля образца из углепластика с искусственными дефектами типа расслоения с помощью системы NDTherm: а — общий вид образца; б — термограмма образца с выявленными дефектами (в нижней части изображения показаны всплески яркости на дефектных участках). Цифрами обозначены выявленные дефекты

расслоения в сэндвич-панелях, расслоения в алюмокомпозитах (рисунок 4),

Рисунок 4. Обнаружение дефектов типа расслоения в образце из алюмокомпозита с помощью УЗ камеры DolphiCam: слева — общий вид образца; справа — акустический образ выявленных дефектов и измерение их размеров

непроклей в композитных сотовых панелях (рисунок 5),

Рисунок 5. Результат контроля изделия авиационного назначения, выполненного из различных композитов, с помощью системы NDTherm. Пунктиром выделены выявленные дефекты типа расслоения и непроклея.
* Композитная структура, в которой заложены дефекты №1 и №4 представляет собой структуру стеклопластик-изоляция-кремнезёмная ткань-резина

непроклей в металлических сотовых панелях, инородные включения в стеклопластике (рисунок 6), и т.д.

Рисунок 6. Результат контроля образца из стеклопластика с искусственными дефектами типа инородных включений с помощью системы NDTherm: а — общий вид образца; б — термограмма образца с выявленными дефектами (в нижней части изображения показаны спады яркости на дефектных участках)

Инструменты программного обеспечения системы АТ NDTherm и УЗ камеры DolphiCam позволяют не только выявлять дефекты, но и оценивать их линейные размеры и глубину залегания. Ниже приводятся примеры контроля образцов и изделий из композитов с использованием Активной Термографии NDTherm и ультразвуковой камеры DolphiCam.

Заключение

На основе проведённых исследований можно сделать вывод, что система активной термографии NDTherm и ультразвуковая камера DolphiCam успешно решают актуальные задачи контроля качества изделий из композиционных материалов. Оба прибора оборудованы специальным программным обеспечением, которое упрощает представление результатов, позволяет проводить их глубокий анализ и оценивать характеристики выявленных дефектов (глубина залегания, размер и т.д.). Приборы мобильны и разработаны для проведения экспресс-контроля. Используемые в них технологии обработки сигналов позволяют эффективно и быстро контролировать изделия из композиционных материалов неразрушающими методами.

Список литературы

1. Вандельт М., Крёгер Т., Йоханнес М. Активная термография — эффективный метод неразрушающего контроля крупногабаритных изделий из композиционных материалов //
   В мире неразрушающего контроля. – 2016. – Т. 19. – № 1. – С. 8-12.
   
2. ГОСТ Р 56787-2015 Композиты полимерные. Неразрушающий контроль.