АКУСТИЧЕСКИЙ ИМПЕДАНСНЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПАЯНЫХ И КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОБШИВКИ С ТОРЦАМИ СОТ В ОДНОСТОРОННИХ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЯХ Российский патент 1996 года по МПК G01N29/16 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля и касается контроля качества паяных и клеевых мелкоячеистых сотовых конструкций.

Известен способ контроля качества паяных и клеевых соединений обшивки сложной формы с торцами сот в односторонних сотовых конструкциях, заключающийся в том, что соты полностью заполняют жидкостью, обладающей смачиваемостью по отношению к материалу стенок сот, возбуждают ультразвуковые колебания со стороны торцов сот, принимают отраженные колебания, анализируют их по результатам анализа качества соединения [1]
Известное решение обладает следующими недостатками.

1. При контроле качества пайки по данному техническому решению определяется наличие мениска в сотовых капиллярах. При отсутствии мениска происходит возрастание амплитуды отраженных эхосигналов и регистрируется непропай, что ведет к перебpаковке изделий.

2. В процессе пайки сотовых уплотнений возможно разъединение стенок сот припоем при сохранении мениска в сотовых капиллярах. Таким образом, происходит нарушение адгезии между сотоблоком и подложкой и возможен пропуск недоброкачественных изделий в эксплуатацию.

Известен импедансный способ контроля качества паяных и клеевых соединений обшивки с торцами сот в односторонних сотовых конструкциях, заключающийся в том, что совмещенный импедансный преобразователь прижимают к контролируемому объекту со стороны обшивки сотоблока, возбуждают в системе преобразователь-объект упругие колебания, измеряют амплитуды или фазу принятого сигнала и по ее величине определяют дефектность изделия [2]
Известное решение обладает следующими недостатками.

1. При контроле паяных сотовых уплотнений максимальная толщина обшивки для алюминиевого сплава может составлять 2 мкм, для стали 1,5 мм. При этом минимальный диаметр выявленного дефекта составляет 30 мм, что существенно ограничивает область использования данного технического решения.

2. Невозможно осуществлять контроль сотовых уплотнений со сложной геометрией обшивки, так как для выполнения контроля рабочая поверхность преобразователя должна плотно прилегать к обшивке.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности контроля качества соединения сотовых конструкций с обшивкой сложной формы любого сечения.

Поставленная задача решается путем реализации предлагаемого способа, заключающегося в том, что в импедансном способе контроля качества паяных и клеевых соединений обшивки с торцами сот в однородных сотовых конструкциях совмещенный импедансный преобразователь прижимают к контролируемому объекту со стороны сотоблока под углом относительно плоскости сотоблока, возбуждают в системе преобразователь-объект упругие колебания, которые создают в сотоблоке возмущающие силы в двух взаимно перпендикулярных направлениях, измеряют амплитуду принятого сигнала и по ее величине определяют дефектность изделия.

По сравнению с известными решениями предлагаемое техническое решение обеспечивает возможность контроля качества соединения сотовых конструкций с обшивкой сложной формы любого сечения за счет создания в сотоблоке возмущающих сил в двух взаимно перпендикулярных направлениях и обеспечения возможности измерения механического импеданса со стороны сотоблока.

На фиг. 1 показана реализация предлагаемого способа контроля при помощи предлагаемого преобразователя. Преобразователь 1, снабженный контактным наконечником 2, устанавливается под углом на сотоблок 3 с обшивкой 4 таким образом, чтобы наконечник стержня был погружен в одну из ячеек сотоблока, и прижимается с силой . Генератор импульсов импедансного дефектоскопа вырабатывает непрерывные синусоидальные электрические импульсы, которые при помощи излучающего пьезоэлемента преобразователя 1 преобразуются в акустические, вследствие чего в системе преобразователь-объект возникают упругие колебания, действующие на сотоблок с силой .

Кроме этого, при прохождении звуковых волн через стержень контактного наконечника 2 в стержне возникают волны четырех видов: растяжения-сжатия, крутильные, продольные, радиальные и изгибные (см. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М. Иностранная литература, 1957, с. 342). Очевидно, что колебания, создаваемые в стержне волнами, распространение которых связано с изменением размеров стержня, обладают сравнительно небольшой амплитудой, поэтому предлагается рассматривать только изгибные колебания стержня. Предлагается рассмотреть возмущающие силы, возникающие в сотоблоке в различные моменты времени τ. Если допустить, что в момент времени t₁, происходит изгиб стержня в одном из направлений, он воздействует на сотоблок с силой (см. фиг. 1). Очевидно, что если длина стержня обеспечивает его максимальный изгиб, то он осуществляется через время, соответствующее четверти периода распространения изгибных колебаний, т.е. τ₁= T/4=1/4f, где Т период распространения изгибных колебаний, f частота генерируемых звуковых колебаний. Тогда изгиб в противоположную сторону будет осуществляться позже на полупериод, т.е. . С другой стороны, излучающий пьезоэлемент преобразователя в процессе генерации звуковых колебаний испытывает деформации растяжения-сжатия, т.к. генератор дефектоскопа вырабатывает синусоидальные сигналы. Благодаря возникающим колебаниям на сотоблок воздействуют упругие колебания в направлении оси преобразователя оси стержня контактного наконечника, которые в идеальном случае через некоторый промежуток времени τ_o совпадают по фазе с колебаниями стержня, и система преобразователь-сотоблок входит в автоколебательный режим. Таким образом, на сотоблок воздействует дополнительная сила . Максимальной амплитуда колебаний, создаваемая этой силой, будет при максимальной деформации растяжения излучающего пьезоэлемента преобразователя, которая возникает через время Т/4. Значит, в момент времени τ₁ на сотоблок воздействуют силы и . Через полупериод на пьезоэлементе осуществляется деформация сжатия, что соответствует времени 3Т/4. Следовательно, в момент времени τ₁ и τ₂ на сотоблок воздействуют силы .

На фиг. 2, 3 представлены проекции действующих на сотоблок сил в моменты времени τ₁ и τ₂, вследствие чего возникают результирующие силы , которые можно представить соответственно в виде горизонтальной и тангенциальной составляющих: в момент , в момент Таким образом, в моменты времени τ₁ и τ₂ на сотоблок воздействуют сдвиговые и тангенциальные колебательные силы. Очевидно, что при возможных других сочетаниях сил, действующих на сотоблок со стороны преобразователя, изменяется только абсолютная величина или направление колебательных сил. Погружение сотоблока под углом α = 90^° выбирается с целью устранения плотного прилегания сотоблока к обшивке за счет прижима преобразователя с силой , что позволяет увеличить амплитуду колебаний сотоблока. Настройка дефектоскопа и контроль качества соединения сотоблока в обшивкой осуществляются по известной технологии (см. Ланге Ю.В. Контроль клеевых и паяных соединений в многослойных конструкциях акустическим импедансным дефектоскопом АД-40И. М. НИИинтроскопии, 1976, с. 9-15). Контроль проводится путем отдельных перестановок преобразователя вдоль поверхности сотоблока с шагом сканирования, который определяется в соответствии с минимальными размерами допустимого единичного дефекта. Для сравнения на фиг. 4 представлено аналогичное нагружение сотоблока известным совмещенным преобразователем. В этом случае воздействие на сотоблок осуществляется только за счет деформации растяжения-сжатия пьезоэлемента и в момент времени τ₁= T/4 представлено колебательной силой , которую можно разложить на горизонтальную составляющую и тангенциальную составляющую . В момент времени действие на сотоблок со стороны преобразователя осуществляется только за счет прижима с силой . Далее предлагается сравнить амплитуды внешних сил, действующих на сотоблок, учитывая, что система преобразователь-сотоблок является автоколебательной. Со стороны преобразователя на сотоблок в общем случае действует внешняя сила , изменяющаяся со временем по синусоидальному закону с частотой ω:
,
где F_o амплитуда внешней силы,
t время
(см. Кузмичев В.Е. Законы и формулы физики. Киев: Наукова думка, Киев, с. 354-355). Малые вынуждающие колебания описываются следующим дифференциальным уравнением:

где 2β=r/m, ω2o

Решение уравнения (1) имеет вид:
X = Acos(ωt-α) (2),
где А амплитуда колебательной системы,
α угол, на который вынужденные колебания системы отстают от возмущающей силы по фазе.

Уравнение (3) можно представить в виде:

A F_o•C, где С const, т.к. для случая системы сотоблок-преобразователь k, m, ω, r - const.

При нагружении сотоблока с помощью известного преобразователя (см. фиг. 4) в течение периода Т амплитуда колебаний сотоблока в плоскости, , амплитуда колебаний сотоблока по вертикали
При нагружении сотоблока с помощью предлагаемого преобразователя в течение периода времени Т (см. фиг. 2, 3) амплитуда колебаний сотоблока в плоскости амплитуда колебаний сотоблока по вертикали
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что амплитуда вынужденных колебаний сотоблока при его нагружении предлагаемым преобразователем значительно превосходит амплитуду вынужденных колебаний сотоблока при его аналогичном нагружении известным преобразователем. За счет нагружения сотоблока в двух взаимно перпендикулярных направлениях и значительного увеличения амплитуды колебаний сотоблока возрастает разница между амплитудой колебаний в дефектной и бездефектной зонах сотоблока, т.е. чувствительность контроля.

Пример. Исследование предлагаемого технического решения проводилось для мелкоячеистых сотовых уплотнений в кольцевых заготовках. Диаметр сотовой ячейки составлял 0,8 мм, высота сотоблока 10 мм, ширина 10 мм, сечение подложки 5 мм. Был изготовлен соответствующий образец на натурной детали с рядом искусственных дефектов. Дефекты получали следующим образом.

Перед пайкой сотоблока к основе в кольце сверлились сквозные отверстия диаметром 4, 6, 8, 10 мм. Также параллельно закладывались дефекты типа "непропай" путем нанесения на поверхность подложки карбида титана Тi₂C в виде круглых пятен диаметром 4, 6, 8, 10 мм. Расстояние между одиночными дефектами было выбрано равным 30 мм. Затем сотоблок по известной технологии паялся в подложке, причем на участок подложки, свободный от единичных дефектов, протяженность которого составляла порядка 200 мм, припой не засыпался. Протяженность пропаянного участка составила порядка 500 мм.

Для работы использовались импедансный акустический дефектоскоп АД-40И и преобразователь ПАДИ-5 (как обладающий максимальной чувствительностью) с контактным наконечником по предлагаемому техническому решению. Доработка преобразователя проводилась следующим образом.

Подключенный к дефектоскопу преобразователь устанавливался вертикально на поверхность сотоблока, и проводился поиск резонансной частоты системы, которая составила 3,5 кГц. Затем у преобразователя снимался контактный наконечник из корундовой керамики. Взвешивание показало, что его вес составляет 0,5 г, следовательно, общая масса нового контактного наконечника должна составлять 0,5 г. Диаметр измерительного пьезоэлемента был равен 10 мм. Для удобства изготовления контактный наконечник проектировался из материала СТ20 с круглым стержнем диаметром d 1,5 мм (см. фиг. 5).

Известно, что в круглых стержнях ультразвуковые изгибные колебания распространяются со скоростью (cм. Бергман Л. Ультразвук и его применение в технике. М. Иностранная литература, 1957, с. 342), где d диаметр стержня, f частота ультразвуковых колебаний, Е модель Юнга для материала стержня, ρ_o плотность материала стержня.

Так как длина стержня l выбирается из условия l=(2n+1)λ/4, можно записать:



Так как минимальные потери энергии колебаний стержнем обеспечиваются его минимальной длиной, было выбрано n 0, тогда
, где
d 1,5 мм 0,15 см,
f 3,5 кГц 3500 Гц,
Е 20,4•¹⁰ 2,04•10¹² дин/см²,
ρ_o 7,8 • 10³ кг/м³ 7,8 см³,
(см. Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. М. Металлургия, 1985, с, 54).

.

С учетом того, что сотовая ячейка представляет собой круглый капилляр, и для повышения технологичности контроля наконечник стержня проектировался в виде конуса высотой S 2 мм с углом наклона относительно оси стержня β 45^o.

Таким образом, масса стержня определялась из условия:
m₁= (V_к+V_у)ρ, где, где
объем конусной части стержня,
объем цилиндрической части стержня ,

С учетом того, что диаметр дискового элемента должен быть равен диаметру измерительного пьезоэлемента, был выбран D 10 мм и определено сечение дискового элемента

где m 0,5 г масса корундового контактного наконечника, которая соответствует массе инерционной нагрузки компенсационного пьезоэлемента.

Изготовленный по соответствующим расчетам контактный наконечник при помощи эпоксидного клея приклеивался к измерительному пьезоэлементу преобразователя ПАДИ-5 взамен корундового наконечника. Затем исследовалась возможность контроля наличия непропая на описанном выше образце при помощи серийного преобразователя ПАДИ-5 (маркировка ПЭПОО) и ПАДИ-5 с контактным наконечником по предлагаемому техническому решению (маркировка ПЭП15) в комплекте с дефектоскопом АД-40И.

Настройка дефектоскопа и контроль образца для каждого преобразователя проводились в резонансном режиме по известной технологии. Шаг сканирования был выбран равным 5 мм. При помощи ПЭП00 образец контролировался со стороны подложки и сотоблока с его вертикальной установкой (α=90^°), а также со стороны сотоблока с установкой ПЭП00 на его край под углом α=30^°. При помощи ПЭП15 образец контролировался со стороны сотоблока с установкой ПЭП15 под углом α=30^° (см. фиг. 1).

На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод, что предлагаемое техническое решение обеспечивает контроль сотовых уплотнений в односторонних сотовых конструкциях с максимальной чувствительностью.

Использование предлагаемого технического решения позволит:
1) осуществлять контроль качества пайки сотовых конструкций с любым сечением подложки за счет создания в сотоблоке возмущающих сил в двух взаимно перпендикулярных направлениях;
2) осуществлять контроль качества пайки сотовых конструкций с любой конфигурацией подложки за счет нагружения сотовых конструкций со стороны сотоблока.

Использование: в аэрокосмической промышленности. Сущность изобретения: к известному дефектоскопу подключается преобразователь с контактным наконечником, длина стержня которого определена на условия l=(2n+1)λ/4, конфигурация наконечника стержня выполнена подобной конфигурации ячейки сотоблока под углом относительно оси стержня. 3 ил.

Акустический импедансный способ контроля качества паяных и клеевых соединений с торцами сот в односторонних сотовых конструкциях, заключающийся в том, что совмещенный импедансный преобразователь прижимают к контролируемому объекту, возбуждают в системе преобразователь объект упругие колебания, измеряют амплитуду принятого сигнала и по ее величине определяют дефектность изделия, отличающийся тем, что преобразователь прижимают со стороны сотовой конструкции под углом α < 90^° относительно ее плоскости и в сотовой конструкции создают возмущающие силы в двух взаимно перпендикулярных направлениях.