СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2019 года по МПК G01N29/04 

Описание патента на изобретение RU2686488C1

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.

Похожие патенты RU2686488C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ ИЗ ТВЁРДЫХ МАТЕРИАЛОВ, УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) И АНТЕННАЯ РЕШЁТКА С ПРИМЕНЕНИЕМ СПОСОБА 2017
  • Самокрутов Андрей Анатольевич
  • Шевалдыкин Виктор Гавриилович
  • Авдеев Андрей Андреевич
  • Беляев Николай Александрович
  • Козлов Антон Владимирович
RU2657325C1
Способ ультразвукового контроля изделий переменной толщины из полимерных композиционных материалов 2023
  • Минин Сергей Иванович
  • Терехин Александр Васильевич
  • Русин Михаил Юрьевич
  • Хамицаев Анатолий Степанович
  • Типикин Максим Евгеньевич
  • Разкевич Владимир Степанович
  • Чулков Дмитрий Игоревич
  • Филатов Анатолий Анатольевич
RU2797337C1
Способ контроля сплошности в многослойных клеевых соединениях элементов конструкций летательных аппаратов из разнородных материалов 2020
  • Русин Михаил Юрьевич
  • Антонов Владимир Викторович
  • Хамицаев Анатолий Степанович
  • Терехин Александр Васильевич
  • Минин Сергей Иванович
RU2755565C1
СЕЛЕКТИВНЫЙ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УПРУГИХ ВОЛН 2011
  • Несмашный Евгений Васильевич
  • Гуменюк Владимир Алексеевич
  • Казаков Николай Александрович
RU2493672C2
СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ТРУБОПРОВОДА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2016
  • Самокрутов Андрей Анатольевич
  • Седелев Юрий Анатолиевич
  • Ворончихин Станислав Юрьевич
  • Шевалдыкин Виктор Гавриилович
  • Алёхин Сергей Геннадиевич
  • Заец Максим Васильевич
  • Кадров Андрей Александрович
RU2629896C1
Настроечный образец для ультразвуковой дефектоскопии многослойных изделий 2022
  • Минин Сергей Иванович
  • Терехин Александр Васильевич
  • Русин Михаил Юрьевич
  • Типикин Максим Евгеньевич
  • Филатов Анатолий Анатольевич
RU2791171C1
Способ ультразвукового эхо-импульсного неразрушающего контроля трубопроводов и аппаратура для его осуществления 2017
  • Егурцов Сергей Алексеевич
  • Иванов Юрий Владимирович
  • Скрынник Татьяна Владимировна
  • Горяев Юрий Анатольевич
  • Коколев Сергей Анатольевич
  • Середёнок Виктор Аркадьевич
RU2655983C1
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ТИПА ВОЛН 2001
  • Козлов В.Н.
  • Самокрутов А.А.
  • Шевалдыкин В.Г.
RU2224250C2
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 1989
  • Кашаев Ю.Г.
  • Михлин Я.Э.
  • Трофимов А.И.
RU2019824C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2011
  • Генералов Александр Сергеевич
  • Далин Михаил Альбертович
  • Мурашов Виктор Васильевич
  • Бойчук Александр Сергеевич
RU2461820C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 686 488 C1

Реферат патента 2019 года СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

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.

Формула изобретения RU 2 686 488 C1

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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2686488C1

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЯ, ИМЕЮЩЕГО СЛОЖНЫЙ КОНТУР 2008
  • Бонд-Торли Эндрю
RU2469311C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2011
  • Генералов Александр Сергеевич
  • Далин Михаил Альбертович
  • Мурашов Виктор Васильевич
  • Бойчук Александр Сергеевич
RU2461820C1
СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПРИ РАЗРЫВЕ ПОЛИМЕРОВ 2006
  • Битюков Виталий Ксенофонтович
  • Тихомиров Сергей Германович
  • Хвостов Анатолий Анатольевич
  • Баранкевич Артем Алексеевич
  • Зайчиков Максим Александрович
RU2319957C2
Способ определения прочностных температурных характеристик полимеров 1987
  • Беляев Владимир Петрович
SU1585729A1
US 4346599 A, 31.08.1982
WO 9913327 A1, 18.03.1999.

RU 2 686 488 C1

Авторы

Дорогов Артем Александрович

Маслов Александр Иванович

Шалыга Сергей Владимирович

Шишурин Александр Владимирович

Бабашов Владимир Георгиевич

Болотских Алексей Александрович

Даты

2019-04-29Публикация

2018-06-25Подача