Тепловые и другие методы
УДК 621.384.32
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКОЙ И УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СТИМУЛЯЦИИ ДЕФЕКТОВ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
В.П. Вавилов, Д.А. Нестерук
Приведен краткий обзор работ по у. з. инфракрасной термографии, описаны результаты сравнительных экспериментальных исследований на образцах композиционных материалов, подвергнутых у. з. и оптической стимуляции.
Ключевые слова: термография, ультразвуковая стимуляция, композиционные материалы, тепловой контроль, импульсный нагрев.
Импульсный оптический нагрев является наиболее распространенным видом стимуляции композиционных материалов в тепловом контроле (ТК). Проблемами этой процедуры являются: неравномерность нагрева; низкий контраст температуры вследствие того, что нагреваются как дефектные, так и бездефектные зоны; низкая выявляемость глубинных дефектов, поскольку при этом требуется увеличивать поглощенную энергию, что влечет опасность перегрева изделия в конце действия теплового импульса.
В последние годы за рубежом получает распространение у. з. как импульсная, так и непрерывная стимуляция изделий, сопровождаемая теп-ловизионной регистрацией тепловых полей [1]. Отечественные работы в этой области отсутствуют. Предложено два типа у. з. стимуляции в ТК: непрерывная и импульсная (заметим, что в "классическом" ТК полным аналогом этих процедур является нагрев изделий тепловыми волнами и импульсами оптического излучения).
Непрерывное возбуждение ультразвуком с частотой более 20 кГц получило название "синхронной у. з. термографии" (ultrasonic lock-in thermography) [2, 3], а также "звукового Ик видения" (sonic IR imaging) или "термозвукового метода" (thermosonics) [4]. Коммерческими терминами являются VibroIR или SoniclR [5]. Следует также отметить близость у. з. термографии вибротермографии, которую осуществляют на сравнительно низких частотах механического возбуждения.
Основное отличие у. з. стимуляции от оптической состоит в том, что ультразвук существенно повышает температуру только в зоне дефектов с "трущимися" краями, оставляя бездефектные зоны "холодными", поэтому используемое в теории ТК понятие текущего контраста AT/T становится, по-видимому, неправомерным, поскольку избыточная температура изделия в процессе контроля близка к нулевой.
В зарубежных экспериментальных исследованиях применяют упругие волны частотой около 20 кГц и мощностью несколько сотен Ватт. Для осуществления принципа синхронного детектирования у. з. волны модулируют с частотой до нескольких Гц. При этом полное время контроля одной зоны площадью до 1 м2 достигает нескольких минут.
С целью обеспечения хорошего механического контакта у. з. стимулятора с изделием предложено нагревать изделие короткими у. з. импульсами (с определенной несущей частотой), а поверхностное температурное поле исследовать с помощью тепловизора на стадии охлаждения (phase angle thermography with ultrasound burst excitation) [3, 6]. Для этого
Владимир Платонович Вавилов, доктор техн. наук, профессор, сотрудник Томского НИИ интроскопии. Тел. 41-87-12. E-mail: vavilov@introscopy.tru.ru
используют у. з. сварочные устройства, генерирующие импульсы мощностью до 1 кВт и длительностью 30—200 мс с несущей частотой 20 кГц [4]. Импульсная у. з. стимуляция была успешно применена для ТК паяных соединений в изделиях сложной формы, в частности, в зоне соединения трубок и пластин, причем эффективность испытаний слабо зависела от точки ввода ультразвука [5].
В настоящем исследовании выполнено сравнение двух типов тепловой стимуляции композиционных материалов типа угле-, стекло- и органопластика. Оптический нагрев осуществляли кольцевой импульсной лампой (энергия 3 кДж, длительность импульса 1 мс). Непрерывную у. з. стимуляцию проводили с помощью магнитострикци-онного устройства разработки ИФПМ СО РАН (у. з. частота 20 кГц, излучаемая мощность до 300 Вт), см. рис. 1. Тепловые поля регистрировали с помощью компьютерной термографической системы ТИегшаСЛМ Р65 Ш.
Рис. 1. Устройство у. з. магнитострикционной стимуляции (а) и стандартный образец из углепластика (•).
В стандартном образце из углепластика оптическая стимуляция обеспечивает выявление трех дефектов из четырех при анализе исходных изображений (рис. 2а) и всех четырех дефектов после фурье-анализа или
Рис. 2. Сравнение оптической и у. з. стимуляции стандартного образца из углепластика толщиной 1 мм (расслоения имитированы четырьмя фторопластовыми
вставками):
а — оптическая стимуляция углепластика (максимальный сигнал над дефектом А 1,16 °С, средняя избыточная температура изделия 2,2 °С, отношение сигнал/шум 18,6, температурный контраст 53 %); б — у. з. стимуляция углепластика (максимальный сигнал над дефектом А 2,1 °С, средняя избыточная температура изделия 0,6 °С, отношение сигнал/шум 32,0, температурный контраст 580 %).
применения метода анализа главных компонент (рис. 3). В то же время у. з. стимуляция обеспечивает большее отношение сигнал/шум для дефекта А и в целом создает более сложное для идентификации тепловое
92
В.П. Вавилов, Д.А. Нестерук
поле, что может быть вызвано наличием незапланированных дефектов, не обнаруживаемых при оптическом нагреве (рис. 26 и рис. 4).
Рис. 3. Эффективность методов обработки ИК термограмм при оптической стимуляции
изделий:
а — изображение фазы Фурье (отношение сигнал/шум 5 = 33); б — изображение статистических главных компонент (отношение сигнал/шум 5 = 24,6).
Из результатов исследований сделан вывод о том, что преимущества и недостатки каждого вида ТК не являются очевидными. У. з. стимуляция предпочтительна при выявлении трещин, в частности, расположенных перпендикулярно к контролируемой поверхности. Важным преимуществом у. з. стимуляции является возможность выявления тонких поверхностных трещин в изделиях сложной формы.
Рис. 4. Эффективность методов обработки ИК термограмм при у. з. стимуляции изделий:
а — изображение фазы Фурье (отношение сигнал/шум 5 = 11,8); б — изображение статистических главных компонент (отношение сигнал/шум 5 = 31,7).
а
а
Пример ТК цилиндрического изделия из органопластика показан на рис. 5. Видно, что в случае оптического нагрева трещина не видна, а само температурное поле изделия неоднородно, что обусловлено неравномерным нагревом. У. з. стимуляция позволяет надежно выявить трещину при отсутствии заметного влияния геометрии изделия на результаты контроля. В то же время оптический нагрев вопреки ряду прогнозов может оказаться предпочтительным для обнаружения расслоений, параллельных основным плоскостям объекта контроля, а также для экспрессного определения теплофизических характеристик.
Выполненные исследования являются предварительными и иллюстрируют концепцию у. з. инфракрасной термографии. Дальнейшие иссле-
дования будут направлены на разработку метода модулированных у. з. волн и импульсного у. з. возбуждения.
Рис. 5. ТК цилиндрического изделия из органопластика:
- образец и "оптимальная" ИК термограмма при оптическом нагреве; б — ИК термограмма при у. з. стимуляции (отчетливо видна трещина).
а
Применение у. з. стимуляции изделий при ТК является перспективным, однако ее особенности требуют дальнейшего изучения; например, во многих случаях, где интуитивно ожидалось возникновение температурных сигналов, такие сигналы не регистрировались. Динамический отклик объектов контроля зависит от энергии возбуждения, наличия надежного контакта между у. з. стимулятором и изделием, способа закрепления объектов контроля, в особенности тонких изделий и свойств материала. Частота у. з. стимуляции должна быть близкой к собственным частотам изделия с целью повышения эффективности генерации тепла, а для предотвращения образования стоячих волн рекомендуется использовать "качающиеся" частоты у. з. колебаний.
НИИ интроскопии ГОУ ВПО ТПУ Поступила в редакцию
Томск 5 ноября 2009 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и неразрушающий контроль.— М.: "Спектр", 2009.— 544 с.
2. Zweschper Th., Dillenz A., Busse G. Ultrasound lockin thermography — an NDT Method for the inspection of aerospace structures.— Proc. Eurotherm Seminar No. 64 "Quant. IR Thermography", Reims, France, July 18—21, 2000, р. 212—217.
3. Dillenz A., Zweschper Th., Busse G. Phase angle thermography with ultrasound burst excitation.— Proc. Eurotherm Seminar No. 64 "Quant. IR Thermography", Reims, France, July 18—21, 2000, р. 247—252.
4. Favro L.D., Han X., Ouyang Z. et al. IR imaging of cracks excited by an ultrasonic pulse.— Proc. SPIE "Thermosense-XXII", 2000, v. 4020, p. 182—185.
5. Burke M.W., Miller W.O. Status of VibroIR at Lawrence Livermore National Laboratory.— Proc. SPIE "Thermosense-XXVI", 2004, v. 5405, p. 313—321.
6. Dillenz A., Zweschper Th., Busse G. Elastic wave burst thermography for NDE of subsurface features.— Insight, December 2000, v. 42, No. 12, p. 815—817.
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.