Дефектоскопия клееных оболочек лазерно-вибродиагностическим способом

Создание оборудования и методик для достоверного выявления дефектов поверхности и внутренней структуры элементов конструкций - важнейшее направление для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик прогнозирования работоспособности. Использование лазерных измерительных систем для выявления поверхностных дефектов позволяет повысить увеличить гарантируемый срок работы с регламентируемой безопасностью эксплуатируемых изделий, а также значительно снизить себестоимость диагностики [1, 2]. Их преимущества – бесконтактность, высокая информативность, быстродействие, возможность работы в реальном масштабе времени. При выявлении дефектов внутренней структуры материалов изделий используются различные методы – исследование тепловых потоков, распространяющихся в образце при нагреве лазерным источником излучения, исследование акустической эмиссии дефектов на «просвет» и так далее. Но при обнаружении дефектов конструкции, имеющих большие габаритные размеры, все эти методы трудно реализуются. Поэтому используют методы лазерной вибродиагностики, которая позволяет не только обнаружить дефекты, но и более детально их исследовать [3, 4].

При построении систем контроля не-проклея многослойных сотовых оболочек

крупногабаритных изделий сложной формы применяется лазерно-виброакустический способ дефектоскопии. Система выявления внутренних повреждений многослойных клееных конструкций в виде непроклея состоит из источника лазерного излучения и приемника излучения, телекамеры, оптоволокна, которое изолирует лазерное излучение от обслуживающего персонала и дает возможность передачи излучения от стационарного источника на большие расстояния без фокусировки. В данной схеме используются вибраторы колебаний (их частота колебаний близка к звуковой): один с наружной стороны исследуемой поверхности в зоне установки отражающего зеркала, второй с внутренней стороны, обеспечивающий колебания всех участков конструкции. В процессе диагностики регистрируется интерференционное изображение отраженного сигнала с кольцевой структурой, имеющее максимум интенсивности излучения в центр е. При отсутствии дефекта характерно изображение в виде концентрических окружностей с кольцами равной толщины. При наличии дефекта в виде непро-клея интерференционная картина отраженного сигнала принимает вытянутую форму или имеются смещения и разрывы интерференционных полос, а также смещение максимума интенсивности.

Используемый метод диагностики характеризуется рядом преимуществ по сравнению с традиционными: является бесконтактным; в установке используется оптоволокно, позволяющее передавать лазерное излучение на расстояние до сотен метров и защищать персонал от лазерного излучения; возможность получения обобщенного сигнала, аналогичного сигналам от нескольких независимых датчиков;

автоматизированная регистрация и обработка изображения осуществляется с помощью персонального компьютера; возможность проведения диагностики в реальном масштабе времени (регистрация изображения в течение 1-2 сек). На рис. 1 приведена схема испытательного стенда. Используется лазер ЛГН 224-1 мощностью излучения 8 мВт с расходимостью светового потока 0,05 рад, длиной волны излучения 0,56 мкм. Для передачи излучения в рабочую зону применяется оптоволокно.

Рис. 1. Схема испытательного стенда для выявления внутренних дефектов многослойных сотовых конструкций:

1 – лазерное излучение; 2 – источник излучения; 3 - оптоволокно, 4 – телекамера, 5 –объектив телекамеры, 6 - зеркало, 7 – образец крупногабаритной оболочки, 8, 9 – вибраторы, 10 – вычислительный блок

Обработка информации осуществляется телекамерой Watec с объективом МС SONNAR 3.5/135 CARL ZEISS JENA DDR, вычислительным блоком ПК с использованием программы для обработки данных AverTV. Вибратор имеет частоту генерации 50 ГЦ с амплитудой колебаний 0,01-0,5 мм. Схема определения погрешности лазерного вибрационного способа выявлений дефектов многослойной сотовой крупногабаритной оболочки и схема для определения перемещения зеркала показаны на рис. 2. Здесь введены обозначения: l – длина пробега лазерного луча; φ – угол поворота зеркала; α – расходимость лазерного потока; А – длина участка непроклея; В – величина амплитуды колебания внешней тонкостенной пластины; m – диаметр лазерного пятна на внешней линзе объектива телевизионной камеры; δ – величина смещения лазерного пятна; β – величина разрешения телекамеры.

Величина смещения лазерного пятна определяется следующей зависимостью:

_с 4( l + A l )( A + A A )( B + A B )

O =---------9------------Г"

(A + AA)2 - 4(B + AB)2 (1)

Для случая изменения величин основных параметров изменяются в пределах: l = 2000-3000 мм, ∆ l =5 мм; А=20-50 мм, ∆А=5 мм; В=0,01-0,5 мм, ∆В=0,01 мм; β=0,01мм; δ=0,01 мм, зависимости изменения величины смещения лазерного пятна при выявлении дефектов многослойных крупногабаритных оболочек имеют вид (рис. 3). Погрешность способа выявления дефектов многослойной сотовой крупногабаритной оболочки δ существенно увеличивается с возрастанием длины участка непроклея А и величины разрешения телекамеры β, с уменьшением длины пробега лазерного луча l , величины амплитуды колебания внешней пластины клееной конструкции В.

а

б

Рис. 2. Схема определения погрешности лазерного способа выявлений поверхностных повреждений многослойных клееных конструкций (а) и схема для определения перемещения зеркала (б):

• 1    – отраженный лазерный луч; 2 – падающий лазерный луч; 3 – многослойная клееная оболочка; 4 – участок непроклея внешней тонкостенной пластины; 5 – плоское отражающее зеркало.

Выявление дефектов многослойных сотовых крупногабаритных оболочек проводилось на предложенном испытательном стенде (рис. 1). В качестве образцов использовались цилиндрические оболочки размером 1500 x 1200 мм с радиусом кривизны 2000 мм. Материал оболочки - трехслойный композиционный материал толщиной 25 мм с несущим слоями из углепластика на связующей их эпоксидной смоле. Заполнителем является алюминиевые сотопанели с величиной грани 2,5 мм. Направление потоков лазерного излучения совпадало с волновым вектором вибрации.

Оптическая головка устанавливалась на внешней поверхности оболочки в центре участков непроклея размерами А=35×35 мм и А=50×50 мм. Длина хода лучей составляла величину L=2250 ± 10 мм и L=2750 ± 10 мм. Величина смещения светового пятна при наличии дефекта находилась в диапазоне δ=2-75 мм. В других областях оболочки без наличия дефекта изменение формы светового пятна и его перемещение не происходило. Имеется незначительное отличие экспериментальных величин δ от расчетных значений с погрешностью менее 5%.

Выводы: лазерная вибродиагностика непроклея позволяет в процессе изготовления изделий контролировать наличие дефектов, их размеры, форму, расположение и др. При отсутствии дефекта в оболочке, наблюдается в сечении пучка лазерного излучения равномерное распределение интенсивности правильной кольцевой формы. Дефекты в виде непроклея создают распределение интенсивности вытянутой формы с нарушенной структурой и смещенным максимумом интенсивности.

Рис. 3. Зависимости изменения величины смещения лазерного пятна при выявлении поверхностных повреждений многослойных клееных конструкций от основных параметров установки:

а – В=0,01 мм; б – В=0,25 мм; в – В=0,5 мм, β=0,01 мм; ∆А=5 мм; ∆В=0,01 мм; ∆ l =5 мм; A 1 =20 мм;

А 2 =35 мм; А 3 =50 мм.