Оптические и тепловые методы
УДК 620.179.13
ТЕПЛОВОЙ ТОМОГРАФ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.П. Вавилов, S. Billard, В.М. Айвазян
Описаны технические характеристики теплового томографа и приведены экспериментальные данные по томографическому анализу ударных повреждений в углепластиковом композите.
Ключевые слова: активный тепловой контроль, тепловая томография, углепластик.
ВВЕДЕНИЕ
Революционизирующее воздействие томографических принципов продолжает в значительной степени обеспечивать прогресс в неразрушающем контроле (НК), особенно с использованием радиационного и у.з. методов испытаний. В тепловом контроле значимость томографии не столь велика вследствие диффузионного характера распространения тепловой энергии в твердых средах, в результате чего температурные сигналы, обусловленные дефектами, испытывают затухание по амплитуде и запаздывают во времени. Во многих случаях использование принципа динамической тепловой томографии позволяет визуализировать скрытые дефекты по глубине объекта контроля, даже если число выделяемых слоев не превышает 3—5.
Существует несколько реализаций тепловой и/или инфракрасной (ИК) томографии, описанных в [1—10]. В Томском политехническом университете (ТПУ) разрабатывается динамическая тепловая томография (ДТТ), идея которой была предложена еще в 1984 г. [1]. C тех пор выполнен ряд экспериментальных исследований, преимущественно в области НК композиционных материалов. Например, в [6] приведено сравнение результатов у.з. и теплового контроля ударного повреждения в углепластике; отмечено, что у.з. томография обеспечивает значительно лучшее разрешение по слоям, однако тепловой метод предпочтителен с точки зрения производительности испытаний, бесконтактности и отсутствия контакта композита с водой.
В статье описан прототип теплового томографа, разработанный в ТПУ для НК композитов в условиях производства и лабораторных исследований; подходит к завершению разработка портативного теплового дефектоскопа, реализующего принцип ДТТ, для НК в условиях ангаров и самолетных стоянок аэропортов.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕПЛОВОГО ТОМОГРАФА
ДТТ не требует создания прецизионных сканирующих устройств, поскольку разноракурсная съемка, необходимая, например, для рентгеновской томографии, заменяется записью последовательностей ИК-термограмм, отражающих изменение температуры во времени (напомним, что в основе ДТТ лежит простой принцип соответствия глубины залегания дефектов и времени задержки температурных сигналов на нагреваемой поверхности при односторонних испытаниях [3]). Поэтому в качестве теплового томогра-
Владимир Платонович Вавилов, доктор техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий лабораторией теплового контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета (НИ ТПУ). E-mail: vavilov@tpu.ru
Simon Billard (Франция), стажер Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Виген Матевосович Айвазян, исполнительный директор фирмы ООО "Солютерм", Москва. E-mail: vigen.ayvazyan@eads-rto.com
фа может служить любое устройство ИК термографического НК ("тепловой дефектоскоп"), осуществляющее цифровую запись ИК-термограмм и включающее специализированный софтвер, который обеспечивает томографический анализ данных и построение тепловых томограмм.
Объект контроля
ч Л ч
1
Повышение отношения сигнал/шум, выделение
дефектов (фурье- и вейвлет-анализы, метод главных компонент) и т. п
Интерактивное взаимодействие с оператором (выбор бездефектных зон)
Компьютер
Тепловизор
Построение максиграмм _и таймограмм_
Источник нагрева
Построение тепловых томограмм
IB
Построение бинарных карт дефектов
Рис. 1. Схема теплового томографа.
\\
\
Разработанная в ТПУ аппаратура обладает достаточно гибкой архитектурой и позволяет использовать как источники нагрева, так и ИК-тепловизоры различного типа. Управление процессом испытаний осуществляет специализированная программа, для обработки результатов контроля применяют программы ThermoFit Pro и ThermoLab (схема на рис. 1). Технические характеристики основных блоков устройства приведены в таблице.
Технические характеристики теплового томографа
Объекты контроля
Конструкции Панели различного радиуса кривизны, цилиндрические и конические изделия
Материалы Стекло-, угле-, органо- и боропластик, углерод-углеродные и сотовые структуры с металлическими и бумажными ячейками
Толщина материала 0—10 мм*
Площадь зоны одновременного контроля 0,05—0,15 м2
Производительность испытаний До 4,5 м2/ч
Минимальные обнаруживаемые дефекты
(расслоения)*: Более 5x5 мм
по поперечным размерам
по толщине Более 50 мкм
по глубине залегания До 3—6 мм (односторонняя процедура) и до 10 мм (двухсторонняя процедура)
Типы и мощность источников нагрева Ксеноновые импульсные лампы (3,2 кДж) Галогеновые лампы (1—30 кВт) Светодиоды (до 800 Вт) Конвектор (до 3 кВт) Ультразвуковой стимулятор (до 2,5 кВт)
Длительность нагрева 5 мс (ксеноновые лампы) До 20 с (галогеновые лампы, светодиоды, конвекторы и у.з. стимулятор)
Окончание таблицы
Типы ИК-тепловизоров** NEC Avio TH-9100
TheimaCAM P65
FLIR SC 7700M
Спектральный диапазон 7—13 и 8—10 мкм***
Температурная чувствительность 0,02—0,06 оС***
Формат термограмм 320x240 и 640x512***
Частота цифровой записи 0,1—113 Гц
/ i (полноформатная термограмма)
Число термограмм в последовательности 3—2000
Число разрешаемых томографических слоев* 3—5
Алгоритмы обработки ИК-изображений Фильтрация
Усреднение
Нормализация
Полиномиальная аппроксимация
Определение уноса материала
1D-дефектометрия
3Б-дефектометрия
Статистический анализ и бинарная карта де-
фектов
Корреляционный анализ
Анализ производных по времени (включая
анализ в логарифмических координатах)
Фурье-анализ
Вейвлет-анализ
Анализ главных компонент
Тепловая томография
Масса 5—10 кг (в зависимости от типа источника
нагрева и тепловизора)
Питание Сеть 220 В
Примечание: * усредненные значения (данные параметры подлежат определению в конкретных задачах контроля);
** см. паспортные характеристики ИК-тепловизоров; *** в зависимости от типа тепловизора.
ПРИМЕРЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Испытания теплового томографа проведены на углепластиковых стандартных образцах корпорации Airbus, содержавших ударные повреждения различной энергии. Цель исследований — установление связи между количественными показателями теплового контроля и характеристиками дефектов. Ниже приведен пример томографического анализа ударного повреждения (энергия 62 Дж, скорость удара 6,8 м/с) в стандартном образце из углепластика толщиной 5 мм (рис. 2а). Ударное повреждение было осуществлено на передней поверхности панели белого цвета, при этом в месте удара визуально отмечено незначительное углубление круглой формы при отсутствии растрескивания композита.
Визуально наблюдаемое расслоение углепластика произошло вблизи задней поверхности образца, поэтому в качестве источника нагрева при одностороннем контроле задней поверхности выбраны две ксеноновые лампы, обеспечивающие длительность импульса нагрева около 5 мс. Запишем последовательность из 600 ИК-термограмм с частотой 60 Гц. Дефектная зона имела классическую форму бабочки (см. динамику температурного поля на рис. 26). Обработка данных по методу тепловой томографии показала, что основное тело дефекта (крылья "бабочки") находится в слое 0,26—0,34 мм, но в то же время незначительная часть дефекта распространяется до глубины 0,55 мм (см. рис. 2в).
а
t- <1,47
Рис. 2. Тепловая томография ударного повреждения в углепластиковой панели при одностороннем тепловом контроле задней (б, в) и передней поверхностей (г, д):
а — образец толщиной 5 мм (передняя и задняя поверхности), ударное повреждение с энергией 62 Дж при скорости 6,8 м/с; б — исходные термограммы задней поверхности при импульсном нагреве (слева направо времена задержек: 0,09; 0,9; 3,4 с); в — томограммы при контроле задней поверхности (координаты слоев слева направо: 0,26—0,55; 0,26—0,34; 0,35—0,55 мм); г — исходные термограммы передней поверхности при импульсном нагреве (слева направо времена задержек: 1,5; 10 с); д — томограммы при контроле передней поверхности (координаты слоев слева направо: 1,0—1,63; 1,0—1,24; 1,26—1,63 мм).
Преимуществом тепловой томографии, помимо возможности идентифицировать дефекты по нескольким выделенным слоям, является также низкая "зашумленность" томограмм, поскольку обработку данных проводят во временной области.
Исследования, описанные в настоящей работе, выполнены при финансовой поддержке в рамках реализации государственного задания Минобрнау-ки России на 2014—2016 годы, НИР № 445 (ОНГ).
Национальный исследовательский Томский Поступила в редакцию
политехнический университет 20 мая 2014 г.
ООО "Солютерм" Москва
ЛИТЕРАТУРА
1. Вавилов В . П., Ширяев В . В . Тепловой томограф.— А.С. 1266308 (СССР). 1984.
2. Thermal wave sub-surface defect imaging and tomography.— US Patent 4950897, 1990.
3. Вавилов В . П ., Джин Х ., Томас Р., Фавро Л. Экспериментальная тепловая томография твердых тел при импульсном одностороннем нагреве.— Дефектоскопия, 1990, № 12, с. 32—38.
4.Mandelis A. Theory of photothermal wave diffraction tomography via spatial Laplace spectral decomposition.— J. Opt. Soc. Am., 1991, v. A6, р. 298—305.
5. Vavilov V., Maldague X. Dynamic thermal tomography: New promise in the IR thermography of solids.— Proc.SPIE, v. 1682 "Thermosense—XIV", 1992, р. 194—206.
6. Vavilov V., Almond D.L., Busse G., Grinzato E., Krapez J., Maldague X., Peng Wen, Shirayev V., Wu D. Infrared thermographic detection and characterization of impact damage in carbon fiber composites: the round robin test results.— In: Proc. 4th Quant. Infr. Thermography, 7—10 Sept. 1998, Lodz, Poland, р. 43—52.
7. Вавилов В . П ., Маринетти С .Импульсная фазовая термография и тепловая томография на базе преобразования Фурье.— Дефектоскопия, 1999, № 2, с. 58—71.
8. Стороженко В .Щ ., Мельнк С . И., Орел Р. П. Новий алгоритм теплово! томографи!— Методи та прилади контролю як
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.