Введение

В настоящее время применение полимерных композиционных материалов (ПКМ), в особенности углепластиков, в деталях и конструкциях современной авиационной техники – один из эффективных способов снижения массы планера и обеспечения требуемых упруго-прочностных характеристик конструкций в заданных направлениях. Научными организациями совместно с предприятиями авиационной отрасли проводится большой объем работ по разработке новых ПКМ [1–5], отработке технологий изготовления из них различных деталей и элементов конструкций планера [6–8], а также по проведению различных видов испытаний [9–12]. На каждой из стадий – от разработки нового ПКМ до изготовления и применения его в деталях или конструкциях готового изделия – одним из важных этапов является проведение исследований по контролю качества изготовленной продукции методами неразрушающего контроля.

Как известно, в условиях производства ПКМ имеют место неправильно подобранные режимы формования; нарушения, допускаемые при выкладке слоев препрега и сборке пакета; сбои оборудования при формовании. При эксплуатации изделия из ПКМ постоянно находятся под воздействием механических нагрузок и климатических факторов. Все это приводит к появлению нарушений сплошности (дефектов) в ПКМ, которые могут оказывать влияние на физико-механические и эксплуатационные характеристики изделия. К основным типам дефектов слоистых пластиков можно отнести расслоения, пористость, включения, ударные повреждения.

В настоящее время для проведения неразрушающего контроля изделий из слоистых пластиков в основном применяют акустические, рентгеновские и тепловизионные методы контроля. Для неразрушающего контроля монолитных зон в деталях и конструкциях из ПКМ наибольшее применение находит ультразвуковой эхо-импульсный метод благодаря ряду своих преимуществ, таких как высокая чувствительность контроля (выявление дефектов от 2 мм), односторонний доступ к контролируемой детали и возможность определения глубины расположения дефектов.

Основной сложностью контроля монолитных конструкций из ПКМ ультразвуковым эхо-импульсным методом в настоящее время является проведение контроля зон с радиусными переходами. Основная сложность заключается в первую очередь в создании акустического контакта и обеспечении перпендикулярности ввода ультразвуковых колебаний (это необходимо при контроле слоистых пластиков) относительно радиусной поверхности объекта контроля. На рис. 1 [13] проиллюстрированы некоторые элементы конструкций с радиусными зонами.

Рис. 1. Типовые элементы конструкций с радиусными зонами

В ультразвуковом неразрушающем контроле в последнее время стали все чаще внедрятся ультразвуковые фазированные решетки (ФР), которые представляют собой многоэлементные пьезоэлектрические преобразователи, пьезоэлементы которых могут по-разному размещаться в корпусе преобразователя, тем самым формируя необходимый фронт ультразвуковой волны [14]. При ультразвуковом контроле конструкций из ПКМ наибольшее применение находят линейные ФР со схемой размещения пьезоэлектрических элементов вдоль одной линии [14], которые широко используются при контроле плоских и криволинейных конструкций с относительно небольшой кривизной поверхности [15–19]. Менее распространенными являются радиусные ФР, где пьезоэлементы решетки располагаются по сектору определенного радиуса R (рис. 2), которые используются для проведения контроля радиусных зон.

Рис. 2. Вид радиусных фазированных решеток

Основная сложность при проведении контроля радиусными ФР заключается в создании акустического контакта и обеспечении необходимого расстояния между элементами ФР и поверхностью ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие. В настоящее время уже известно несколько оправок для решения данных задач. Так, в работе [13] описано применение иммерсионной оправки фирмы Olympus для контроля радиусных зон совместно с радиусными ФР. Данная оправка позволяет позиционировать радиусную ФР как на внутренней, так и на внешней поверхности (рис. 3). Однако у такой оправки наблюдаются следующие недостатки:

– необходимость погружения контролируемой детали в емкость с водой (иммерсионный контроль);

– возможность контроля деталей только с углом сгиба 90 градусов.

Рис. 3. Иммерсионная оправка для радиусной фазированной решетки фирмы Olympus

В работе [20] предложено устранить первый недостаток с помощью локальной иммерсионной ванны либо призм из аквалена или полистирола (рис. 4). Однако данные решения не позволяют устранить второй недостаток, а также под каждый радиус R необходимо изготавливать отдельную призму.

Рис. 4. Контроль радиусными фазированными решетками с помощью локальной иммерсионной ванны (а) либо призм из аквалена (б) или полистирола (в)

В данной статье приведены результаты ультразвуковых исследований конструктивно-подобных образцов (КПО) из углепластика с радиусными зонами при использовании радиусной ФР и специально разработанной оправки, позволяющей проводить ручной контроль радиусных зон различных конструкций из ПКМ без погружения в воду.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 2.3. «Методы неразрушающих исследований и контроля» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [21].

Материалы и методы

Для проведения ультразвуковых исследований из углепластика методом автоклавного формования изготовлены КПО, которые имитировали типовые конструкции с радиусными зонами при различных углах сгиба: 90, 120 и 80 градусов. Кроме того, образцы выполняли с разными внутренними радиусами сгиба – от 3 до 7 мм. В образцах создавали искусственные дефекты трех типов:

– из фрагментов фторопластовых пленок толщиной 40 мкм диаметром 3, 4 и 5 мм;

– из пустот, образованных путем закладывания силиконовых вкладок с последующим их удалением после формования диаметром 3, 4 и 5 мм;

– из пакетов, состоящих из двух слоев бумажной салфетки диаметром 3, 4, 5 и 7 мм (далее будет указываться именно этот размер искуственного дефекта данного типа) с толщиной одного слоя от 25 до 40 мкм, заложенных между двумя слоями полиимидного скотча толщиной 50 мкм и диаметром на 1,5–2 мм больше, чем диаметр дефекта из бумажной салфетки.

В качестве оборудования для проведения ультразвуковых исследований использовали ультразвуковой дефектоскоп OmniScan MX с радиусной фазированной решеткой 5CC10.2-16-R1 радиусом R = 10,2 мм и датчиком пути Encoder (Olympus NDT). Анализ результатов исследования проводили в программе TomoView Lite Analisys.

Для радиусной ФР разработана модель (рис. 5) и изготовлена экспериментальная оправка для позиционирования и создания акустического контакта между объектом контроля и радиусной ФР.

Оправка предназначена для контроля с внутренней стороны радиусной зоны и работает по принципу waterbox как с линейной ФР [22–25]. Основная составляющая конструкции приспособления – локальная иммерсионная ванна, представляющяя собой загерметизированный корпус заполненный водой с эластичной мембраной на протовоположном радиусной ФР конце оправки. Немоловажыми элементами конструкции оправки являются системы позиционирования радиусной ФР относительно поверхности объекта контроля, поэтому необходимо обеспечить такое расположение ФР относительно радиусной зоны объекта контроля, при котором будет выполняться условие, проиллюстрированное на рис. 6. При этих условиях фронт ультразвуковой волны радиусной ФР будет распространяться перпендикулярно поверхности ввода (поверхности радиусной зоны), а на экране В-скана дефектоскопа будет наблюдаться равномерный образ эхо-сигналов от поверхности ввода в объект контроля.

Рис. 5. Разработанная модель оправки для контроля радиусных зон

Рис. 6. Необходимое условие расположения радиусной фазированной решетки (ФР) относительно поверхности радиусной зоны объекта контроля (ОК)

Кроме того, данная конструкция должна подстраиваться под различный диапазон радиусов r контролируемой поверхности и под разные углы сгиба θ.

Исследования проводили ультразвуковым эхо-импульсным методом контактным способом. В качестве контактной жидкости между оправкой и поверхностью объекта контроля использовали дистилированную воду.

Результаты и обсуждение

Контроль радиусных зон с углом сгиба 90 градусов
(с внутренней стороны) с разными внутренними радиусами

Основные типы конструкций с радиусными зонами (стрингер, лонжерон и др.) в большинстве случаев имеют угол сгиба 90 градусов. Поэтому первоначально исследования с разработанной оправкой и радиусной ФР проводили на образцах с таким углом сгиба. Исследования проводили на КПО стрингерной панели и заготовок для испытания на изгиб изогнутой балки. Настройку чувствительности дефектоскопа осуществляли по фрагментам фторопластовой пленки – искусственному дефекту первого типа диаметром 5 мм, заложенному в КПО № 1 толщиной 6,8 мм и радиусом сгиба внутренней поверхности 6,5 мм. Временную регулировку чувствительности  (ВРЧ) устанавливали таким образом, чтобы амплитуда эхо-сигналов от искусственных дефектов в виде фрагментов фторопластовой пленки составляла 80±10 %. На рис. 7 в виде A-, В- и
С-сканов представлены результаты сканирования КПО № 1 без использования фокусировки по глубине. В табл. 1 представлены результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов от искусственных дефектов к амплитуде эхо-сигналов структурного шума в КПО № 1.

Рис. 7. A-, В- и С-сканы при сканировании конструктивно-подобного образца № 1

Таблица 1

Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов

от искусственных дефектов диаметром 5 мм к амплитуде эхо-сигналов

структурного шума в конструктивно-подобном образце № 1

По результатам, приведенным на рис. 7 и в табл. 1, можно сделать следующие выводы:

– искусственные дефекты первого типа при сканировании выявляются так же стабильнокак и в процессе настройки ВРЧ (в статике);

– искусственные дефекты третьего типа выявляются хуже дефектов первого типа, но с достаточным отношением «сигнал/шум», чтобы быть обнаруженными как при настройке чувствительности по искусственным дефектам третьего типа, так и при настройке по искусственным дефектам первого типа;

– равномерность поверхностного сигнала свидетельствует о хорошем акустическом контакте и правильном позиционировании радиусной ФР относительно радиусной поверхности КПО № 1.

При настройке на КПО № 1 по искусственным дефектам первого типа просканировано еще два КПО:

– КПО № 2 толщиной 6,8 мм, с внутренним радиусом 6,5 мм и с искусственными дефектами второго и третьего типов;

– КПО № 3 стрингерной панели с радиусами поверхностей ввода 3, 5 и 7 мм и искусственными дефектами первого, второго и третьего типов.

Систему позиционирования в ручную подстраивали под каждый радиус, при этом в настройке дефектоскопа менялась только «задержка в призме», так как менялся путь по воде от элементов решетки до поверхности ввода ультразвуковой волны в объект контроля. Результаты сканирования КПО № 2 и № 3 в виде А-, В- и С-сканов представлены на рис. 8 и 9. Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов от искусственных дефектов к амплитуде эхо-сигналов структурного шума представлены в табл. 2 и 3.

Рис. 8. A-, В- и С-сканы при сканировании конструктивно-подобного образца № 2

Таблица 2

Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов

от искусственных дефектов к амплитуде эхо-сигналов

структурного шума в конструктивно-подобном образце № 2

Рис. 9. A-, В- и С-сканы при сканировании конструктивно-подобного образца № 3

Таблица 3

Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов

от искусственных дефектов к амплитуде эхо-сигналов

структурного шума в конструктивно-подобном образце № 3

Как видно из результатов исследований, представленных на рис. 8, 9 и в табл. 2, 3, радиусной ФР с разработанной оправкой возможно проводить контроль радиусных зон с радиусами поверхности ввода от 3 до 7 мм за счет гибкости подстройки используемого приспособления. Из данных, полученных по отношению «сигнал/шум», предствленных в табл. 2 и 3, в КПО № 2 и № 3 разные типы искуственных дефектов выявляются при настройке на отражатели в виде искуственных дефектов первого типа. Следует отметить, что некоторые дефекты (пустоты) получены неидеальной плоской формы, но тем не менее все равно выявляются.

Контроль радиусных зон с углом сгиба,

отличающимся от 90 градусов (с внутренней стороны)

Помимо конструкций с радиусными переходами с углами сгиба 90 градусов, очень часто встречаются конструкции, имеющие радиусные зоны с углом сгиба, несколько отличающимся от 90 градусов. Разработанная оправка для радиусной ФР позволяет подстраиваться под контроль таких зон благодаря имеющейся системе позиционирования. Для проверки работоспособности оправки проведены исследования на КПО № 4 и № 5 с радиусными зонами с углами сгиба 80 и 120 градусов и радиусом сгиба 6,5 мм. На рис. 10 и 11 представлены результаты сканирования КПО № 4 и № 5 в виде А-, В- и С-сканов. Проведены также замеры отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов от искусственных дефектов к амплитуде эхо-сигналов структурного шума, результаты которых представлены в табл. 4 и 5. При сканировании КПО № 4 в зонах расположения искусственных дефектов обнаружена и локальная пористость.

Рис. 10. A-, В- и С-сканы при сканировании конструктивно-подобного образца № 4

Таблица 4

Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов

от искусственных дефектов третьего типа к амплитуде эхо-сигналов

структурного шума в конструктивно-подобном образце № 4

Рис. 11. A-, В- и С-сканы при сканировании конструктивно-подобного образца № 5

Таблица 5

Результаты замеров отношений максимальных амплитуд эхо-сигналов

от искусственных дефектов третьего типа к амплитуде эхо-сигналов

структурного шума в конструктивно-подобном образце № 5

Результаты проведенных исследований КПО № 4 и № 5 показывают хорошую выявляемость заложенных в КПО искусственных дефектов. Ровность образа поверхностного эхо-сигнала свидетельствует о правильном позиционировании радиусной ФР с оправкой относительно поверхности радиусной зоны КПО с углами сгиба, отличающимися от 90 градусов. Даже несмотря на небольшую волнистость поверхности КПО № 5, что заметно по образу поверхностного эхо-сигнала на В-скане (рис. 11), удается обеспечивать приемлемое качество акустического контакта.

Заключения

Проведены ультразвуковые исследования КПО из углепластика с радиусными зонами ручным контактным способом с использованием радиусной ФР и разработанной экспериментальной оправки для обеспечения акустического контакта между ФР и радиусной поверхностью ввода ультразвуковых волн в объект контроля. Результаты исследований показали возможность ультразвукового контроля радиусных зон в конструкциях из ПКМ с помощью разработанной системы (радиусная ФР с оправкой) с выявлением дефектов типа посторонних включений и полостей с размером от 3 мм и более. Есть возможность контролировать конструкции с радиусными зонами как с углами сгиба 90 градусов, так и с углами, отличающимися от 90 градусов, а также с различными радиусами сгиба. Несомненным преимуществом контроля с использованием радиусной ФР и разработанной оправки является отсутствие необходимости погружать объект контроля в воду, а также гибкость подстройки позиционирования радиусной ФР относительно поверхности ввода ультразвуковых колебаний в объект контроля с разными радиусами сгиба.

Несмотря на полученные положительные результаты исследований, присутствуют и небольшие сложности при контроле радиусных зон с использованием разработанной оправки. Одной из них является не до конца оптимизированное регулирование системы позиционирования, т. е. приходится затрачивать некоторое время для подстройки системы позиционирования под нужные углы и радиусы сгиба. Ко второй можно отнести обеспечение стабильности акустического контакта между поверхностью объекта контроля и оправкой. Тем не менее все эти проблемы могут быть решены путем усовершенствования конструкции.