J. Habermehl, B. Lepage
Olympus NDT, г. Квебек, Канада, G1P 4S9
Аннотация
Компоненты и конструкции с клеевыми соединениями получили широкое применение в аэрокосмической промышленности. Часто для создания прочных, но легких компонентов используются композиционные материалы с сотовым наполнителем. Для общей целостности композитных конструкций очень важно качество соединения. Из-за большого разнообразия конфигураций наружной обшивки (матрицы) и наполнителя возникают проблемы с контролем этих материалов, особенно в случае выявления повреждений наполнителя, например, отслоения и деформации наполнителя. Для повышения вероятности обнаружения дефектов при контроле сотовых композитных структур предлагается метод на основе С-сканов для нескольких частот, в рамках которого строятся как амплитудные, так и фазовые C-сканы.
Ключевые слова: контроль качества соединений, С-скан, композиты, сотовая структура, несколько частот.
PACS: 81.70.Cv
Введение
За последнее десятилетие существенно расширилось применение композитных материалов в самолетостроении. Эти материалы, к которым относятся многослойные и сэндвич-структуры, в настоящее время широко используются в ответственных конструктивных элементах по всему самолету, что приводит к повышению требований качества, а также к разработке стандартов и совершенствованию методов неразрушающего контроля указанных материалов1. Композитные сэндвич-структуры состоят из двух жестких поверхностных слоев (обшивки), разделенных легким наполнителем, и имеют высокое соотношение прочности к жесткости, а также обладают хорошей усталостной стойкостью. Однако композитные сэндвич-структуры из-за состава и типа дефектов, обычно возникающих при их производстве и эксплуатации, представляют проблему в плане контроля. К типичным дефектам относятся отслоение наполнителя от обшивки, повреждение наполнителя и расслоение (см. рис. 1).
Рис. 1. Типичные дефекты в композитных сэндвич-структурах.
Основным методом исследования этих структур является акустический контроль соединений. Технология контроля качества соединений разработана много лет назад, но до сих пор иногда не очень хорошо воспринимается. Физика процесса не слишком известна или понятна большинству пользователей, что еще более затрудняет выбор подходящей частоты для подобного контроля. Как показано в настоящей статье, выявляемость дефектов во многом зависит от выбора частоты контроля.
Выбор оптимальной частоты определяется размером дефекта и конструкцией детали (количество слоев, материал наполнителя, несущая структура и т. д.). На самом деле чувствительность при определенной частоте связана с размером дефекта, но данная зависимость не прямо пропорциональна в том смысле, что даже если при какой-то частоте обнаруживается дефект определенного размера, это не означает, что эта частота позволит выявить более крупный дефект. Это приводит к мысли, что контроль при одной частоте не является оптимальным методом выявления дефектов различных размеров в какой-либо структуре2. Очевидно, что более информативным будет метод контроля с несколькими частотами.
Работая с представленными в настоящее время приборами, определяющими импеданс контролируемых материалов, даже при выборе оптимальной частоты сложно отличить дефекты от внутренних геометрических особенностей структуры. С появлением и внедрением метода С-скана для картирования было обнаружено, что он обеспечивает лучшую визуализацию результатов контроля. Гипотетически, при правильном использовании С-сканы соединений могут повысить выявляемость дефектов, в частности, за счет возможности различения дефектов и особенностей структуры.
Кроме того, в настоящее время принято считать, что большинство расслоений внутри обшивки нельзя обнаружить с помощью традиционных методов контроля качества соединений. Ранее было высказано предположение, что преобразователи для контроля соединений генерируют между передатчиком и приемником волны Лэмба. Поскольку скорость распространения этих волн, вероятно, будет изменяться при наличии в структуре расслоений, разница фаз принимаемого сигнала может использоваться для выявления этих типов дефектов2.
В качестве экспериментального подтверждения концепции в статье приведены С-сканы, построенные при контроле двух стандартных калибровочных образов при различных частотах.
Теория
Физическое обоснование
Физические законы, лежащие в основе метода контроля соединений, не так просты, как можно было бы ожидать. Ниже приводится краткий обзор двух основополагающих физических принципов, которые, видимо, совместно действуют при контроле соединений сотовых композитных структур раздельно-совмещенным методом.
Первый принцип — мембранный резонанс3. В основе метода лежит то, что слой материала над дефектом является мембраной, которая может вибрировать как, к примеру, диафрагма. В результате возбуждения пьезоэлектрических элементов возникает колебательное движение, которое по понятным причинам больше по амплитуде над дефектом, чем в области без дефекта. Мониторинг отклика на генерируемые колебания позволяет выявлять отслоения обшивки от сотового наполнителя. Этот метод также дает разумное объяснение разницы между размером дефекта и частотной дихотомией, наблюдаемой при расслоении сотовых структур. Мембрана, соответствующая данному дефекту, будет колебаться более интенсивно на определенных частотах, связанных с конкретными колебательными режимами. Для данного дефекта эта резонансная частота зависит от размера и формы дефекта, а также геометрии детали (наполнитель, обшивка, несущая структура и т. д.).
Второй принцип, наблюдаемый при раздельно-совмещенном контроле соединений, можно обозначить как велосиметрический метод4. Этот метод подразумевает передачу упругих волн Лэмба в обшивку сотовой структуры излучателем и обнаружение этих волн приемником. Изменение скорости распространения волн Лэмба свидетельствует об изменении структуры (дефект и т. д.), о чем можно судить по изменению фазы принимаемого сигнала. Этот метод, по-видимому, найдет наибольшее применение при обнаружении расслоения обшивки. Далее в статье показывается, что он также позволяет различать типы отражателей, например, отличить расслоение или отслоение от артефактов заполнения.
Генерация С-сканов
Как было указано ранее, за счет цветового картирования больших площадей С-сканы помогают интерпретировать данные. Было выдвинуто предположение, что амплитудные и фазовые данные импеданса могут использоваться для дефектоскопии и определения типа отражателя, а также, что контроль на нескольких частотах значительно повышает вероятность обнаружения отражателя. Поэтому необходим надежный метод «перевода» исходных данных X-Y плоскости импеданса в понятные амплитудные и фазовые С-сканы. Подобный метод позволит получить последовательные результаты на всех частотах контроля. Компания Olympus NDT разработала и подтвердила действенность следующего метода двухэтапной нормализации акустических данных для нескольких низких частот - см. рис. 2, где представлена обычная X-Y плоскость акустического импеданса.
Этап 1. Первый этап процесса нормализации требует балансировки преобразователя без контакта с поверхностью объекта контроля (в воздухе). Для всех частот данные X-Y находятся в положении (0,0) плоскости импеданса (треугольник на Рис.2).
Этап 2. Второй этап процесса нормализации подразумевает выполнение короткого однолинейного сканирования при установке преобразователя на объект контроля. На этом этапе настраивается напряжение сигнала и поворот фазы на выбранные пользователем амплитуду и фазовое положение, общие для всех частот (круг на Рис.2). Однолинейное сканирование позволяет получить средний сигнал, тем самым уменьшая влияние потенциальных стоячих волн и т. д.
Как описано выше, данные плоскости импеданса преобразуются в амплитудные и фазовые данные для всех нужных частот. Полученная информация используется для построения C-сканов. Амплитудные С-сканы позволяют выявить отслоение обшивки от наполнителя. Фазовые С-сканы позволяют сравнить скорости распространения волн Лэмба и отличить отслоения обшивки и расслоения (фазовый сдвиг по часовой стрелке) от артефактов заполнения (фазовый сдвиг против часовой стрелки).
Рис. 2. Процедура нормализации плоскости импеданса.
Экспериментальные данные
Испытания проводились на репрезентативном тестовом блоке из композитной сэндвич-панели, широко используемой в промышленности, обычным раздельно-совмещенным ПЭП для контроля качества соединений (OLYMPUS S - PC-P14). Данные получены дефектоскопом OmniScan MX с модулем для контроля вихретоковой матрицей (ECA) с применением специализированного программного обеспечения для контроля соединений акустическим методом (Рис. 3). Для подключения ПЭП был разработан специальный адаптер. Картирование по осям X-Y производилось вручную двухкоординатным сканером Glider.
Первый образец (см. рис. 4) — шестислойный образец с двумя различными секциями наполнителя. Каждая секция наполнителя содержит следующие отражатели: 1" (здесь и далее указан диаметр отражателя в дюймах) отслоение обшивки от наполнителя, 1" расслоение и 1" дефект заполнения. Образец сканировался одновременно при следующих восьми частотах: 10, 12, 14, 16, 18, 20, 24, 28 кГц. Контроль образца проводился как с ближней стороны (поверхность, наиболее близкая к дефектам), так и с дальней стороны.
Рис. 3. Оборудование компании Olympus для неразрушающего контроля качества соединений методом построения С-сканов.
Рис. 4. Образец 1 с указанием расположения дефектов.
На рис. 5 приведены амплитудные и фазовые C-сканы для образца 1, полученные при сканировании одной зоны наполнителя с тремя частотами. Контроль осуществлялся с ближней стороны. Из результатов видно, что частота оказывает существенное влияние на выявляемость дефекта. Примечательно, что 1" отслоение обшивки (круг обозначен сплошной линией) обнаруживается при 10 кГц и 20 кГц, но почти не выявляется на С-скане при частоте 28 кГц. Кроме того, эти амплитудные данные демонстрируют явление мембранного резонанса, при котором 1" отслоение обшивки не резонирует с теми же режимами, о чем свидетельствуют одиночные и множественные пиковые сигнатуры на частоте 10 кГц и 20 кГц соответственно. Следует отметить, что амплитудные С-сканы не позволяют обнаружить расслоения (круг обозначен пунктиром). Однако на фазовом С-скане при частоте 28 кГц расслоение отчетливо видно. При этой частоте на этом образце наблюдается велосиметрический эффект. Что касается артефактов заполнения (круг обозначен прерывающейся линией), амплитудные С-сканы демонстрируют заметное снижение амплитуды на всех частотах. Однако фазовый С-скан при частоте 28 кГц позволяет обнаружить эту зону и, что еще более интересно, он также позволяет отличить данную зону от таких дефектов как расслоение или отслоение обшивки, о чем свидетельствует красный и синий цвета, указывающее на фазовый сдвиг по часовой стрелке и против часовой стрелки. Опять же, мы наблюдаем велосиметрический эффект.
На рис.6 приведены амплитудные С-сканы для одного и того же образца, контроль которого проводится на трех выбранных частотах как с ближней, так и с дальней стороны. С-сканы, полученные с дальней стороны, для сравнения зеркально отражены вдоль оси X. Эти результаты показывают, что технологию контроля качества соединений можно использовать для выявления отслоения обшивки от наполнителя. Следует отметить, однако, что для выявления этого дефекта у ближней стенки оптимальная частота не обязательно будет такой же. 1" отслоение обшивки вообще не обнаруживается при контроле с дальней стороны с частотой 10 кГц, тогда как при контроле этого дефекта с ближней стороны частота 10 кГц обеспечивает наилучшее соотношение сигнал/шум. Основываясь на теории мембранного резонанса, отслоения у ближней и дальней стороны дают различные эффективные диаметры мембран, которые, очевидно, влияют на номинальную резонансную частоту.
Как и следовало ожидать, велосиметрический эффект не наблюдается с дальней стороны (результаты не показаны).
Рис. 5. Амплитудные и фазовые С-сканы образца 1 (только наполнитель Nomex) при контроле с ближней стороны на частотах 10, 20 и 28 кГц.
Рис. 6. Амплитудные С-сканы образца 1 (только наполнитель Nomex) при контроле с ближней и дальней стороны на частотах 10, 14 и 18 кГц.
Второй образец (см. рис. 7) — 12-слойный образец с четырьмя зонами наполнителя Nomex. В каждой зоне наполнителя представлены отслоения обшивки и расслоения двух различных размеров (0,5" и 1"). Сканирование образца проводилось одновременно при восьми разных частотах в диапазоне от 10 кГц до 30 кГц. Результаты для этого образца показаны только с ближней стороны.
Рис. 7. Образец 2 с указанием расположения дефектов.
| 15 кГц | 25 кГц | 30 кГц |
|
|
|
Рис. 8. Амплитудные С-сканы для одной зоны наполнителя в образце 2 при контроле с ближней стороны на частотах 15, 25, и 30 кГц. Сплошные стрелки - 1" отслоения обшивки, пунктирные стрелки - 0,5" отслоения обшивки.
| 14,5 кГц | 17 кГц |
|
|
Рис. 9. Амплитудные С-сканы для одной зоны наполнителя в образце 2 при контроле с ближней стороны на частотах 14,5 и 17 кГц. Сплошные стрелки - 1" отслоения обшивки, пунктирные стрелки - 0,5" отслоения обшивки.
На рисунках 8 и 9 представлены амплитудные С-сканы для различных частот при контроле с ближней стороны двух разных зон наполнителя. Интересно, что 1" отслоение обшивки (сплошная стрелка) на рис. 8 хорошо видно при 15 кГц и 25 кГц, но не при 30 кГц. С другой стороны, 0,5" отслоение обшивки (пунктирная стрелка) хорошо видно на частоте 30 кГц, но не видно на других частотах. Аналогичные результаты демонстрируются на рис. 9, где 1" отслоение обшивки четко видно при частоте 17 кГц, а 0,5" отслоение обшивки при частоте 14,5 кГц.
Заключение
Данное исследование демонстрирует, что С-сканы для разных частот позволяют выявлять дефекты различных типов и размеров в сотовых сэндвич-структурах. Разработанная процедура нормализации, чья эффективность подтверждена в этой статье, это средство как для получения фазовых и амплитудных данных импеданса, так и для сравнения С-сканов на различных частотах.
Амплитудные и фазовые С-сканы дают возможность различить особенности геометрии детали и отражатели, а также определить тип отражателя (расслоение обшивки, отслоение обшивки от наполнителя, артефакт заполнения). Была продемонстрирована возможность обнаружения отслоений внутренней обшивки от сотового наполнителя при контроле с наружной стороны, однако при этом различить отслоения с наружной (ближней) и внутренней (дальней) стороны было невозможно.
Ссылки
1. Smith R.A., Materials Evaluation, 65, pp.697-710 (2007).
2. Dickinson L.P., Fletcher N.H., Applied Acoustics, 70, pp.110-119 (2009).
3. Cawley P., Theodorakopoulos C., Journal of Sound and Vibration, 130, pp.299- 311 (1989).
4. Cawley P., NDT International, 23, pp.207-213 (1990).
