IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Благодаря своей универсальности, тепловой контроль (ТК) позволяет испытывать металлические [1] и неметаллические материалы [2], используя различные источники тепловой стимуляции и выявляя дефекты различного происхождения и размеров.

В настоящей статье приведены результаты исследования эффективности термоволнового контроля, как одного из методов активного теплового контроля, по нахождению дефектов в композитных материалах.

Ключевые слова: активный тепловой неразрушающий контроль, термоволновая дефектоскопия, термограмма, последовательность термограмм, методы обработки термограмм, композитные материалы.

1. Термоволновая дефектоскопия

Тепловой контроль – один из видов неразрушающего контроля, основанный на фиксации и преобразовании инфракрасного излучения в видимый спектр, в свою очередь термоволновая дефектоскопия это один из видов активного теплового контроля.

Термоволновой метод подразумевает периодический нагрев (рис.1), в результате которого в объекте контроля возникают тепловые волны. Данный метод, в отличие от импульсного, способен достаточно эффективно обнаруживать глубинные дефекты.

При использовании данного метода для нагрева используют одночастотную волну, что обеспечивает большее отношение сигнал-шум (SNR). Исследуемое изделие подвергается тепловому воздействию посредством источника теплового нагружения на передней поверхности образца относительно источника. За счет процесса диффузии тепловая энергия внутри образца распространяется во всех направлениях. В присутствии скрытых дефектов тепловые потоки перераспределяются, что приводит к появлению специфических температурных аномалий на передней и задней поверхности образца. Температурные аномалии регистрируются с помощью устройства для записи температуры с поверхности образца.

Рис. 1. Общая схема реализации термоволнового метода

1. Экспериментальные исследования

2.1. Стеклопластиковый композит

Задача данных экспериментальных исследований – обзор на практике термоволнового метода дефектоскопии для композитных материалов, оценка качества обнаружения дефектов с помощью данного метода и сравнение его с методом однократного нагрева.

Для экспериментальных исследований (рис.2) был изготовлен опытный образец из стеклопластиковых пластин с толщиной 8 мм (рис. 3). Распределение дефектов показано ниже, дефекты представляют собой воздушные полости и расслоения в материале объекта.

Рис. 2. Схема эксперимента с двумя лампами по 1 кВт

Рис. 3. Схема образца

Расчет времени тепловой диффузии.

По формуле t _т.д = L2·/a, было рассчитано время тепловой диффузии, где а = 2.16·10-7 м²/c, t _т.д. – время тепловой диффузии, L – расстояние от дефекта до поверхности. Результаты расчётов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Расчет времени тепловой диффузии

N(дефект)	L(мм)	tт.д.(с)	n(кадр)
1	1	14.544	7.272
2	1.5	32.725	16.362
3	2	58.178	29.089
4	2.5	90.903	45.451
5	3	130.9	65.45
6	3.5	178.169	89.085

С помощью значений тепловой диффузии определяются параметры циклического нагрева.

2.1.1. Однократный нагрев

Нагрев 10 с, шаг записи 200 мс, суммарная мощность ламп - 2 кВт (рис. 4).

Рис. 4. Кривые сигнала при однократном десятисекундном нагреве, где красная кривая – обозначает бездефектную зону

Томограмма дефектов при 10 с нагреве представлена на рис. 5.

Рис. 5. Полученная термограмма дефектов

Нагрев 100 с, шаг записи 1с, суммарная мощность ламп - 2 кВт (рис.6).

Рис. 6. Кривые сигнала при однократном нагреве в 100 с, где красная кривая – обозначает бездефектную зону

Томограмма дефектов при 100 с нагреве представлена на рис. 7.

Рис. 7. Термограмма дефектов при нагреве в 100 с

Суммарная длительность нагрева в данном эксперименте составляла 10 и 100 секунд. Эффективность термоволнового нагрева оценивали по отношению сигнал/шум (SNR).

Таблица 2 – SNR для каждого из 6-ти дефектов объекта контроля при нагреве 10 с и 100 с

	1	2	3	4	5	6
SNR 10	15.336	18.387	18.375	8.025	5.257	5.024
SNR 100	29.855	33.386	44.577	31.639	21.024	13.794

2.1.2. Термоволновой (циклический) нагрев

Нагрев объекта проводили в течении 10 секунд, также в течении 10 секунд остывание, было произведено 10 циклов (рис.8).

Суммарное время нагрева 100 секунд.

Рис. 8. Кривые сигнала при циклическом нагреве, где красная кривая – обозначает бездефектную зону

Рис. 9. Термограмма дефектов при циклическом нагреве

Таблица 3. SNR для каждого из 6-ти дефектов объекта контроля при циклическом нагреве

	1	2	3	4	5	6
SNR	46.773	36.556	49.511	56.673	22.463	22.518

В ходе эксперимента были детектированы все дефекты в данных объектах контроля. При однократном нагреве максимальное отношение сигнал / шум (SNR) составило 44,577 для дефекта №3, а при циклическом нагреве максимальное отношение сигнал / шум (SNR) составило 56,673 для дефекта №4. Из этого следует, что метод циклического нагрева показал себя в данном случае лучше, чем метод однократного нагрева. Также и визуально термограмма (рис. 9) при циклическом нагреве объекта получилась лучше, на ней дефекты выглядят отчётливо.

2.2. Стеклопластик (Польский образец)

В лабораторию №34 «Тепловых методов контроля» были завезены 4 образца стеклопластика из Польши. Необходимо было проверить их на наличие дефектов. Предполагаемые дефекты были помечены на стеклопластике нашими польскими коллегами маркером. В данном исследовании применялся исключительно термоволновой метод, так как он хорошо зарекомендовал себя исходя из предыдущих исследований.

Для проведения опыта, была собрана экспериментальная установка, схема которой показана на рис. 10. На рис. 11 показана реальная установка.

 

БУ

ПК

 

Рис.10. Схема установки

где БП – блок питания, БУ – блок управления, ПК – персональный компьютер, тепловизор и исследуемая модель. Применялись 4 галогеновые лампы по 500 Вт каждая, суммарная мощность составляла 2 кВт.

Рис.11. Реальная установка (Вид сбоку)

Рис. 12. Объект контроля: 4 стеклопластиковых пластины

Данный образец объекта контроля представляет собой стеклопластиковый композит толщиной 8 мм (рис. 13).

Для повышения коэффициента поглощения образец была оклеен самоклеющейся бумагой ORACAL серого цвета (в ИК диапазоне α ≈ 0,95).

Рис. 13. Объект контроля

Циклический нагрев объекта.

Нагрев производился в течении 5 секунд и в течении 5 секунд также происходило остывание. Было проделано 10 таких циклов (рис.14).

Рис. 14. Сигнал циклического нагрева

Инфракрасные термограммы были подвергнуты преобразованию Фурье.

Суммарная длительность нагрева в данном эксперименте составляла 50 секунд. Эффективность термоволнового нагрева оценивали по отношению сигнал/шум (SNR).

Рис. 15. Термограммы объекта контроля (слева – до преобразования Фурье, справа – после)

С помощью термоволнового метода были обнаружены все подписанные дефекты. Количество отснятых кадров составило 250 штук. Из них было выбрано несколько термограмм, на которых лучше всего были видны дефекты. Самая лучшая из них была приведена на рис.15. Обработка термограмм осуществлялась в программе ThermoFit, разработанная сотрудниками лаборатории «Тепловых методов контроля» ИНК ТПУ.

Максимальное отношение сигнал/шум SNR для первичной необработанной термограммы составило 9,785. После преобразования Фурье – 10,615, что говорит об эффективности данного преобразования и важности его использования при нахождении дефектов.

Заключение

В настоящее время в тепловом неразрушающем контроле техника дефектометрии достаточно развита и имеет много наработок, которые в свою очередь являются разнородными. На сегодняшний день идут разработки простого механизма по группированию этих наработок. В данной области существует достаточно много предпосылок для создания новых методов обнаружения и определения параметров дефектов.

По проделанной работе можно сделать следующие выводы. В результате проведения эксперимента были получены данные о том, что при использовании метода термоволновой дефектоскопии можно с достаточной точностью определять поперечные размеры дефектов. Однако необходимо оптимизировать частоту циклов с глубиной дефекта для получения более точных результатов.

Список информационных источников

1. Vavilov, V.P., Nesteruk, D.A., Chulkov, A.O., Shiryaev, V.V. An apparatus for the active thermal testing of corrosion in steel cylindrical containers and test results, Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 49, Issue 11, November 2013, Pages 619-624, DOI: 10.1134/S1061830913110089.

2. Vavilov V.P., Chulkov A.O., Derusova D. IR thermographic characterization of low energy impact damage in carbon/carbon composite by applying optical and ultrasonic stimulation, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Volume 9105, 2014, Article number 91050J, DOI: 10.1117/12.2049810.

9

Код для цитирования: Скопировать