2.8 - Неразрушающие испытания и измерения

Термин неразрушающие испытания относится к таким испытаниям и измерениям, которые не приводят к каким-либо повреждениям или изменениям свойств изделия. Очень часто для того, чтобы выполнить какие-либо измерения или определить свойства материала, оказывается необходимым разрушить его целостность. Так, например, практически невозможно измерить толщину стенки в некоторых областях фитинга, соединяющего 6-дюймовые трубы из поливинилхлорида, не разрезав эту деталь.

Аналогичным образом наличие пустот в 3-дюймовом бруске, полученном экструзией ПЭФТ (тефлона), можно установить, только если разрезать этот брусок в нескольких местах.

Такая техника измерений не только весьма дорогостоящая, но и требует больших затрат времени. Методы неразрушающего контроля позволяют обнаружить дефекты, посторонние включения и неоднородности без разрушения изделия. К числу неразрушающих методов испытаний относятся не только такие простые приемы, как визуальный осмотр, взвешивание, измерения твердости, но и сложные электрические и ультразвуковые испытания.

Обсуждение этих методов в настоящей статье ограничено описанием таких явлений, как ультразвук, рассеяние гамма-лучей, использование оптической лазерной техники, флуоресценцией в рентгеновском спектре, эффектом Холла. Методы, основанные на визуальном осмотре, измерении твердости поверхности и электрических свойств, здесь рассматриваться не будут.

Ультразвук

Использование техники ультразвуковых колебаний принадлежит к числу наиболее широко распространенных методов неразрушающего контроля. Применительно к пластмассам основное использование этого метода направлено на определение мест разрывов и измерения толщины. Этот метод также может применяться для измерения влажности, исследования качества соединений пластмассовых труб и фитингов с помощью связующих растворов и мест сварки в пластмассовых трубах.

Термин ультразвук в широком понимании относится к колебаниям, происходящим при частоте больше 20 000 циклов/с. В промышленных приборах, которые основаны на использовании этого метода, применяют частоты в диапазоне от 0,75 до 20 МГц. Правильное понимание техники ультразвуковых колебаний основано на использовании следующих понятий.

Частотный генератор. Это устройство, которое создает короткие импульсы высокочастотного знакопеременного напряжения, подаваемого на датчик.

Датчик. Датчик или пробник - это устройство, которое создает поток ультразвуковых волн под воздействием знакопеременного напряжения, приложенного к датчику. Ультразвуковой датчик изготавливается из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрик - это такой материал, который под действием переменного электрического потенциала создает колебания, а под действием деформаций в нем возбуждается электрический потенциал. Таким образом, эти материалы преобразуют электрическую энергию в энергию механических колебаний и наоборот. Согласно своему наименованию, в пьезоэлектрике под действием давления возникают электрические заряды, и, наоборот, под действием электрического напряжения происходят деформации. Наиболее часто используемые пьезоэлектрические материалы - это кварц, сульфат лития, а также некоторые искусственно созданные материалы, например, титанат бария.

В настоящее время разработано большое количество разнообразных ультразвуковых датчиков, различающихся по размеру измерительной головки, частоте и полосе используемых частот. Для каждого датчика существует своя резонансная частота, при которой наиболее эффективно возбуждаются и поглощаются ультразвуковые колебания. Узкочастотные датчики создают колебания, которые проникают глубоко в материал и могут обнаруживать небольшие дефекты. Однако при использовании таких датчиков возникают трудности с разделением сигнала и эха. Широкополосные датчики обеспечивают прекрасное отделение эха, но они не проникают в материал глубоко и не позволяют обнаружить небольшие дефекты.

Наиболее часто применяют датчики, работающие в области частот 2-5 МГц. При исследовании пластмасс наилучшие результаты достигаются при работе в области частот 1-2 МГц.

Прослойки. Воздух является одним из наихудших проводников звуковых колебаний в области высоких частот из-за отсутствия импеданса. Он не обеспечивает передачи колебаний от датчика к большинству твердых тел. Поэтому его следует заменять другой прослойкой, связывающей датчик с исследуемым материалом. В качестве таких прослоек используются различные жидкости. Так, одной из лучших жидкостей является глицерин, обладающий наиболее высоким импедансом. Однако наиболее часто все же используются масла. В качестве прослоек также используют смазки, нефтяные гели и пасты, хотя при этом необходимо добавлять специальные агенты, которые повышают не только смачиваемость, но и вязкость. Некоторые вещества, используемые в качестве прослоек, склонны к химическим взаимодействиям с исследуемым материалом, так что химическую совместимость необходимо проверять до начала испытаний. Следует также избегать применения в качестве прослоек веществ, которые потом будет трудно удалить с поверхности изделия.

На результаты измерений толщины могут серьезно повлиять различные загрязнения поверхности, что в особенности существенно для тонких пленок. Поэтому перед нанесением прослойки совершенно необходимо тщательно удалить все загрязнения с поверхности.

Принципиальная совокупность операций при любых ультразвуковых исследованиях состоит в следующем.

1. Создание ультразвуковых колебаний с помощью датчика.

2. Использование прослойки (воды, масла и т. д.) для наилучшей передачи ультразвуковых волн в материал.

3. Детектирование ультразвуковых колебаний после того, как они были модифицированы взаимодействием с материалом.

4. Представление результатов испытаний с помощью изображения на экране, катодной трубки или иного устройства.

Для осуществления ультразвуковых исследований используют три основных метода:

Техника «импульс-эхо»

Эта техника измерений является наиболее популярной среди всех ультразвуковых методов. Она особенно плодотворна для нахождения дефектов и измерения толщины. Первоначальный импульс ультразвуковой энергии подается в образец от датчика через прокладку. Звуковая волна распространяется через толщу образца до тех пор, пока не встретит заднюю отражающую поверхность. После этого через некоторое время звуковая волна возвращается к датчику. Получающийся отраженный импульс называют эхом от задней стенки. Если на пути распространения волны встретится трещина или иной дефект, то на нем также происходит отражение, и звуковая волна возвращается к датчику. Получающийся при этом сигнал - это эхо от дефекта. В обоих случаях возвращающиеся к датчику волны вызывают его колебания, которые преобразуются в электрическую энергию. Эти сигналы усиливаются и подаются на какое-либо подходящее устройство, например, осциллограф. Измеряется время прохождения сигнала и отраженного эха от задней стенки. Аналогичным образом измеряется время прохождения сигнала от дефекта. Поскольку время прохождения первоначального и отраженных сигналов пропорциональны длине пути, легко найти толщину образца и место расположения дефекта.

Несколько иной вариант этой техники, основанный на погружении исследуемой детали в иммерсионную жидкость, вызвал огромный интерес в промышленности, поскольку он позволяет осуществлять непрерывный контроль изделий. По этому методу образец полностью погружается в жидкость (обычно в воду), которая в этом случае играет роль прослойки. Датчик закрепляется в фиксаторе, который движется вокруг образца. Последний перемещается под фиксатором. Звуковая волна может быть направлена либо перпендикулярно к поверхности образца, либо под некоторым углом к ней. Вода, играющая роль прокладки, обеспечивает однородную и неабразивную связь датчика с исследуемой деталью.

Иммерсионная техника измерений очень полезна для автоматического контроля труб, листов, стержней и пластин, поскольку позволяет определять наличие дефектов при непрерывной экструзии этих изделий в воду.

Просвечивание

При использовании этого метода интенсивность ультразвука измеряется после прохождения через образец. Для реализации метода просвечивания необходимы два датчика - один возбуждает ультразвуковые колебания, а второй измеряет их интенсивность после прохождения волны через образец.

Техника просвечивания может быть основана на использовании либо прямой, либо отраженной волны. В любом случае положение дефекта определяется путем сравнения интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через испытуемый образец, и через образец сравнения, изготовленный из того же самого материала.

Наилучшие результаты при использовании этой техники получаются по иммерсионному методу, поскольку при этом обеспечивается однородная и эффективная связь датчиков с образцом.

Наиболее широкая область применения данной техники - определение дефектов при контроле ламинированных пластмасс.

Резонанс

Метод наиболее полезен для измерений толщины изделий. Основой метода является измерение резонансной частоты при прохождении ультразвука через испытуемый образец.

Неразрушающие методы контроля с помощью ультразвуковой техники при испытаниях пластмасс

Применение ультразвуковой техники как метода неразрушающего контроля изделий из пластмасс приобрело популярность за последнее десятилетие в связи с ростом промышленности полимерных материалов и стремлением к автоматизации и экономии материалов. Эта техника находит применение в основном в двух областях - для нахождения дефектов и для измерения толщины. Метод «импульс-эхо» широко применяют для обнаружения различных дефектов, например полостей и пузырей в объеме экструдируемых стержней из сравнительно дорогих материалов, таких как тефлон и полиамиды. Приборы для определения дефектов и иное вспомогательное оборудование может быть запрограммировано таким образом, чтобы после обнаружения дефекта кусок стержня, в котором имеется этот дефект, автоматически отрезался без нарушения непрерывности работы технологической линии. Этот метод обычно используется для нахождения дефектов в ламинатах.

Измерения толщины, выполняемые ультразвуковым методом, осуществляются просто и быстро, давая надежные результаты. Этот метод неразрушающего контроля особенно привлекателен для определения толщины стенки в труднодоступных местах и деталях сложной геометрической формы. Автоматизированное измерение и контроль толщины стенки труб большого диаметра обычно выполняется с применением иммерсионной техники. Ультразвуковой датчик помещается в охлаждающую емкость, и толщина стенки непрерывно отслеживается на мониторе. Если измеряемая величина выходит за допустимые пределы, включается система обратной связи, и процесс подстраивается таким образом, чтобы войти в заданные пределы. На рынке предлагается ряд систем такого типа.

Неразрушающий контроль, основанный на использовании техники ультразвуковых колебаний, широко применяют газовые компании для проверки цельности соединений труб с помощью связующих.

Методы ультразвуковых испытаний применяют также для определения содержания влаги в материале. В таких материалах как полиамиды скорость распространения ультразвука и интенсивность поглощения энергии колебаний зависят от содержания влаги.

Описано также применение техники ультразвуковых колебаний для контроля армированных пластмасс, а также реактивных снарядов и ракет.

Обратное рассеяние гамма-лучей

Комптоновское обратное рассеяния фотонов, обычно называемое обратным рассеянием гамма-лучей, позволяет проводить одностороннее исследования пленок, листов, труб, композитов, покрытий и ламинатов. Датчики, с помощью которых проводятся соответствующие измерения, основаны на принципе комптоновского рассеяния. Когда поток гамма-лучей или фотонов направляется на исследуемый материал, часть потока рассеивается в обратном направлении, теряя при этом часть энергии. Рассеиваемые фотоны попадают на сцинциляционные детекторы, в которых возбуждаются вспышки света в видимой области. Эти вспышки воспринимаются фотоумножителем, который усиливает их и преобразует в электрический ток. Сила тока пропорциональна энергии детектируемых фотонов, а частота импульсов пропорциональна массе исследуемого материала.

Результаты измерений, получаемые рассматриваемым методом, могут быть представлены на дисплее или переданы на компьютер, с помощью которого производится статистическая обработка данных, и осуществляется управление процессом по системе обратной связи.

Просвечивание бета-лучами

Этот метод исследований основан на поглощении бета-частиц в объеме исследуемого материала. С одной стороны образца устанавливается источник излучения, а с противоположной стороны - детектор. При увеличении массы материала, в котором происходит поглощение, усиливается интенсивность поглощения, так что снижается величина, измеряемая детектором. Показания детектора соответствующим образом преобразуются, что позволяет осуществлять очень точные измерения веса или толщины образца.

Техника бета-просвечивания применяется для непосредственного контроля толщины или веса продукции в непрерывных процессах. При этом сенсор может устанавливаться на перемещающемся сканнере, что позволяет осуществлять высокоскоростной двумерный контроль.

Лазерное сканирование

Бесконтактный датчик данного типа состоит из гелий-неонового лазера, который дает прямолинейный луч при отсутствии рассеяния. Луч лазера направляется на вращающееся зеркало, которое «сканирует» пучок через набор коллиматорных линз, направляя его на исследуемую поверхность. Далее пучок попадает на систему приемных линз, которые фокусируют свет на фотодетекторы. Исследуемая деталь, находящаяся на линии распространения света, создает область тени, край которой является исходной точкой для измерений. Сигнал от лазера, попадающий на приемник, используется для калибровки расстояния между краями тени. Результаты измерений размеров мгновенно передаются на дисплей, а также на компьютер для дальнейшей обработки.

Возможности применения этой технологии исключительно разнообразны, и позволяют получать точные результаты измерений диаметра единичного отверстия, размеров ряда отверстий, овальности, осей в двух направлениях. Эта техника широко применяется для контроля размеров изделий непосредственно в ходе технологического процесса, а также для разового контроля изделий из пластмасс, таких как детали, провода, нити, шланги, тюбинги, оптические волокна.

Рентгеновская флуоресценция

Эта техника обычно используется для контроля магнитных покрытий на записывающих лентах, гибких дисках и других металлических покрытиях на полимерах. Метод позволяет определять и контролировать покрытия толщиной до 0,01 мкм.

Эффект Холла

Методика измерения толщины, известная под названием эффекта Холла, основана на создании магнитного поля, приложенного под прямым углом к токопроводящему проводнику. При этом возникает напряжение, направленное в другом направлении. Изменение магнитного поля и создаваемого напряжения, пропорциональны толщине стенки.

Толщина стенки измеряется путем размещения пробника прибора, в котором измеряется эффект Холла, с одной стороны и ферромагнитного приемника (обычно маленького стального шарика) с другой стороны исследуемого образца. Толщина стенки считывается непосредственно с цифрового индикатора прибора.

Этот метод позволяет быстро получать точные и надежные значения толщины стенки без использования загрязняющей изделие прокладки, причем результаты измерений не зависят от изменений температуры, которая влияет на скорость прохождения звука при использовании ультразвукового метода.

Подробнее см. книгу «Справочное руководство по испытаниям пластмасс и анализу причин их разрушения», издательство «Научные основы и технологии».