Текст книги "Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций"

3.2 Магнитный неразрушающий контроль

Этот метод неразрушающего контроля основан на обнаружении и регистрации магнитных полей рассеяния, возникающих в намагниченном изделии над дефектами или магнитных свойств контролируемого изделия. Его применяют в основном для неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов, находящихся в намагниченном состоянии. Рассмотрим физические причины этого явления.

Известно, что если через проводник пропустить ток, то в пространстве вокруг него, а также между полюсами электромагнита и в пространстве, окружающем соленоид, возникает магнитное поле, направление которого определяется по правилу буравчика. Если испытываемую деталь из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле, то в ней появляются магнитные силовые линии. При отсутствии дефектов магнитные линии не исключаются. При наличии несплошности, находящейся на пути магнитного потока, часть магнитных линий выходит из детали и затем снова входит в нее. В местах выхода магнитных линий образуются местные полосы N и S, между которыми помещается магнитное поле рассеяния, расположенное над дефектом. После снятия намагничивающего поля местные полюсы и поле рассеяния остаются вследствие наличия остаточной индукции [8].

В намагниченной детали (рисунок 3.5) магнитные силовые линии направлены от полюса N к полюсу S. Вокруг трещины, определяющей несплошность, создается поле рассеяния, которое может быть обнаружено и зарегистрировано. После удаления детали из магнитного поля и регистрации дефекта такую деталь необходимо размагнитить. Остаточная намагниченность влияет на показания приборов, вызывает притяжение посторонних частиц, что способствует интенсификации процессов изнашивания.

Для намагничивания деталей применяют постоянный (двухполупериодный выпрямленный, трехфазный выпрямленный), переменный, однополупериодный выпрямленный и импульсный токи. Дефекты оптимально обнаруживаются в случае, когда направление намагничивания контролируемой детали перпендикулярно направлению дефекта, поэтому простые детали намагничивают в двух направлениях, а детали сложной формы – в нескольких.

Для создания оптимальных условий контроля применяют три способа намагничивания: циркулярное, продольное (или полюсное) и комбинированное.

Циркулярное намагничивание осуществляется при пропускании тока по контролируемой детали или через проводник стержень, помещенный в отверстие детали. Наиболее эффективно циркулярное намагничивание деталей в форме тел вращения. При пропускании тока по деталям сложной формы выступы и другие неровности могут быть ненамагничены до требуемой степени. В этих местах необходимо измерять напряженность намагничивающего поля и специально следить, чтобы она достигла требуемых для контроля значений. При циркулярном намагничивании направление магнитного потока перпендикулярно направлению тока, поэтому оптимально обнаруживаются дефекты, направление которых совпадает с направлением тока. Одной из разновидностей циркулярного намагничивания является намагничивание путем индуцирования тока в контролируемой детали. Устройства для такого намагничивания представляют собой трансформатор, вторичной обмоткой которого (или частью сердечника) служит контролируемая деталь.

Рисунок 3.5 – Искажение силовых линий магнитного поля в детали с трещиной:

1 – намагниченная деталь; 2 – поле рассеяния; 3 – трещина

Продольное намагничивание происходит с помощью электромагнитов (постоянных магнитов) или соленоидов. При этом обычно деталь намагничивается вдоль своего наибольшего размера. На ее краях образуются полюсы, создающие поле обратного направления. К разновидности полюсного намагничивания относится поперечное намагничивание, когда деталь намагничивается в направлении меньшего размера.

Комбинированное намагничивание возникает при одновременном намагничивании детали двумя или несколькими изменяющимися магнитными полями. При этом можно применять любое сочетание видов тока. При комбинированном намагничивании необходимо, чтобы суммарный вектор намагниченности поворачивался относительно детали хотя бы на 90° (или вращался на 360°). Это достигается в результате применения совместно продольного и циркулярного намагничиваний и использования для них токов одного вида, различающихся по фазе (или времени включения, например, для импульсных токов), или токов разного вида с соответствующими моментами включения или изменения их величины и направления.

Существуют различные способы и схемы намагничивания деталей, использующие постоянные магниты, электромагниты, соленоиды, виды и сочетания токов, применяемые при неразрушающем контроле магнитными методами.

Наиболее широко используются методы обнаружения и регистрации полей рассеяния: магнитопорошковый, магнитографический и феррозондовый, последний в аэрокосмической промышленности распространения не получил.

Магнитопорошковый метод. Способствует обнаружению поверхностных и подповерхностных дефектов типа волосовин, трещин (закалочных, усталостных, шлифовочных, сварочных, литейных, штамповочных и т. п.), расслоений, флокенов, заковов, непроваров стыковых сварных соединений, надрывов и т. п. Подповерхностные дефекты на глубине примерно до 100 мкм могут быть обнаружены практически при такой же высокой чувствительности, что и поверхностные.

При большем расстоянии от поверхности до дефекта (2–3 мм) выявляются более грубые дефекты, чем при поверхностных нарушениях сплошности. Чувствительность метода высока, позволяет обнаруживать трещины с шириной раскрытия более 0,001 мм и глубиной более 0,01 мм.

Магнитографический метод. С его помощью обнаруживают как поверхностные дефекты (типа трещин, непроваров, шлаковых включений, цепочек и скоплений пор, подрезов, прижогов и т. п.) при примерно равной с магнитопорошковым методом чувствительности, так и глубинные при расстояниях от поверхности до 20–25 мм. Он более универсален и пригоден для контроля деталей практически любых форм и размеров, в то время как магнитографический наиболее пригоден для проверки деталей относительно простой формы (цилиндров, труб, листов, брусков и т. п.). При магнитопорошковом методе на диагностируемые участки детали наносят ферромагнитные частицы либо мокрым методом, либо сухим. В первом случае частицы находятся во взвешенном состоянии в воде, керосине или минеральном масле, во втором они взвешены в воздухе. При попадании на намагниченную деталь над дефектом вследствие неоднородности магнитного поля, наличия местных магнитных полюсов намагниченные частички притягиваются к месту наибольшей концентрации магнитных линий. Ширина валика скопившихся частиц больше фактической ширины дефекта, что позволяет рельефно выявить форму и протяженность дефекта.

Магнитопорошковый метод контроля осуществляется в такой последовательности: подготовка детали – намагничивание – нанесение ферромагнитного порошка – расшифровка результатов контроля – размагничивание. При подготовке деталей очищают поверхности, которые будут контактировать с намагничивающими приспособлениями, удаляют загрязнения. Лакокрасочные покрытия толщиной более 30 мкм значительно снижают чувствительность магнитопорошкового контроля, поэтому их необходимо смыть. Он может осуществляться в приложенном магнитном поле и по остаточной намагниченности.

В первом случае намагничивание, нанесение суспензии и контроль проводят одновременно, во втором все операции выполняются раздельно. При намагничивании необходимо учесть, что наилучшее выявление дефекта будет тогда, когда магнитные линии располагаются перпендикулярно направлению предполагаемого дефекта. В сомнительных случаях проводят намагничивание в разных направлениях. После намагничивания или одновременно с ним (при контроле в приложенном поле) наносят на поверхность контролируемой детали ферромагнитный порошок. В качестве порошков применяют различные размельченные частицы черного, буровато-красного и белого цвета. Черные порошки изготавливают из измельченного тетраксида железа (Fe₃O₄) с размером частиц не более 30 мкм, буровато-красные – из размельченного гаммаокисида железа (γ-Fe₂O₃), белые – из алюминиевой пудры (ПАК-3) и никелевого или железного порошка (марки А). В некоторых случаях применяются магнитно-люминесцентные порошки. Добавка в порошки люминофора в смеси с другими веществами позволяет наблюдать индикаторный рисунок в ультрафиолетовых лучах. Суспензии могут составляться на основе керосина, масла МК8, трансформаторного масла или воды. Концентрация порошка в суспензии может колебаться от 5 до 25 г/дм³. Ее подбирают в зависимости от вида намагничивания, формы контролируемой детали и характера дефекта. Например, при контроле галтельного перехода головки болта к цилиндрической части достаточно обеспечить концентрацию порошка в суспензии 10–15 г/дм³, при контроле ответственных деталей двигателя она должна быть в пределах 20–25 г/дм³. Суспензия наносится с помощью обливания (из шланга или резиновых груш, бачков) или погружения в ванну, сухой порошок – распылением в специальных установках.

Расшифровка результатов контроля проводится после отложения порошка на поверхности контролируемой детали. Например, над усталостными трещинами порошок накапливается в виде тонких четких линий, неметаллические включения выявляются в виде точечных скоплений или цепочек. При расшифровке индикаторного рисунка следует учесть, что могут появиться мнимые дефекты. Скопление ферромагнитного порошка может происходить не только над дефектом, но и над рисками, по границам резких структурных изменений. В этих случаях для проверки достоверности наличия трещины удаляют порошок, осматривают повреждение с помощью лупы и проводят повторное намагничивание. Иногда применяют другие виды неразрушающего контроля. Задача размагничивания заключается в том, чтобы свести к нулю остаточную индукцию. Для этого используют постепенно уменьшающееся переменное поле, создаваемое специальным соленоидом.

На использовании магнитных свойств материалов работают различные устройства неразрушающего контроля:

– магнитные толщиномеры, основанные на измерении силы отрыва или притяжения постоянных магнитов или электромагнитов относительно диагностируемой детали (пондермоторный метод);

– устройства и приборы для контроля структуры, основанные на использовании зависимости между магнитными и физико-химическими свойствами материалов;

– приборы для контроля механических свойств материалов, в которых используются те же зависимости.

Во всех этих случаях используется зависимость между пределом прочности, удлинением, твердостью и другими механическими и структурными характеристиками металлов и магнитными характеристиками (коэрцитивной силой, индукцией, магнитной проницаемостью).

3.3 Методы неразрушающего контроля с использованием электромагнитных явлений

Оптический неразрушающий контроль – вид неразрушающего контроля, основанный на взаимодействии светового излучения с объектом контроля.

Оптическое излучение (ОИ), или свет, – электромагнитное излучение, в котором принято выделять ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области спектра с длинами волн соответственно 10^-3-0,38; 0,38-0,78; 0,78–10^-3 мкм.

Возникновение оптического излучения связано с движением электрически заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы). Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие энергетические уровни сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий состояний этих уровней. Энергия фотона Е = hf, где h = 6,626 ∙ 10^-34 Дж ∙ с – постоянная Планка; f – частота излучения, Гц.

Скорость распространения оптического излучения в вакууме С₀ = 299792,5 км/с. В реальных средах оптическое излучение распространяется со скоростью

(3.1)

Где – показатель преломления среды; ε, µ – относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды; λ₀ и λ – длина волны света в вакууме и среде соответственно.

Информационными параметрами ОИ являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют измерение этих параметров при взаимодействии оптического излучения с объектом контроля в соответствии с явлениями, определяющими волновую природу света: интерференцией, дифракцией, поляризацией, преломлением, отражением, поглощением, рассеянием, дисперсией света, а также изменение характеристик самого объекта под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических (фотоупругость), магнитооптических, акустооптических и других явлений.

К основным информационным параметрам объектов оптического контроля относятся их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны.

Среди дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, отмечены пустоты (нарушение сплошности), расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физико-химических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т. д. [19].

Использование оптического излучения как носителя информации перспективно. Электромагнитное поле по природе многомерно, что позволяет вести многоканальную (многомерную) обработку информации одним устройством с большой скоростью, определяемой скоростью света в данной среде. Эффективность применения оптического неразрушающего контроля существенно зависит от правильности выбора геометрических и временных характеристик условий освещения и наблюдения контролируемого объекта. Главное при этом – обеспечить максимальный контраст дефекта подбором угла освещения и наблюдения, спектра и интенсивности источника (непрерывного или стробоскопического), а также состояния поляризации и степени когерентности света. Необходимо учитывать различия оптических свойств дефекта и окружающей его области фона.

Различие в отражении поляризованного света от металлов и диэлектриков используется для получения контрастного изображения дефектов (например, пятен масла на металле и т. п.). При этом объект освещается поляризованным светом под углом Брюстера, а его наблюдение осуществляется с помощью поляроида, устанавливаемого в положение, обеспечивающее максимальный контраст дефекта.

Возможности глаза человека не всегда позволяют получить достоверную информацию о состоянии детали, подвергающейся дефектации. Разрешающая способность зрения S, т. е. способность различать мелкие детали изображения, зависит от яркости, контраста, цветности и времени наблюдения контролируемого объекта. Она максимальная в белом или желто-зеленом свете при яркости от 10 до 100 кд/м², высоком контрасте объекта (|k| › 0,5) и времени наблюдения 5-20 с.

Угловая разрешающая способность глаза (т. е. минимальный угол между деталями изображения, которые он различает) равна l’ при расстоянии до объекта l = 250 мм и соблюдении указанных выше условий.

Удаленность объекта контроля, недостаточная освещенность, ограниченная контрастная чувствительность и малая разрешающая способность зрения человека делают возможным применение визуального контроля для обнаружения больших видимых деформаций, трещин с большой шириной раскрытия и т. п.

Оптические приборы позволяют намного расширить пределы естественных возможностей глаза. Вследствие преломления лучей в оптической системе приборов увеличивается размер рассматриваемого объекта. Дифракционный предел линейного разрешения оптического прибора определяется длиной волны света и составляет I_max = 0,5 мм для зеленого света.

Острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно так же, как и изображение оптического устройства. Это позволяет видеть мелкие объекты, размеры которых находятся за пределами видимости невооруженного глаза.

Визуальный контроль с применением оптических приборов называют визуально-оптическим. Он используется для обнаружения различных поверхностных дефектов, осмотра закрытых конструкций, труднодоступных мест самолетов и вертолетов. Контроль проводится путем наблюдения деталей в видимом свете. Оптические средства контроля используют на различных стадиях ремонта и эксплуатации авиационной техники. Основные преимущества этого метода – простота контроля, несложное оборудование, сравнительно малая трудоемкость. Однако визуально-оптический контроль имеет недостаточно высокую достоверность и чувствительность, поэтому его применяют для поиска поверхностных дефектов, доступных для непосредственного осмотра, для анализа характера повреждений, обнаруженных другими методами дефектоскопии, для осмотра закрытых конструкций с целью обнаружения загрязнений, наличия посторонних предметов. Следует учитывать, что даже дефекты относительно больших размеров могут быть не обнаружены с помощью оптических приборов из-за малого контраста с фоном.

По виду регистрации изображения различают три группы оптических приборов: визуальные, детекторные и комбинированные.

У визуальных приборов (лупы, микроскопы, эндоскопы, приборы измерения линейных и угловых размеров и др.) приемником является глаз, у детекторных приборов – фотоэмульсии, люминесцирующие вещества, электронные приборы и т. п., комбинированные приборы пригодны для обзора визуального и с помощью детектора [9].

Для осмотра участков конструкции, не доступных прямому наблюдению (например, внутренней полости камер сгорания, участков, закрытых близлежащим элементом – нервюрой, балкой и т. п.), применяют технические эндоскопы, бороскопы, перископические дефектоскопы. В этих устройствах лучи света изменяют свое первоначальное направление. Для осмотра внутренней поверхности относительно коротких полых деталей и закрытых конструкций применяют жесткие эндоскопы специального назначения: цитоскопы (для осмотра полостей диаметром более 8 мм, глубиной до 200 мм), техноэндоскопы (осмотр полостей глубиной более 500 мм), перископические дефектоскопы прямые и коленчатые.

К окуляру оптических приборов может быть присоединен фотоаппарат для регистрации изображения, что дает возможность последующего сравнительного анализа. Некоторые приборы снабжаются дополнительным устройством для проецирования изображения дефектируемой поверхности на фотокатод телевизионной трубки, что позволяет наблюдать изображение на экране телевизионной установки.

Возможности технических эндоскопов значительно расширены благодаря применению волоконно-оптических элементов. Волоконные световоды – набор тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10–20 мкм, собранных в жгут. Каждый элементарный светопровод покрыт снаружи тонким слоем (1–2 мкм) стекла с более низким показателем преломления. На границе световод – оболочка происходит полное внутреннее отражение света, входящего в основную нить, что обеспечивает его прохождение по световоду с минимальным ослаблением (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Прохождение света в световоде с полным внутренним отражением

Для работы в ультрафиолетовой области используют кварцевые световоды. Для уменьшения потерь света из-за его выхода через боковую поверхность некоторые типы волокон покрывают металлической оболочкой из свинца, алюминия или индия. Из оптических волокон составляют жгуты, на торцах которых волокна скрепляют методом горячего прессования или склеивают. Торцы жгутов полируют. Жгуты для передачи изображения представляют собой совокупность волокон с регулярным расположением светопроводящих жил. Каждое волокно несет один элемент изображения, так что общее изображение на выходном торце получается мозаичным. В осветительных жгутах, предназначенных для передачи света, оптические волокна расположены беспорядочно. Волоконные световоды позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю.

В гибком эндоскопе (рисунок 3.7) монтируются жгут волокон для передачи изображения и жгут волокон для освещения осматриваемого места. Здесь по кольцевому осветительному световоду проходят лучи света от источника к осматриваемому объекту. Изображение передается через линзу к световоду и окуляру, а затем наблюдателю. В эндоскопе может быть смонтировано устройство для дистанционного управления изгибом жгута, что очень удобно для осмотра внутренних полостей различных конструкций, баллонов, камер сгорания реактивных двигателей и других закрытых полостей, имеющих смотровое отверстие.

Рисунок 3.7 – Устройство гибкого эндоскопа:

1 – наблюдатель; 2 – окуляр эндоскопа; 3 – кольцевой осветительный световод; 4 – световод наблюдательный; 5 – линза световода; 6 – осматриваемый объект; 7 – источник света

На современных предприятиях при большом числе диагностируемых деталей (например, лопаток турбин) могут применяться оптико-электронные системы, в которых используются фотоэлементы или фотоэлектронные преобразователи. В таких устройствах изображение через канал информации передается в электронную логическую систему анализа и отбраковки либо по установленным граничным условиям (размеры трещины, поры и т. п.), либо по принципу «да – нет» (есть дефект – нет дефекта). Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) позволяет существенно расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического неразрушающего контроля, например, голографические, акустооптические и др. Лазерная дефектоскопия базируется на использовании основных свойств лазерного излучения монохроматичности, когерентности, направленности.

Высокая монохроматичность (узкий спектр частот) излучения оптического квантового генератора позволяет широко использовать методы спектральной селекции объектов. В настоящее время число излучаемых лазерами различных длин волн достигло нескольких сотен в видимом, УФ и ИК-диапазонах спектра. Созданы лазеры с плавной перестройкой длины волны излучения. Острая направленность излучения (лазеры излучают в очень малых телесных углах) обеспечивает эффективность сканирующих систем контроля удаленных объектов. Благодаря высокой мощности лазерного излучения становится возможным активный оптический контроль, когда дефектные места объекта могут локально удаляться испарением под действием луча оптического квантового генератора.

Возможность генерации с помощью оптического квантового генератора световых импульсов предельно малой длительности (до 10^-14 с) позволяет реализовать эффективные методики контроля динамических характеристик объекта.

Оптические квантовые генераторы состоят из активной среды (твердой, газообразной, жидкой), оптического резонатора и устройства накачки (оптической, электрической и др.), стимулирующего генерацию когерентного индуцированного излучения.

Высокая когерентность и монохроматичность излучения лазера позволяют получать запись объемного изображения (голограмм) любого объекта.

Термин «голограмма» происходит от греческого слова holos, что значит «полный». В обычной фотографии трехмерная картина преобразуется в двухмерное изображение, голография же сохраняет ее трехмерность. Получение четкого изображение при голографии состоит из двух процессов: получение голограммы и восстановления.

Принципиальная схема установки для получения голограммы приведена на рисунке 3.8.

Световой пучок от лазера попадает на светоделительную пластину и расщепляется на два. Один из них, используемый для освещения объекта, проходит через оптическую систему и, отражаясь от освещенного контролируемого объекта, попадает на светочувствительную пластину. Этот пучок называется предметным. Второй пучок, называемый опорным, отражается от зеркала 2 (см. рисунок 3.8) и также попадает на светочувствительную пластину. В результате интерференции двух световых потоков возникает изображение в виде интерференционных полос, содержащее полную информацию о наружной поверхности контролируемого объекта.

Получение четкого изображения из голограммы называется процессом восстановления. Обработанную фотографическую пластину (голограмму) используют для восстановления трехмерного изображения контролируемого объекта. На голограмму подается пучок света от лазера, и наблюдатель видит мнимое трехмерное изображение объекта, ничем не отличающееся от действительного. Таким образом, голограмма является как бы окном, через которое можно наблюдать объект.

Наличие в контролируемой детали поверхностной или близкой к поверхности трещины, а также деформации вызывает искажение формы интерференционных полос, где находится дефект. Это дает возможность следить за развитием трещины в динамике, наблюдать ход ее развития. Данное свойство голографии можно эффективно использовать в условиях, когда непосредственное наблюдение затруднено из-за окружающих условий, например, в авиадвигателях. Преимущество этого метода – возможность контролировать всю область, а не только отдельные точки, получать объемное изображение исследуемого объекта.

Рисунок 3.8 – Схема голографической установки:

1 – светоделительная пластина; 2 – отражающее зеркало; 3 – оптическая система установки; 4 – контролируемый объект; 5 – светочувствительная пластина; 6 – лазер

В реальной голографической дефектоскопии нашли применение схемы голографирования, позволяющие исследовать вибрации.

К ним относятся метод многократных экспозиций (голографирование с усреднением по времени), который широко используется при изучении вибраций, так как он наиболее прост в техническом отношении, и стробоголографический метод, предназначенный для исследования вибраций с относительно большими амплитудами.

Следует отметить также уникальную особенность голографического метода, позволяющего получать изображения объектов через мутные среды, например, матовые стекла.

В авиационной промышленности кроме голографии лазеры широко применяются для измерений и координации, например, точного монтажа узлов стапельной оснастки и другого объемного оборудования. Прямой, без отклонений, луч лазера направляется в заданную точку, регистрируется, давая при этом высокую точность. По мере накопления знаний и опыта, области применения лазеров все более расширяются. При ремонте авиационной техники лазеры нашли применение для выполнения измерений в лабораторных условиях.