АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 620.179.162

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Е.А. Павлухин1

Университет ИТМО, Россия, 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, лит. А.

В данной работе рассмотрены существующие проблемы неразрушающего контроля (НК) изделий из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ). Для их решения предложено разработать автоматизированную установку НК изделий из УУКМ. Произведен выбор метода неразрушающего контроля и определены основные требования к автоматизированной установке. Разработана методика автоматизированного неразрушающего контроля изделий из УУКМ.

Ключевые слова: автоматизация неразрушающего контроля, ультразвуковой контроль, композиционные материалы.

AUTOMATION OF THE PROCESS OF ULTRASONIC TESTING OF PRODUCTS FROM CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS

E.A. Pavlukhin

ITMO University, Russia, 197101, St. Petersburg, Kronverksky pr, 49, lit. A.

In this paper, the existing problems of non-destructive testing (NDT) of products made of carbon-carbon composite materials (CCCM) are considered. To solve them, it is proposed to develop an automated installation of NDT products from CCCM. The analysis of NDT methods was carried out, the main requirements for an automated installation were determined. A technique for automated non-destructive testing of products from CCCM has been developed

Keywords: automation of non-destructive testing, ultrasonic testing, composite materials.

Введение

В процессе создания новых материалов и технологий производства открытыми остаются вопросы качества изделий, а именно такие дефекты как поры, трещины, микротрещины, а также другие дефекты, влияющие на добротность объекта. Все вышеупомянутые дефекты приводят к отклонению свойств материала от заданных, нарушают эксплуатационные свойства изделия, могут приводить разрушениям нагруженного изделия и к отказам ответственных, дорогостоящих и опасных конструкций. Таким образом, при создании, внедрении и производстве УУКМ требуется не только оценить свойства нового материала, но и определить возможные дефекты, их влияние на нормируемые характеристики, вероятность и причины возникновения, способы контроля.

Структура рассматриваемых углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) состоит из углеродных волокон (армирующий компонент) и углеродной матрицы (связующее). Там, где нашли себе применения этого рода композиты должные иметь высокую прочность, а также работа в агрессинах средах. Чаше всего эти материалы используют в таких

отраслях как металлургия, авиастроения, ракетостроения, машиностроения, медицине [1,2]. Гибкие возможности по модификации волокон и связующего, а также чередования температурных переделов позволяет придать УУКМ необходимые механические свойства. Существуют несколько основных типов УУКМ, которые можно разделить на три большие группы в зависимости от способа создания углеродного каркаса:

- пространственно армированные (3D и 4DL);

- тканепрошивные;

- нетканые (иглопробивные и гид-росплетенные).

На рисунке 1 представлены классификация конструкционных тканей.

Выбор метода неразрушающего

контроля

Изделия, изготовленные из УУКМ, обладают структурной неоднородностью и естественной дефектностью, которая неизбежно возникает в процессе изготовления изделий данного вида.

1Павлухин Евгений Александрович — аспирант, тел.:+7 (988) 964-30-83, e-mail: Eapavlukhin@itmo.ru

Эти структурные особенности определяют физические ограничения на применение методов и средств неразрушающего контроля.

Рисунок 1 - Классификация конструкционных тканей

Анализ тенденций развития технологий НК изделий из УУКМ и опыт применения существующих методов НК показал, что акустический вид контроля рассматривается, как один из основных видов для промышленного использования. При этом с учетом акустических свойств УУКМ и толщин объекта контроля (ОК) приемлемым является теневой метод ультразвукового контроля (УЗК). Информативными параметрами при таком виде контроля являются амплитуда прошедшего сигнала, скорость прохождения ультразвука через объект контроля, спектральная характеристика и фаза. Амплитудный теневой метод основан на регистрации и анализе прошедшей через ОК ультразвуковой (УЗ) волны. При контроле теневым методом излучающий и приемный преобразователи располагают по разные стороны ОК или контролируемого участка. Данный метод позволяет обнаруживать структурные неоднородности в материале объекта контроля - скопления пор и микротрещин (на микроуровне), трещины, зоны пониженной плотности, локальной неоднородности структуры (на макроуровне).

Формирование основных требований

к автоматизированной установке

Теневой метод УЗК предполагает размещение излучающего и приемного преобразователей по разные стороны объекта контроля или контролируемого его участка. Как описывалось ранее, информацию о наличии дефектов в ОК получают при измерении параметров прошедшего от излучателя к приемнику сквозного сигнала. Для качественного и точного проведения УЗК в теневом режиме, необходимо обеспечить выполнение следующих требований:

- перпендикулярность к поверхности ОК;

- соосносное расположения преобразователей;

- стабильный тарированный прижим силиконовых протекторов преобразователей к поверхностям объектов контроля.

Это является важным критерием при проведении НК, которые должны обеспечиваться с помощью механизированного инструмента.

Разработка автоматизированной установки для неразрушающего контроля изделий из УУКМ На начальном этапе проектировании автоматизированной установки был рассмотрен тип конструкции, который представлял собой классическую трехкоординатную систему перемещения. ОК однозначно устанавливается в устройстве фиксации (рисунок 2).

Рисунок 2 - Общий вид ЭБ модели автоматизированной портальной системы

Автоматизированная оснастка для контроля качества заготовок из УУКМ (Рисунок 3) состоит из следующих устройств:

- система позиционирования;

- блок управления автоматизированной оснасткой;

- пульт управления автоматизированной оснасткой.

Основным конструкционным решением является система позиционирования, которая обеспечивает перемещение по оси Х, оси Ъ и оси У (равномерного приближения преобразователей на встречу друг к другу). Движение по осям осуществляется посредством передачи вращающего момента от шаговых двигателей через винтовую передачу. Рабочим органом портальной системы являются преобразователи (датчики УЗК), вынесенные на кронштейнах в рабочее поле. За счет движения звеньев обеспечивается фиксирование датчиков на поверхности объекта

24

СПбГЭУ

контроля с тарированным усилием прижатия. ОК располагается на специальном фиксированном ложементе в рабочем поле установки. В процессе расположения датчиков происходит центрирование объекта контроля.

Рисунок 3 - Автоматизированная оснастка:

а) система позиционирования; б) блок управления; в) пульт управления

Для обеспечения позиционирования используются направляющие, шарико-винтовые передачи (ШВП), шаговые двигатели (ШД), ременные и зубчатые передачи. Каждый из этих элементов обладает своей точностью, вносящей свой вклад в общую погрешность позиционирования.

Позиционирование преобразователя по осям осуществляется с помощью шагового двигателя, который с помощью ременной передачи передаёт вращение на винт ШВП [3]. Из приведённого элементного состава конструкции,

можно сказать, что на точность позиционирования будет влиять точность ШВП SFU 1605, ременной передачи и шагового двигателя РЬ42Н548-Б6.

Одним из главных узлов автоматизированной оснастки для неразрушающего контроля изделий из УУКМ, является устройство тарированного прижима (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Узел тарированного прижима

Главное назначение этого узла - обеспечение условий УЗК в теневом режиме, а именно равномерное перемещение, обеспечение тарированного прижима и соосное расположения датчиков. Данное устройство состоит из узла равномерного перемещения преобразователей и держателя датчика.

Узел равномерного перемещения преобразователей обеспечивает позиционирование источника и приёмника относительно ОК. На рисунке 5 показана схема, которая описывает принцип действия.

Рисунок 5 - Схема узла прижима

Равномерное перемещение датчиков друг к другу обеспечивается с помощью вала (10), который зафиксирован в опорах (5) на ра-диально-упорных подшипниках (9). Опоры (5) крепятся к конструкционному профилю (11). Рельсовые направляющие (14,15) крепятся к

торцу конструкционного профиля (11). На каретки (8), которые сопрягаются с рельсовыми направляющими (14,15), крепится швеллер горизонтального перемещения (6,7). Гайки (12,13) к швеллеру горизонтального перемещения (6,7). На вал (10) закреплён шкив (2). Вал (10) приво-

дит в действие шаговый двигатель через ременную передачу. Соосное расположение датчиков обеспечивается с помощью механического фиксирования датчиков друг относительно друга. Равномерное приближение преобразователей навстречу друг к другу обеспечивается через вал (10), который имеет два направления резьбы.

Тарированный прижим обеспечивается держателем датчика (Рисунок 6). Это один из элементов узла прижима датчиков. Принцип действия данного узла основан на обеспечении равномерного, калиброванного прижима. Это является главным условием при ультразвуковом неразрушающем контроле в теневом режиме.

Рисунок 6 - Устройство прижима преобразователя

Экспериментальная отработка

автоматизированной оснастки для неразрушающего контроля изделий из углерод-углеродных композиционных

материалов

Для проведения экспериментальной отработки автоматизированной оснастки был использован стандартный образец (СО) изготовленный из стали 20 по ГОСТ 14637 - 89 с размерами 112x55x53 (0внеш.х0внутр.х^ -0внеш.,0внутр. - внешний и внутренний диаметры соответственно, к - толщина образца). Скорость прохождения УЗ волны, согласно паспорту на образец, составляет 5900±59 м/с [4].

В начале на образец была нанесена разметка с шагом 5 мм. При проведении УЗК в каждой точке (пересечения разметки) с шагом 5 мм значения скорости прохождения ультразвуковой волны и усиления показаны на рисунке 7.

Рисунок 7 - Результат УЗК стандартного образца при измерении скорости

Анализ результатов измерений скорости ультразвукового сигнала в СО при использовании автоматизированной оснастки показал, что размах вариаций данных параметров составляет RС = 100 м/с. Из этого можно сделать вывод, что полученные данные соответствуют максимальному и минимально отклонению СО согласно паспорту.

Для подтверждения достоверности результатов акустического контроля ОК был проведён сравнительный анализ значений скорости прохождения ультразвуковой волны и усиления ультразвукового сигнала при ручном и автоматизированном контроле. Контроль осуществлялся теневым методом ультразвукового контроля с использованием преобразователей с частотой 1,0 МГц. При этом регистрировались два информативных параметра, прошедшего УЗ сигнала: А - амплитуда, С - скорость. Сплошной контроль каждого образца проводился продольно-поперечным сканированием с шагом сканирования равным 5 мм. При проведении УЗК каждой точки (пересечения разметки) значения скорости прохождения ультразвуковой волны фиксируются в таблицу.

В качестве ОК было использовано изделие из УУКМ на основе армирующих каркасов нового поколения в теневом режиме. На рисунке 8 показаны значения скорости прохождения ультразвуковой волны, а на рисунке 9 показаны значения амплитуды ультразвуковой волны при использовании технологической оснастки для ручного контроля.

Рисунок 8 - Результат УЗК ОК при измерении скорости распространения волны при ручном контроле

26

СПбГЭУ

•V •V 4«

и ■в

Ч" •V »V •V "V" »V

■л 41 ■л ЗЩ ■л ЧЯ ад

*м 50? 5*Л «V и и 51Д 51* 44

•V "Ч" »V Ч" "Г « ¡4" •V

ч1 Ч" Ч1

лг. Л1. .к. 54 лг. -1Ы .щ.

ш 1Й1. •V "V Ч1 ч*

•V Щ" 4 "V •Л1

ч* "Л и» ян ■л

V Ч1 Ч' 4Ё ^ * Ч1

"V "V ^ <м ¡V и Ч1

Ч" ■«V1 я? Ч1 н Ч" и 4е 5С Ч1

•V Ч1 "У » •л •V « Ч' 51

"М •V •V "V Ч* ¡V •V

Иг* Ч1 иг н Ч1

Рисунок 9 - Результат УЗК ОК при измерении амплитуды волны при ручном контроле

На рисунке 10 показаны значения скорости прохождения волны, а на рисунке 1 1 показаны значения амплитуды волны при автоматизированном контроле. Согласно адаптированной методике контроля качества для автоматизированного контроля качества заготовок УЗ методом в теневом режиме были проведены измерения.

Выполнив анализ информативных параметров УЗ сигнала при ручном и автоматизированном контроле в теневом режиме, можно сделать вывод, что использование автоматизированной оснастки позволяет проводить НК заготовок с низким разбросом по скорости и амплитуде ультразвукового сигнала.

ИД наа ШТ ни 2344 Н14 ИМ 1 1 ■

2311 2313 Д1Д 13М ДР НИ 3334 В44 зал 3344 2321 23В

не НЕ НВ1 ЯП а*4 яд ш 2355 наг ш 13« НИ Ш4 ЯБ2

ГТК ЕШ ЕМ Щ 7И4 над д» БЕИ зам ЗД44 23Ю 2 тая хш л 2<Ш-

КГ ж НИ М1 ян НТЕ ас ню нш НИ 2314. НЮ 5®4 ни НЭП ЯП ИИ Н44

ни не эм ни Э1* Э44 ил ЕИС нл гм? ггя

ав НИ 2344 2И7 ш _ _ 3334 не 2Э65 234в аар нее

Е" ЕИ КГ7 ш 23В 2ЭМ 2341 - — 1 1 23П 2» нп -Ц 32Л

14 и ни на Я44 В* на ям ндь Ш4

гш ни л 230 2341 2321 2373 ИИ 333?

■Б ■Е Г™ ВС ни нн яа НИ нл ЯК ни ни

ЕЮ гап НИ ям 2Ж 2350 па 2Д44 юл

ЫЗО ШЗ НИ Н41 2413 1997 ни НЭП юн Н65 Н7Б

гна ЕП1 ПИ ЕШ гм> ип ЕК пл гэм 73Л гаи

гг 2303 23« £37« 2556 вя Й55 23!? ш 2Ж 23Я 24« 2955

ЕЕ ТЫ ни НБв ян НТЕ нк НК ноз ГШ НЭЛ ни ни 1ШВ не нн ни 3411 Н44

азз 2« Ж 2« МП миг нв 13В6 ззн 136-9 ДЗИ гаге ш ьш 2ЭББ 2419

ИИ ни НЮ мш_ 2419 нот нш 335а ни ни ив нн ГШ НО ВМ

д» хдо над 137в 1355 ни ДР ж ни 13И им ш им

Рисунок 10 - Результат УЗК ОК при измерении скорости распространения волны при автоматизированном контроле

а ал Щ ■05 « 41 43 «л 17

"1= а 41 41 и 41 дг. и 43 41 «I5 42 эв

43 41 49 и С и 41 42 зя

« 41 41 42 « Я аы ЗВ,5 №5 Ш щ. 41 Ч5 Ч5 «V аф

«Л 43 «Г5 42 40 47 X « «I5 42

"V 43 47 42^ 41 «Г 41

ыд «з Я) «Д вд ЫД 415 44 44

и 41 37 « 4-

и 44 в 43 С

39 42 43 41

и 41 45 40 31 Ч1- 43 41 ♦V

49 43 40 50 40 £.6 5 43 41 44 ЗЕ

4К 43 43 зв « 43 О 44

дч 43 « 4В ЯТД -ЦЗ 42 42

и 43 42,! <3 С 41 И 37 39 "Г5 41 «I5 42 «2,5 «

4Б.5 4Й 42,5 « Ч5 41 44^ 44 42^ 44 59,5

17 43 С 43 «1 43 4! 44 40

37 42 43 4» 43 4; *5

Я « ч

Рисунок 11 - Результат УЗК ОК при измерении амплитуды волны при автоматизированном контроле

Заключение

По результатам проведенного анализа определены основные проблемы существующих технологий НК, для решения которых предложена автоматизированная технология НК изделий из УУКМ. В результате анализа сформулированы основные требования к автоматизированной установке. Разработана автоматизированная установка для контроля изделий из УУКМ.

Выполнена экспериментальная отработка автоматизированной установки для контроля изделий из УУКМ на основе армирующих каркасов нового поколения.

Разработанная оснастка для ультразвукового контроля изделий из УУКМ позволяет повысить точность измерений и достоверность полученных данных при ультразвуковом контроле изделий из УУКМ.

Литература

1. Троицкий В. А., Карманов М. Н., Троицкая Н. В. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов //Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2014. - №. 3. - С. 29-33.

2. Барынин В. А., Будадин О. Н., Кульков А. А. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: Спектр. 2013. - 242 с.

3. Н^Ш [Электронный ресурс]. - Режим доступа https://www.hiwin.com/index.html (дата обращения 19.06.2023)

4. ГОСТ 14637 - 89 Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества.