CC BY
53
УДК 620.179.1
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ТЕПЛОВЫХ ВОЛН В ТЕПЛОВОМ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
Ю.В. Фоминцева, Д.А Нестерук
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Приведен краткий теоретический материал по тепловому контролю, описаны результаты экспериментального исследования на образце композиционного материала, подвергнутого оптической стимуляции. В экспериментах использовался метод тепловой стимуляции объекта контроля с помощью тепловых волн и импульсного источника теплового нагружения. При обработке данных использовался метод Фурье-анализа последовательностей активного теплового контроля.
Ключевые слова:
Композиционные материалы, тепловой контроль, метод тепловых волн.
Материалы, которые человек использовал в своей деятельности, всегда играли важную роль в прогрессе цивилизации. Более того, они даже дали название целым этапам развития человечества, например каменный, бронзовый, железный века... Современный этап развития цивилизации можно в определенном смысле назвать эрой композиционных материалов.
Композиционными называются материалы, обладающие следующей совокупностью признаков:
• в большинстве своем не встречаются в природе (являются искусственными);
• состоят из двух или более компонентов, различающихся по своему химическому составу и разделенных выраженной границей;
• имеют свойства, отличающиеся от свойств составляющих их компонентов;
• неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе;
• состав, форма и распределение компонентов «запроектированы» заранее;
• свойства определяются каждым из компонентов, содержание которого в материале должно быть вполне определенным.
Одним из компонентов композиционного материала, обладающим непрерывностью по всему объему, является матрица, в то время как компонент, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим, или армирующим [1]. Матричными материалами могут быть металлы, их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и другие вещества. Усиливающими, или армирующими, компонентами чаще всего являются тонкодисперсные порошкообразные частицы или волокнистые материалы различной природы.
Основными дефектами композитов являются следующие технологические и эксплуатационные нарушения в структуре и конструкциях материалов [2]:
• возникновение коррозии под краской и между слоями;
• расслоения и непроклеи;
• ослабление сцепления между слоями;
• наличие воды или масла в композиционных сотовых структурах;
• пористость;
• ударные повреждения (например, смятие сот и агломерат микротрещин) и т. д.
Фоминцева Юлия Владимировна, студентка Института неразрушающего контроля ТПУ.
E-mail: [email protected] Область научных интересов: приложения активного теплового контроля, неразрушаю-щий контроль.
Нестерук Денис Алексеевич,
канд. техн. наук, доцент кафедры физических методов и приборов контроля качества Института неразрушающего контроля ТПУ. E-mail: [email protected] Область научных интересов: тепловой неразрушающий контроль, компьютерная обработка данных.
Для обнаружения вышеперечисленных дефектов применяют несколько видов контроля, включая ультразвуковой, радиографический, тепловой и так называемую ширографию. Применение первых двух методов для испытаний композитов весьма ограничено из-за их низкой производительности, поэтому чаще всего используют ширографию и тепловой контроль.
Ширография - метод испытаний, использующий феномен интерферометрии для выявления дефектов и повреждений в деталях под нагрузкой. Напомним, что интерферометрия есть метод визуализации процессов и явлений, а также измерения физических и других величин, основанный на явлении интерференции волн и измерении разности фаз (разности оптических путей) между интерферирующими волнами.
Тепловой неразрушающий контроль основан на регистрации тепловых полей объекта контроля. Наиболее распространенными процедурами активного теплового контроля являются импульсный метод и метод тепловых волн. Импульсный тепловой контроль предусматривает нагрев изделия импульсом тепловой энергии и регистрацию температурного отклика на передней, задней или боковой поверхности изделия (рис. 1).
устройство для записи температуры с
поверхности образца
дефект
передняя поверхность задняя поверхность
Рис. 1. Общая схема активного теплового контроля [3]
Метод тепловых волн, в свою очередь, подразумевает периодический нагрев, в результате которого в объекте контроля возникают тепловые волны. Считается, что данный метод, в отличие от импульсного, способен обнаруживать глубинные дефекты в силу «мягкого» продолжительного нагрева.
Для реализации метода тепловых волн в настоящем исследовании использовали:
• 2 галогеновые лампы по 1000 Вт каждая;
• углепластиковый композит с дефектами в виде расслоения;
• тепловизор NEC 9100 с температурной чувствительностью до 0,03 °С.
Параметры эксперимента:
• время нагрева - 1 с;
• время охлаждения - 1 с;
• общее время эксперимента - 40 с;
• частота тепловых волн - 10 Гц;
• количество периодов нагрева-охлаждения - 20.
Результатом эксперимента явилась последовательность термограмм. Пример термограммы, на которой проявляется ряд дефектов, показан на рис. 2, где 1 - дефектная зона и 2 -бездефектная зона. На рис. 3 представлены графики средней температуры для дефектной (кривая 1) и бездефектной зон (кривая 2), которые иллюстрируют динамику температуры на поверхности образца.
26 — О 50 100 150 ДО 250 300 350 400 450 300
Рис. 3. Изменение средней температуры в дефектной и бездефектной зонах
Компьютерную обработку данных проводили с помощью программы ТЬегшоЬаЬ. Предварительный этап анализа включал выделение области интереса и удаление из исходной последовательности некоторых кадров так, чтобы присутствовало целое число периодов (в данном случае 18). Целое число периодов необходимо для последующего корректного выполнения преобразования Фурье.
Основное отличие Фурье-преобразования, используемого в тепловом контроле, от стандартных процедур обработки двухмерных изображений заключается в его «одномерности», поскольку оно применяется к временному развитию сигналов. Таким образом, Фурье-анализ в тепловом контроле используют для исследования температурной динамики в последовательностях инфракрасных изображений. Определенная трудность в интерпретации изображений фазы (фазограммы) и амплитуды (амплиграммы) в Фурье-пространстве состоит в том, что результаты преобразования Фурье зависят как от величины интервала оцифровки температурных данных, так и от числа этих интервалов.
Фазограмма и амплиграмма, полученные в результате применения преобразования Фурье, представлены на рис. 4 и 5 соответственно. Максимальное значение отношения сигнал-шум для изображений фаз и амплитуд было отмечено в 18-м изображении (рис. 6).
Рис. 4. Изображение фазы (18-я гармоника)
Рис. 5. Изображение амплитуды (18-я гармоника)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Рис. 6. Амплитудный и фазовый спектры преобразования Фурье
Таким образом, при использовании метода тепловых волн с последующим Фурье-анализом, была повышена достоверность выявления расслоений в углепластиковом композите.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Композиционные материалы: справ. / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Таранопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.; ил.
2. Вавилов В.П. Инфракрасная термография и теплой контроль. - М.: Спектр, 2009. - 544 с.
3. Нестерук Д.А., Вавилов В.П. Тепловой контроль и диагностика: учеб. пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. - Томск, 2007. - 104 с.
4. Лаборатория тепловых методов контроля. Томск. - URL: http://tndtsoft.ru/index.php/ru
Поступила 02.04.2014 г.
