CC BY
26
4. Афанасев, В. А. Оборудование для импульсной термообработки полупроводникових материалов [Текст] / В. А. Афанасев, М. П. Духвський, Г. А. Красов. - Електроника СВЧ, 1984. - 56-58с.
5. Окамото, Т. Устройства ионной имплантации [Текст] / Т. Окамото. - Саймицу кикай, 1985. - 1322-1325с.
6. Черилов, А. В. Исследование електрофизических характеристик ионно-легированих слоев GaAs [Текст] / А. В. Черилов -Електронная техника, 1984. -8-12с.
7. Данилов, Ю. А. Електрофизические свойства слоев GaAs , получених имплантацией [Текст] / Ю. А. Данилов, П. В. Павлов, Е. А. Питиримова. - ФТП, 1984. - 1673-1678с.
8. Риз, Дж. Полуизолирующие соеденения АПВ [Текст] / Дж. Риз. - М.: Металургия, 1984. - 410с.
9. Новосядлий, С. П. Суб - наномшрона технолопя структур В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франювськ Мюто НВ, 2010. - 456с.
10. Новосядлий, С. П. Фiзико-технологiчнi основи субмшронноТ технологи В1С [Текст] / С. П. Новосядлий. - 1вано-Франювськ : амка, 2003. - 52-54с.
-□ □-
Приведено схему розробленог експериментальног установки для реалгзацИ активного термограф1чного методу дефектоскопи твердих т1л на основа використання енерги циклгчних напружень I енерги тфрачервоного випромтювання. Експериментально показана можливгсть виявлення сучас-ними тепловЫйними засобами контролю термопроявлення мгкроструктурних неодноргдностей I дефектов в металах при циклхчних навантаженнях зразкгв
Ключовг слова: 1Ч-рад1ометр1я, дефектоскопия твердих т1л, циклгчт
навантаження
□-□
Приведена схема разработанной экспериментальной установки для реализации активного термографического метода дефектоскопии твердых тел на основе использования энергии циклических напряжений и энергии инфракрасного излучения. Экспериментально показана возможность выявления современными тепловизионными средствами контроля термопроявления микроструктурных неоднородностей и дефектов в металлах при циклических нагрузках образцов
Ключевые слова: ИК-радиометрия, дефектоскопия твердых тел, циклические нагрузки -□ □-
УДК 681.2;620.1
УСТАНОВКА АКТИВАЦП МЕТАЛ1В ЦИКЛ1ЧНИМИ НАПРУЖЕННЯМИ ПРИ ТЕРМОГРАФ1ЧН1Й ДЕФЕКТОСКОПИ
М. I. Базалссв
Кандидат техшчних наук, провщний науковий
ствроб^ник* Б. Б. Бандурян Кандидат фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник* В. В. Брюховецький Доктор фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник, заступник директора 1ЕРТ НАН УкраТни* В. Ф. Кл е п i к о в Доктор фiзико-математичних наук, професор, член-
коресподент НАН УкраТни, директор 1ЕРТ НАН УкраТни* В. В. Литвиненко Доктор техычних наук, старший науковий ствроб^ник, заступник директора 1ЕРТ НАН УкраТни* £. М. П рохорен ко Кандидат фiзико-математичних наук, старший науковий ствроб^ник* E-mail: fort-58@mail.ru *1нститут електрофiзики i радiацiйних технологiй НАН УкраТни вул. Гуданова, 13, м. Хармв, УкраТна, 61002
1. Вступ
Основу методики тепловiзiйного контролю станов-лять технологи дистанцшно'Т iнфрачервоноT радiометрГi контролю [1], яю базуються на реестрацГТ потоку iнфрачервоного випромiнювання з поверхш об'eктiв
контролю 1 наступному анал1з1 Тх термозображень, що вщображае Тхню структуру, е 1нформац1йним полем, за допомогою якого виявляються прихован1 дефекти 1 дефектоутворююч1 зони, проводиться класифжащя дефект1в контролю [2, 3]. Наявтсть дефекту при так1й д1агиостиц1 вщображаеться величиною аномальноТ
С М. I- БазалсС!
II!
С.
змши радГацшно! температури i характером И розпод Глу на поверхнi в порiвняннi з фоновими, еталонними або базовими зонами контролю [4, 5].
1нформацшне поле (поле поверхнево! радГацшно! температури) формуеться тепловими потоками, що проходять через матерiал (середовище) об'екта контролю до поверхш Иого випромшювання. Трансформацiя внутрiшнiх теплових i температурних полiв у поле поверхнево! радГацшно! температури об'екта контролю вщбуваеться в умовах впливу на об'ект зовшшнГх збу-рюючих факторiв
МожливостГ тепловiзiИного контролю iстотно роз-ширюються при використаннi вiбротепловiзiИного неруИнiвного контролю, заснованого на використанш енергГ! вГбрацп як джерела теплово! активацГ! [6 - 10]. Дисипащя енергп акустичних хвиль на дефектах (дис-ипативних структурах) приводить до перерозподГлу Гснуючих в об'ект i контролю теплових потоюв, локальному збiльшенню температури в зош дефекту, !хньому вщображенню в пол i iнфрачервоного випромшювання. Формування температурних аномалш на дефектах (елементах конструкцп технологiчного устаткування) внаслщок штенсивно! трансформацГ! енергп вГбрацп в теплову енергт можна розглядати як альтернативу теплово! активацп у методi теплового контролю. Процес проходження пружно! хвилi в матерiалi визначаеться фiзико-механiчними властивостями се-редовища. Амплiтуда, частота i тривалiсть дц пруж-них хвиль вiбрацi! (акустичних хвиль) - це основнi фактори (параметри), яю визначають ефективнiсть процесу виявлення прихованих трщин тепловiзiИним методом.
2. Опис експериментально! установки термодинамiчноi тепловiзшноi дефектоскопи
На рис. 1 представлена схема експериментально! установки, яка реалiзуе активниИ термографiчниИ метод дефектоскопГ! твердих тГл на основi вико-ристання енергГ! циклiчних напружень i енергп iнфрачервоного випромiнювання в1д широкоформатного випромшювача - абсолютно чорного тГла (АЧТ). Конструктивною особливiстю установки е можливГсть як роздiльно!, так i одночасно! активацГ! зразк iв р iзними за фiзичною природою енергетичними потоками, що дозволяе використовувати кореляцшт методи оброб-ки iнформацiИних полiв термопроявлення дефектiв, п1двищуе ефективнiсть !х iдентифiкацi!.
Розглянемо особливостi термодинамiчно! тепловiзiйноl дефектоскопГ! на основi використання енергп циклГчних напружень. На рис. 2 представлено два варiанти навантаження зразка циклГчними напру-женнями.
Конструкцп силових модулГв, якГ вiдповiдають вка-заним вище варiантам, представлено на рис. 3, 4.
Принцип роботи силового модуля експериментально! установки для варiанта навантаження зразка циклГчними напруженнями, якиИ створюеться штоком вГбратора (рис. 2. 3) полягае в наступному. Зразок/об'ект контролю (7) закршлениИ мГж рухливою (5) Г нерухомою (8) опорами. ЦиклГчш напруження на зразок передаються на рухливу опору (опора закршлена на пружнш
сталевш консолГ (3) за допомогою пружинно! шаИ-би (2), що забезпечуе узгодження амплГтуд коли-вання штока вГбратора АВ (13) Г деформацГ! зразка ALУ. Величина сили стиску пружини (навантаження на зразок) регулюеться притискним пристроем (1) штока вГбратора (13), що приводиться у вГбруючиИ рух рухливою частиною сердечника електромагшта (яюр електромагшта, 14), Г змшою напруги жив-лення електромагнГта. ТвердГсть (забезпечуеться пружним гумовометалГчним елементом (12) Г маса рухливо! частини вГбратора (1,13,14) обраш виходя-чи з можливостГ забезпечення власно! резонансно! частоти коливання з подвоеною частотою мережГ електроживлення (100 Гц).
\ но термита камера
Рис. 1. Схема експериментально! установки
б
Рис. 2. Варiанти силового навантаження зразка: а — зразок навантажуеться зусиллям штоку вiбратора; б — зразок
навантажуеться силою зжато! пружини, величина яко! циклiчно змiнюеться (зменшуеться) при втягуванн штока вiбратора
а
Рис. 3. Установка для активацп твердих тт циктчними напруженнями при термодинамiчнiй тепловiзiйнiй дефектоскопiT: 1 - притискний пристрш штока вiбратора; 2 - пружинна шайба формувача ци^чного навантаження; 3 - пружна консоль рухливоТ опори зразка; 4 - рухлива опора зразка; 5, 9 - елемент кртлення зразка до опори; 6 - кртильний кронштейн пщстави установки; 7 - зразок (об'ект контролю); 8 - нерухома опора зразка (кронштейн пщстави установки); 10 - кронштейн кртлення блоку вiбратора; 11 - корпусы деталi вiбратора; 12 - пружний гумовометалiчний елемент; 13 - шток вiбратора; 14 - яюр електромагшта; 15 - електромагшт; 16, 19 - штуцера систе-ми водяного охолодження блоку вiбратора; 17 - введення живлення обмоток електромагшта; 18 - корпус системи водяного охолодження вiбратора
На рис. 5, а, б дана схема формувача цикл1чного навантаження.
Умова узгодження ампл1туди коливань АВШ штока в1братора з деформащею ДLУ зразка тд д1ею навантаження £ сформованоТ силою пружност FУ формувача цикл1чного навантаження (рис. 5), визначаеться виходячи з конструктивних 1 енерге-тичних стввщношень параметр1в використовуваноТ установки, умов стабшьноТ роботи в1братора на ре-зонансних частотах: АВШ = АВ + ДLУ ; АВ = LПН - LП ; ДLy = Lo - Loн ; ДLy << Авш ; Fy = £ де Lo 1 Loн - довжи-на зразка при дп мшмального й максимального навантаження, сформованоТ силами пружност1 пружини при ТТ мшмальному (LП ) 1 максимальному ) розм1р1 стиску вщповщно. При однорщнш структур1 зразка, у межах малих напружень 1 деформацш, зв'язок м1ж на-пругою / 1 деформацш ДLУ визначаеться законом Гука:
/ = ЕД1у
(1)
де Е - модуль (коефщ1ент) пружност 1 матер1алу зразка.
Як вит1кае з формули Кельвша, термопружний ефект проявляеться в тдвищенш температури при стискуванш твердих т1л, величина якоТ (ЛТ) при невеликих мехятчних нявянтяженнях кизнячяеться як
л^г «Г
АТ =--а ,
С
(2)
де Т - температура тша, С - теплоемшсть; а - лшшний коефщ1ент терм1чного розширення; ст - навантаження (у нашому випадку ст = / ).
б
Рис.4. Схема силового модулю для активаци твердих тiл ци^чними напруженнями, якi створюються стиснутою пружиною. а — схема модуля: 1 — блок вiбратора; 2, 4, 5 — кронштейни кртлення основи установки; 3 — шток вiбрак
тора; 6 — пружна консоль рухомоТ опори зразка; 7 - нерухома опора зразка; 8, 10 - елементи кртлення зразка до опори; 11 - рухома опора зразка; 12 - прук жинний провщник ци^чного навантаження; 13 - отрна шайба; 14 - силова пружина (задае рiвень навантаження
зразка); 15 - гайка регулятора навантаження. б - пристрш формувача ци^чного навантаження: 1 -шток вiбратора; 2 - гайка регулятора навантаження; 3 -кронштейн основи установки; 4 - силова пружина; 5 -отрна шайба; 6 - пружинний провщник ци^чного навантаження; 7 - рухома опора зразка; 8 - елемент кртлення зразка до рухомоТ опори; 9 - зразок; 10 - пружна консоль рухомоТ опори зразка; 11 - кронштейн основи установки
Рис. 5. Принцип роботи формувача ци^чного навантаження, а - початкова модель, б - удосконалена модель:
1 - притискний пристрш штока вiбратора; 2 - пружинна шайба формувача ци^чного навантаження; 3 - рухлива опора зразка; 4 - зразок (об'ект контролю); 5 - нерухома опора зразка; 6 - шток вiбратора
а
а
Теплова активац1я зразюв зд1йснюеться широко-форматним шфрачервоним випром1нювачем, рис. 6, характеристики 1Ч-випромшювання якого наближен1 до АЧТ. Робочий д1апазон зм1ни температури АЧТ регулюеться в межах 50 -300°С. Система позиц1ювання АЧТ забезпечуе необхщну тривал1сть (експозиц1ю) 1Ч-опром1нення объекта досл1дження.
Рис. 6. Широкоформатний шфрачервоний випромiнювач (АЧТ) для тепловоТ активацп зразкiв при термографiчнiй
дефектоскопи: 1 — шар лакофарбового покриття, що забезпечуе значення коефщiента випромiнювання АЧТ на рiвнi 0,97+—+0,1; 2 — зовшшнш iзотермiчний випромшювач
(лист мiдi товщиною 6 мм); 3 — атка зi скловолоконноТ тканини; 4 — внутрiшнiй термовирiвнюючий випромiнювач (лист мiдi товщиною 6 мм); 5 — керамiчна трубка електро-нагрiвального елемента; 6 — шхромова спiраль електро— нагрiвача потужнютю 1 Квт; 7 — термоiзолятор (азбест, склотканина); 8 — корпус широкоформатного випромшюм вача (нержавiюча сталь Х18Н12Т
3. Експериментальш дослiдження
Дослщження процейв поглинання енергИ пруж-них хвиль на р1зних дефектних структурах, штучно створених у матер1ал1 випробуваних зразюв, i !х термо-проявлення в пол1 1нфрачервоного випром1нювання проводилося на описанш вище (рис. 1) установщ з вико-ристанням генератора цикл1чних напружень УЗДН-22. Термограф1чна зйомка здшснювалась за допомогою теплов1зора Land Ti814/LIPS814 (просторовий дозв1л 1,3 мрад, температурна чутлив1сть 0,08 °С у спектральному д1апазош 8-14 мкм, приймач шфрачервоного випром1нювання - неохолоджувана матриця 240x320 пжсел1в) i трометра Fluke 576.
Схема теплово! модел1 процесу поглинання енергИ пружних хвиль на поперечних дефектних структурах зразк1в з конструкцшних матер1ал1в представлена на рис. 7.
На рис. 8, б показано термограму (2) поздовжнього перер1зу зразка, на як1й п1сля проведення спещально! обробки термозображення (1), знятого на 36 секунд1 дц цикл1чного навантаження, явно проявляеться термоаномал1я дефектно! структури, що перевищуе
коливання фоново! температури на 0,8°С (АТд = 0,8°С). На верхн1й, не навантаженш частин1 зразка (2), термо-проявлення дефекту не перевищуе р1вень флуктуацш фоново! температури.
F Е D С В
I Ев
02 Од I 1 |Од Г Qi I *
•«— OKi
\
\ ■ 1 1 у_2_
Рис. 7. Схема тепловоТ модели 1 — зразок; 2 — рухлива опора зразка; 3 — нерухома опора зразка; 4 — область розташування поперечного дефекту Д; К1 — точка пода-вання ци^чних напружень f ; К2 - точка крiплення зразка до нерухомоТ опори; Q1, Q2 — тепло, яке видiляеться в точках кртлення зразка; Qд — тепло, яке видтяеться в обласп розташування дефекту. Перерiзи В, С, D, Е, F - обласп аналiзу динамiки росту температури при ци^чному навантаженнi зразка
Рис. 8. Термозображення i термограми зразкiв з алюмiнiевого сплаву 6111, що мають поперечний дефект типу "порушення мкроструктури матерiалу": 1 — термозображення i термограма зразка, що мае твердий контакт (К2) з нерухомою опорою; 2 - термозображення i термограма зразки, що не мае контакту (К2) з нерухомою опорою; а — не навантажеж, б — навантажеж ци^чним напруженням 22 кГц
На термозображеннях i термограмах, наведених на рис. 9, показан особливост термопроявлення локального дефекту (дефект «сторонне включення -порушення структури матерiалу», дiаметр 15 мм, на пластин конструкцшноТ сталi товщиною 2 мм) при циклiчному навантаженнi 22 кГц. Максимальне значення термоаномалп (17,0°С, на 4,5°С б шьше фоновi температури ) i точнiсть 11 розташування в обласп дефекту спостеря-алася на 25 секувдД з початку д!1 циклiчного навантаження. Дал^ згодом, термопроявлення в обласп дефекту розширюеться (при цьому вщносне значення амплiтуди термоаномалп на 55 секувдД д!1 циклiчного навантаження зменшуеться до 2,4 °С) за
рахунок MexaHi3MiB теплопровщносп i розсiювання тепла, тепловидшення в точках закрiплення зразка.
Рис. 9. Термопроявлення локального дефекту типу «сторонне включення» на сталевш пластин
Матерiал мае такi параметри (Сталь 35; товщи-на пластини - 2 мм ; дiаметр дефекту - 15 мм) при циклiчному навантаженнi 22 кГц; 1, 2, 3, 4 - термо-зображення i термопрофiлi перерiзiв пластини, що
вщповщають 15, 25, 35 i 55 секундам впливу циклiчного напруження частотою 22 кГц вщповщно.
4. Висновки
1. Розроблено експериментальну установку, яка реалiзуе активний термографiчний метод дефектоскопа твердих тш на основi використання енергп циклiчних напружень i енергп iнфрачервоного випромiнювання в1д широкоформатного випромшювача - абсолютно чорного тша.
2. Розпiзнавання та iдентифiкацiя дефекпв на термозображеннях за !х тепловими «образами» базуеться на системних правилах обробки шформацп, теорп розпiзнавання образiв, методах i алгоритмах кореляцшно! обробки термозображень, одержаних з певним часовим штервалом. 1дентифжацшт ознаки термопроявлення дефектних структур визначають-ся за мiрою кореляцп i динамiкою змши параметрiв вектора стану термоаномалiй в област !хнього про-яву. Використання динамiчноl фшьтрацп термозображень забезпечуе можливкть виявлення дефектiв у матерiалах на раннiй стадп !хнього розвитку.
3. Експериментально доведена можливкть виявлення сучасними тепловiзiйними засобами контролю термопроявлення мжроструктурних неоднор1дностей i дефекпв (трiщин, свищiв, включень) в металах при циклiчних навантаженнях зразкiв. При цьому, дефек-ти м1кроструктури материлу при поглинаннi пружно! енергп створювали термоаномалп, амплiтуда яких пере-вищувала фоновi значення температури на 4°С и бiльше.
Лiтература
1. Базалеев, М. I. Вплив випромшювально! здатност1 на 1нформативн1сть поля 1нфрачервоного випромшювання [Текст] / М. I. Базалеев, Б. Б. Бандурян, В. В. Брюховецький, В. Ф.Клеп1ков, В. В. Литвиненко, 6. М. Прохоренко. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2008. - №5/4(35). - С. 32-36.
2. Вавилов, В. П. Тепловые методы неразрушающего контроля: Справочник. [Текст] / В. П. Вавилов. - М.: Машиностроение, 1991. - 240с.
3. Фокин, В. М. Научно-методологические основы определения теплофизических свойств материалов методом неразрушающего контроля. [Текст] / В. М. Фокин. - М.: Издательство «Машиностроение-1», 2003. - 140с.
4. Базалеев, Н. И. Тепловизионная дефектоскопия и диагностика компрессорного оборудования. [Текст] / Н. И. Базалеев, Б. Б. Бандурян, В. Ф. Клепиков, В. В. Литвиненко, Г. В. Кирик, А. Д. Стадник. // Компрессорное и энергетическое машиностроение. - №2(20), июнь 2010. - С.37-43.
5. Thomas, R. L. Thermal NDE Techniques - from Photoacoustics to Thermosonics / R. L. Thomas // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation 21, edited by D. O. Thompson and D. E. Chimenti, AIP Conference Proceedings. - 2002.
- V. 615, American Institute of Physics, Melville, NY, P. 3-13.
6. Wu, D. T. Lock-in thermography for nondestructive evaluation of materials / D. T. Wu and G. Busse. // Revue Generale de Thermique.- 1998.- V.37(8).- P. 693-703.
7. Buss, G. Thermal wave imaging with phase sensitive modulated thermpgraphy / G. Buss, D. Wu and W. Karpen // J. Appl. Phys.
- 1992. - V. 71(8). - P. 3962-3965
8. Morbidini, M. Prediction of the thermosonics signal from fatigue cracks in metals using vibration damping measurements / M. Morbidini, P. Cawley, T. Barden, D. . // J. Appl. Phys. - 1997. - V.83 (4). - P. 2385-2388.
9. Maldague, X. Pulsed phase infrared thermography [Текст] / Maldague X., Marinetty S. // J. Appl. Phys. - 1996. - V.79 (5). - P. 2694-2697.
10. Han, X. Thermosonics: Detecting cracks and adhesion defects using ultrasonic excitation and infrared imaging [Текст] / X. Han, L.D. Favro, Z. Ouyang, R.L. Thomas // The Journal of Adhesion. - 2001. - V.76(2). - P. 151-162.
11. Henneke, E. G. Thermography. An NDI method for damage detection [Текст] / E. G. Henneke, K. L. Reifsnider, W. W. Stinchcomb // Journal of Metals. - 1979. - V.31. - P. 11-15.
