Карта сайта Добавить в закладки Написать письмо О проекте
Строительство | Ремонт | Мебель | Интерьер | Сделай сам | Дача | Стройматериалы | Окна | Двери
  Строительные фирмы

Главная
Ремонт
Стены
Пол
Потолок
Окна
Сантехника
Двери
Интерьер

Стройматериалы

Дача

Советы дачнику
Часть 1, 2, 3, 4, 5
Часть 6, 7, 8, 9, 10
Часть 11, 12, 13, 14, 15
Часть 16, 17, 18, 19, 20
Строим дом сами
Часть 1, 2, 3
Клеевые соединения               
Часть 1, 2, 3, 4
Еще статьи
Ультраакустическая дефектоскопия клеевого соединения по принципу эхолота

Ультраакустическая дефектоскопия клеевого соединения по принципу эхолота


Еще в прошлом столетии к концу 70-х годов братья Кюри своими опытами показали, что при механическом сжатии некоторых природных кристаллов внутри их возникает электрическая неустойчивость с появлением на гранях электрических зарядов противоположных знаков (поляризация). Как они установили дальше, если кристалл не сжимать, а растягивать, то поле в нем обращается. Прилагая к кристаллу знакопеременные нагрузки, можно генерировать переменный электрический ток. Последующие эксперименты доказали обратимость подобного эффекта и возможность преобразования с помощью кристаллов электрической энергии высокой частоты в высокочастотную механическую энергию (звук). Преобразование электромеханической энергии назвали потом пьезоэлектричеством, отправляясь от технического понятия «пьезоэлектрический эффект».

Основу одного современного способа контроля клеевых соединений составляет так называемая ультраакустическая дефектоскопия по принципу эхолота, при которой пьезоэлектрический кристалл обычно используют и как генератор, и как приемник ультразвуковых колебаний. Это достигается путем возбуждения кристалла кратковременным импульсом постоянного тока очень высокого напряжения. Электрический импульс приводит к быстрому изменению размеров кристалла, после чего он продолжает колебаться с собственной частотой до тех пор, пока энергия не рассеется. Колеблющийся кристалл сообщает любой среде, в которой он находится, ряд колебаний высокого и низкого давлений. Такие участки с переменным давлением образуют звуковую волну с частотой, равной частоте изменения давления.

В промежутках между импульсами кристалл используется для приема отраженных эхо-сигналов. Когда отраженный импульс достигает кристалла, тот преобразует механическую энергию упругой волны в электрическую энергию той же частоты. Электрическая энергия усиливается приемной схемой, настроенной на собственную частоту кристалла. Электрические сигналы, соответствующие звуковым импульсам, индицируются с усилением на экране электроннолучевой трубки в виде кривой изменения амплитуды во времени. Метод ультраакустической дефектоскопии по принципу эхолота с одним зондом позволяет обнаруживать пустоты или несплошности следующих видов:

- пустоты между склеиваемыми элементами в слоистых конструкциях;

- пустоты на границе раздела клей — обшивка в сотовых панелях;

- пустоты на границе раздела клей — заполнитель в сотовых панелях;

- повышенную пористость клеевых соединений во всех конструкциях, доступных для ультразвукового контроля;

- расслоения в различных слоистых стеклопластиках.

Такой вариант ультраакустической дефектоскопии по методу эхолота, когда функции генератора и приемника выполняет один пьезоэлемент, иногда основан на оценке величины энергии, отраженной от несплошности у задней поверхности проверяемой детали или отражающей пластинки, помещенной сзади детали. Часто пользуются многократным отражением на границе раздела непроклеев, если -

листы обшивок или слоев имеют относительно небольшую толщину (металл или пластик). Определяют как протяженность отраженного ультраакустического сигнала вдоль линии клея или около нее. Он основан на поглощении или убыли энергии в клеящем материале или, наоборот, на усилении реверберации и возможном резонансе на непроклеях. Подобный прибор отличается от большинства дефектоскопов с одним преобразователем тем, что в данном случае разрешающая способность не играет большой роли, поскольку в приборе используются длительные импульсы, чтобы возбудить стоячие волны и создать интерференционную картину. Испытания проводят как контактным, так и иммерсионным способами. Чтобы получить эталонные данные, преобразователь помещают над непроклеем стандартного образца и регулируют чувствительность и длительность импульса, пока на экране не появится нужное изображение. Затем подбирают такую длительность развертки, чтобы справа от главного изображения появился побочный сигнал сравнительно малой амплитуды. Затем преобразователь передвигают в зону доброкачественного клеевого шва, что приводит к значительному уменьшению амплитуд сигналов. Введение в контур приемного усилителя заграждающего фильтра или нелинейного элемента иногда значительно усиливает этот эффект. После этого производится настройка импульса, чтобы добиться наилучшего изображения. Такие изображения легче всего интерпретировать при визуальном наблюдении. При автоматической записи регистрируется та же общая картина, однако строб-импульс можно включать для записи амплитуды импульса в любое время в зависимости от ее чувствительности к дефектности клеевого соединения.

Для дефектоскопии клеевых соединений металлов, слабо поглощающих ультразвуковые сигналы, чаще всего прибегают к регистрации на экране индикатора побочных отраженных ультразвуковых сигналов. Этот способ позволяет легко обнаруживать пустоты в клеевом шве на самой поверхности раздела

При дефектности толстых обшивок или клеящих материалов с большим поглощением целесообразнее работать на пониженных частотах (1—5 Мгц). Иногда полезно умышленно выбрать резнансную или близкую к резонансной частоту, чтобы получить достаточные сведения об амплитуде сигнала. Полезны также эксперименты на нескольких частотах в сочетании с оптимизацией приборного регулирования, чтобы добиться наиболее резкого изменения картины при переходе от совершенно доброкачественного клеевого соединения к полному непроклею. Во многих случаях преобразователь дает более надежные результаты на частоте, несколько смещенной от собственной частоты.

Для дефектоскопии клеевых соединений можно с успехом прибегать к опрокидыванию фазы, если удельные волновые акустические сопротивления склеиваемых материалов сильно разнятся и если есть подход к соединяемому элементу с более низким сопротивлением. Фаза сигнала, отраженного от доброкачественного шва, меняется при отражении от непроклея на 180°. Ясно, что этот способ дефектоскопии имеет ограниченное применение, но проводящиеся исследования могут привести к расширению подобных возможностей.

Широкое применение для дефектоскопии клеевых соединений материалов, сильно поглощающих ультразвуковые колебания, получил метод сквозного прозвучивания (теневой). Он позволяет легко обнаруживать несплошности или непроклеи, по размерам сравнимые с зондом (щупом) и, видимо, участки с относительно высокой пористостью. Этот способ считается менее сложным по сравнению с вариантами дефектоскопии по принципу эхолота, так как требует оценки величины только одного сигнала. Такие нерегулярности, как неровности поверхности, несоответствия из-за плохой подгонки соединяемых элементов или их формы и т. п., влияют на проходящую энергию слабее, чем на отраженную. Сквозное прозвучивание позволяет проникать в сильно поглощающие ультразвук материалы в два-три раза глубже, чем методы дефектоскопии по принципу эхолота.

Тем не менее применимость метода сквозного прозвучивания обычно ограничивается случаями, когда сканирование искательной головкой возможно с обеих сторон шва и когда допустимо погружение исследуемой детали в воду, способное в общем случае привести к нежелательным последствиям для склеенных изделий (от этих недостатков свободен тональный метод с использованием двух излучателей, речь о котором пойдет ниже).

Существуют три следующих общих способа индикации сигнала.

Развертка А, при которой амплитуда сигнала или смещенное катодное пятно на экране электроннолучевой трубки отражает поперечное сечение участка непроклея. Время, прошедшее от сиг нала, отраженного от поверхности склеиваемого элемента, до искаженного сигнала, дает приблизительное представление о место положении непроклея в сравнении со временем, прошедшим от сигнала, отраженного от поверхности склеиваемого элемента, до сигнала от задней поверхности материала.

Развертка В, которая дает изображение поперечного сечения непроклея по отношению к сигналам от верхней и нижней поверхностей.

Развертка С, которая представляет собой запись на бумаге визуальной картины непроклея в детали. Этот вид развертки по лучил наибольшее распространение, так как запись можно сохранить как протокол проверки агрегата.

Зеркальный вариант теневого метода подобен только что описанному способу, но в нем используется один преобразователь, а звуковая энергия проходит через слой воды и исследуемую деталь, отражается от зеркальной пластины и возвращается в преобразователь. Преимущества этого варианта таковы:

- в материалах с относительно низким ослаблением ультра звуковая энергия поглощается в два-три раза сильнее, что позволяет регистрировать соответственно большие изменения сигнала;

- при дефектоскопии тонких деталей стробирование на отражающей поверхности обеспечивает лучшую запись.

Зеркальная пластина должна быть плоской, а исследуемую деталь нужно удерживать в процессе испытаний на постоянном расстоянии от пластины, сокращая таким образом разность потерь из-за изменения длины пути в воде, неодинаковой величины угла падения при наклонном сканировании и разного рассеивания на неровностях поверхностей склеиваемых элементов.

В тональном варианте сквозного прозвучивания («pitch-and-catch» method) используются два преобразователя, располагающиеся с одной стороны склеиваемого элемента. Этот способ полезен в тех случаях, когда эхо-метод с одним преобразователем не обеспечивает достаточной разрешающей способности, когда зеркальный вариант теневого метода оказывается недостаточно мощным или когда нельзя провести сквозного прозвучивания с кристаллами с двух сторон детали из-за особенностей ее формы и размеров. Два преобразователя размещаются близко друг к другу с разворотом под небольшим углом, величину которого лучше всего оптимизировать испытаниями стандартных образцов. Иногда между преобразователями приходится ставить акустический экран, чтобы устранить прямое отражение сигналов от поверхности. Регистрация сигналов ведется так же, как и при других способах сквозного прозвучивания.

В наиболее современном варианте сквозного прозвучивания, исключающем погружение в воду, пьезоэлектрические кристаллы смонтированы внутри резинового «колеса», заполненного жидкостью.

Бондтестер фирмы «Фоккер». Устройство. Это ультразвуковой резонансный прибор, измеряющий влияние нагрузки на собственную частоту и амплитуду колебаний преобразователя. Сначала определяют резонансную частоту и резонансную амплитуду для бесшовного листа, после чего преобразователь устанавливают на склеенное соединение, благодаря чему косвенно измеряется прочность клеевого соединения. Как показала практика, бондтестер фирмы «Фоккер» устойчиво измеряет прочность склеивания, точнее всех других приборов. Исследования показали, что им можно точно обнаруживать пустоты и участки малопрочного склеивания, явившиеся следствием недостаточности величины давления в процессе отверждения. Первостепенную важность во всяком ультразвуковом приборе имеет преобразователь, так как он служит посредником между деталью и регистрирующим устройством. Цилиндрический преобразователь бонд-тестера фирмы «Фоккер» изготавливают из титаната бария спеканием в печи при высоких температурах. Затем его поляризуют в сильном поле. Титанат бария имеет перед природными пьезоэлектрическими кристаллами (сегнетова соль, турмалин, кварц и др.) следующие преимущества:

1) слабую чувствительность к влажности и небольшим колебаниям температуры;

2) стабильность пьезоэлектрического эффекта приблизительно до 70° С;

3) возможность выбора моды колебаний приданием электродам нужной формы при изготовлении и их размещением.

После поляризации в пьезоэлементе прорезаются необходимые для его монтажа канавки. Поскольку титанат бария является диэлектриком, верхнюю и нижнюю поверхности никелируют или хромируют. Покрытия к тому же защищают контактные поверхности пьезоэлемента. Если покрытие растрескивается или сильно изнашивается, то прибор станет давать ошибочные показания.

Частота колебаний в точке а определяется диаметром преобразователя. По своему характеру колебания пьезоэлемента на этой частоте обычно имеют радиальное направление. Частота в точке б определяется толщиной пьезоэлемента и соответствует колебаниям в осевом направлении. Таким образом, амплитуда нужных колебаний определяется отношением диаметра преобразователя к его толщине. Чем крупнее пьезоэлемент, тем ниже резонансная частота.

Когда к пьезопреобразователю прикладывается электрический сигнал генератора частотой приблизительно до 10 кгц, замеряют напряжение на электродах. Результаты такого измерения для обычного пьезоэлемента представлены на фиг. 10.8. В точках а и б на кривой напряжение на пьезоэлементе изменяется скачкообразно, потому что в них собственная частота пьезоэлемента совпадает с частотой, которая на него подана. Это явление называется резонансом. Резонансная частота пьезоэлемента определяется его массой.

Пьезоэлементы для бондтестера фирмы «Фоккер» маркируют по диаметру и толщине. Так, марка 3814 обозначает, что диаметр пьезоэлемента равен 3/8 дюйма, а его толщина составляет 1/4 дюйма.

Пьезоэлемент крепят так, чтобы позволить ему совершать свободные колебания. Зажимы крепления служат вместе с тем и заземлением. Переменный ток подается на пьезоэлемент через соединительный штепсель и поджатый пружиной посеребренный штырь, упирающийся в пьезоэлемент. Для предотвращения неустойчивых показаний головку прибора заключают в тефлоновый корпус.

Резонансное действие пьезоэлемента основано на влиянии нагрузки на собственную резонансную частоту и импеданс преобразователя, которые определяются по показаниям электроннолучевого индикатора и микроамперметра. Нагрузку вводят путем соединения с пьезоэлементом определенной массы, изменяющей резонансную частоту и импеданс. Эта система работает на низких частотах и применяется в основном для клееных конструкций. Главный недостаток прибора заключается в ограниченной глубине проникновения колебаний. При испытании алюминия полная толщина не превосходит приблизительно 13 мм.

После возбуждения пьезоэлемента с надлежащей частотой надо следить за 1) источником питания, 2) измерительной цепью, 3) калибровочной цепью и 4) объектом наблюдения.

Питание осуществляется от сети 110—120 в с частотой 50— 60 гц. Источник А, снабженный электронным стабилизатором, обеспечивает подачу переменного синусоидального тока с постоянной (+-10%) амплитудой и частотой 50—60 гц на каскад формирования импульсов В; на его выходе создается напряжение прямоугольной формы, которое запирает электроннолучевую трубку W на время обратного хода луча.

Прямоугольное напряжение подается также в интегрирующую цепь С, с выхода которой напряжение треугольной формы подается на модулятор D и усилитель горизонтальной развертки НН. Входной сигнал модулятора можно плавно регулировать аттенюатором развертки.

Пилообразное напряжение и регулируемое напряжение постоянного тока (частотный сдвиг) смешиваются в усилителе, причем выходной линейный ток подается в катушку, управляющую индуктивностью генератора. Эта индуктивность вместе с регулировочным конденсатором (настройкой) образует резонансную цепь генератора Е. Цепь проектируется таким образом, чтобы мгновенное значение частотного сдвига линейно следовало за горизонтальным отклонением.

Выходной сигнал генератора подается на зонд (щуп) и смеситель К в калибровочной цепи, а выход с зонда проходит через детектор М. Выходной сигнал калибровочной цепи можно подать на детектор также и через переключатель R с надписью «Калибровка».

Проходя через детектор, сигнал подается на усилитель вертикального отклонения HV и на ламповый вольтметр Р. Последний показывает на шкале В величину затухания в системе. Сдвиг резонансной частоты определяется по электроннолучевой трубке (шкала А).

С помощью калибровочной цепи определяют величину сдвига резонансного пика пьезоэлемента. Эта цепь состоит из эталонного генератора F с частотой 10 кгц. Сигнал этого генератора подается на нелинейный усилитель G, выходной сигнал которого, содержащий частоту 10 кгц и все ее гармоники до шестой включительно, смешивается с выходным сигналом генератора Е. Сигнал смесителя К проходит через один из трех калибровочных кристаллов S и подается на смещающий усилитель L, который пропускает входной сигнал только тогда, когда он достиг определенного уровня. Калибровочный кристалл действует как чувствительный резонансный фильтр, включенный в цепь параллельно. Выходной сигнал смещающего усилителя L проходит через переключатель Т на детектор М.

В положении «Калибровка» на электроннолучевой трубке появляется несколько калибровочных пиков. Расстояние между смежными пиками по частоте равно 10 кгц.

Кнопкой включают конденсатор. После этого ручка переключателя диапазонов переводится в нужное положение и производится точная подстройка средней частоты). Для каждой операции регулировки дается соответствующая резонансная характеристика.

Области применения и ограничения. Бондтестер измеряет когезионные свойства клеевого соединения. Адгезионные свойства он может замерять только как связанные с когезионными. Он не способен обнаруживать непорядки, обусловленные неправильной подготовкой поверхности склеиваемых элементов или присутствием на поверхности раздела клеевого соединения инородных включений, например смазки. Эти нарушения должны контролироваться пооперационно соответствием склеиваемых элементов предъявляемым требованиям.

Этот прибор способен обнаруживать такие отклонения от нормы в клеевом шве склеенных агрегатов, которые объясняются следующими причинами:

1) пониженной прочностью из-за утолщений или пористости клеевой фуги (обычно это вызывается отклонениями давления вследствие некачественной оснастки, небрежности при работах с оснасткой или размерного несоответствия в подгонке соединяемых элементов);

2) пониженной прочностью из-за пребывания клея в атмосферных условиях и обусловленного этим изменения когезионных свойств;

3) сплошным непроклеем или наличием многих пустот между соединяемыми элементами или между ними и клеящим слоем;

4) неполным отверждением соединения, когда отвержденный слой по модулю упругости или плотности значительно отличается от неотвержденного.

Принцип действия. Когезионные свойства клея сильно зависят от его упругих характеристик. Эти упругие свойства в свою очередь определяют акустические характеристики клеевого слоя. Прибор сравнивает акустические свойства несоединенных обшивок и клееных узлов. Сначала преобразователь устанавливают на неклееном листе обшивки, который считается имеющим нулевую когезионную прочность. Затем его ставят на клеевое соединение и создают колебания в клеевом слое. Разная акустическая нагрузка на пьезоэлемент на несклеенном листе и на клеевом соединении сдвигает резонансную частоту и изменяет амплитуду колебаний сообразно динамическим механическим свойствам соединения. Это и есть косвенная мера прочности соединения.

Поскольку бондтестер измеряет главным образом когезионную прочность клеевого соединения, очевидны следующие две основные трудности.

Он не измеряет адгезионных свойств клеевого слоя на поверхности раздела, а они способны привести к преждевременному разрушению в процессе разрушающего испытания. Поэтому очень важно, чтобы адгезия клеящего слоя была больше когезионной прочности. При достаточной подготовке поверхности большая часть клеев удовлетворяет этому требованию.

Он не измеряет предела текучести соединяемого элемента, а от него зависят результаты разрушающего испытания соединения внахлестку (к сотам это не относится). Поэтому для изготовления корреляционной кривой должны использоваться образцы из элементов определенной толщины и с постоянным пределом текучести. Для сопоставления образцов различной длины нахлестки необходимо использовать кривую качества.

Корреляционная кривая. Корреляционная кривая должна строиться для конкретной клеящей системы и соединяемого элемента. Образцы изготовляют в как можно более близком к натурному виде и с разной прочностью. Испытываются они сначала неразрушающим методом, а затем разрушающим. После этого результаты измерения в единицах качества бондтестера наносят на график, связывающий показания прибора с истинной прочностью соединения. Это дает корреляционную кривую. Образцы можно изготовлять путем размещения прокладок или оставления промежутков между соединяемыми элементами, чтобы воспроизвести непостоянство давления при склеивании. В то же время нагрев и вакуумное или прессовое давление остаются постоянными. Для агрегатов, где соединяется металл с металлом (ММ-А-132), изготавливаются образцы внахлестку на сдвиг растяжением, а для конструкций слоистого типа — образцы на равномерный отрыв. Можно использовать и другие образцы для пополнения набора разных уровней прочности, но для построения корреляционной кривой надо вводить только одну переменную.

Нельзя пользоваться фторопластом для создания непроклеев в сотовых панелях по двум следующим причинам: 1) подобный дефект никогда не встречается в производстве, 2) в процессе соединения может возникнуть значительная адгезия (между фторопластом и обшивкой), которая влияет на показания прибора. Если необходимы непроклеи, то лучше брать майларовую пленку или металлическую прокладку. Толщина прокладок зависит от требуемого качества соединения и реакции конкретного клеящего материала на изменение давления.

Корреляционная кривая должна в какой-то мере выявлять те трудности, с которыми чаще всего можно встретиться на производстве. Как уже отмечалось, адгезия зависит прежде всего от подготовки поверхности и степени нагрева, что можно регулировать тщательностью изготовления и жестким контролем. Не следует, однако, забывать, что адгезия зависит и от давления, особенно в случае применения конструкционных пленочных клеев. Когезионные свойства клеев тоже зависят от степени нагрева, но на них обычно еще сильнее влияет давление.

Поэтому важное значение имеют соединения пониженной прочности, образующиеся при неправильном давлении из-за несовершенной оснастки, плохой подгонки поверхностей и т. п. Недоброкачественные соединения подобного рода можно воспроизвести на образцах с помощью прокладок.

У идеального клеящего материала адгезионная прочность должна была бы превосходить когезионную. Этому требованию удовлетворяют эпоксифенольные клеи. Они обычно имеют когезионную прочность при сдвиге от максимально 225 до 7 кг/см2. Когезионная прочность фенольнокаучуковых клеев обычно превосходит адгезионную (от максимально 385 кг/см2 и приблизительно до 280 кг/см2). Затем когезионное разрушение сменяется адгезионным, стремящимся к нулевой прочности. Эпоксинайлоновые клеи обычно разрушаются когезионно в интервале максимально от 490 до 245 кг/см2. Затем они разрушаются адгезионно, но на низком уровне (70 кг/см2) опять возможно когезионное разрушение. Если бы теория действия бондтестера полностью исключала адгезию, то для последних двух клеящих материалов нельзя было бы получить корреляционную кривую. Поэтому правильнее говорить, что бондтестер измеряет не сами когезионные свойства, а когезионные свойства в связи с адгезионными. Эта взаимосвязь сильнее всего выражена для клеящих материалов с сильной зависимостью от давления.

Корреляционная кривая для того или иного клея должна увязывать между собой толщину клеевого слоя с реакцией клея на ультразвук и результатами его механических испытаний. В связи с этим иногда полагают, что бондтестер измеряет толщину клеевого слоя. Однако подобная точка зрения чаще всего бывает ошибочной, потому что прочность многих клеев не зависит от толщины слоя, хотя надо помнить, что тонкий клеевой слой обладает лучшей стойкостью к воздействию тяжелых эксплуатационных условий и повышенным сопротивлением усталостным нагрузкам.

По мере приобретения навыков по построению корреляционных кривых на эту процедуру будет уходить все меньше времени. При этом важно как можно полнее знать клеящий материал. Поэтому число образцов, необходимых для построения кривой, зависит от опытности испытателя. Уровень достоверности можно определить путем статического анализа. Корреляционные кривые вообще не нужны, если агрегат проверяют только на отсутствие одних непроклеев.

Обычно показания снимают с осциллоскопа (шкала А) для соединений металла с металлом и с микроамперметра (шкала В) для слоистых конструкций с заполнителями. В процессе уточнения корреляционных кривых необходимо снимать показания с обеих этих шкал, пока не будет установлена достоверность их показаний. При испытании композиционных конструкций шкала А позволяет обнаруживать пустоты или участки пониженной прочности, а шкала В используется для определения слоя с этими нарушениями.

Если для испытаний соединений металла с металлом приходится пользоваться пьезоэлементами большого диаметра, то и образцы внахлестку должны иметь достаточные размеры, чтобы установить зонд. Сняв показания бондтестера, надо перед разрушающими испытаниями распилить образец до полудюймовой нахлестки (пилить только одну сторону). Если для данных склеиваемого элемента и выбранного клея существуют кривые качества, то можно провести поправочные расчеты, избежав тем самым распиловки.

Калибровка. Бондтестер надо калибровать всякий раз при использовании прибора и даже нередко перепроверять калибровку в ходе испытания.


Читайте также:

СВЧ-дефектоскопия клеевого соединения
Рентгенодефектоскопия клеевого соединения
Контроль клеевого соединения с помощью оптически чувствительных покрытий
Контроль качества клеевого соединения с помощью жидких кристаллов
Инфракрасное излучение на службе контроля клееной продукции

При копировании материалов ссылка на сайт krivorukih.net обязательна
Bizzz.ru