Глава 1
Неразрушающий контроль параметров процесса изготовления конструкций из композиционных материалов

1.1 Требования, предъявляемые к методам контроля

Обеспечение высокого качества и надежности изделий из КМ невозможно без применения эффективных современных методов контроля на всех стадиях производственного цикла: проектирования (разработка), изготовления, эксплуатации. При этом каждой стадии соответствуют свои методы контроля. Наиболее эффективны неразрушающие физические методы контроля (НФМК) качества, применяемые на стадии как изготовления (обработки, исследования), так и эксплуатации изделий. Следует отметить, что наибольший эффект от НФМК достигается при применении его в мелко- и среднесерийном производстве крупногабаритных изделий, когда возможен сплошной контроль качества. В крупносерийном производстве более эффективны статистические методы выборочного контроля, при этом методы контроля качества подразделяются по количественным, качественным или альтернативным признакам.

К количественным методам контроля относят такие, которые позволяют регистрировать точные численные значения параметров, определяющих качество изделия. Качественные методы позволяют отметить лишь категории, классы (сортность, хорошее, плохое и т. д.), к которым принадлежит контролируемое изделие. В том случае, когда изделия подразделяются на годные или дефектные, осуществляют контроль по альтернативному признаку, что является частным случаем контроля по качественному признаку.

Определение соответствия изделия данным условиям (по размерам, физико-механическим свойствам, структуре материала, состоянию поверхности – шероховатости, наличию тех или иных дефектов и др.) осуществляется путем проведения соответствующих измерений или контроля, поэтому методике контроля отводится исключительная роль.

Основные требования, предъявляемые к контролю, заключаются в следующем.

1. Вероятность того, что доброкачественное изделие будет забраковано, должна иметь некоторое определенное значение, которое будет определяться чувствительностью и точностью применяемых методов и аппаратуры.

2. Вероятность принятия изделия низкого качества (дефектного) должна иметь некоторое определенное значение, зависящее от квалификации контролеров, эффективности применяемых методов и аппаратуры.

3. Применяемый метод или аппаратура должны обеспечить непрерывность проведения контроля технологических процессов.

4. Метод и аппаратура должны обеспечить сплошной контроль всех выпускаемых изделий.

Контроль по своим признакам может быть разрушающий, неразрушающий (неповреждающий), аналитический, метрологический (поверочный). В настоящее время наиболее широкое распространение получили разрушающие и аналитические методы. Основное их достоинство заключается в том, что они дают возможность определить объективные абсолютные параметры материалов и изделий. Такой важный параметр изделия, как прочность, наиболее объективно определяется путем его разрушения с соблюдением режимов нагружения, вида нагрузки и обеспечения условий окружающей среды (температура, влажность).

Аналитические методы в большинстве случаев являются также разрушающими, так как связаны с взятием проб или изготовлением специальных образцов. Они отличаются высокой точностью измерения. Основные недостатки разрушающих и аналитических методов контроля заключаются в следующем:

– не выполняют всех требований, предъявляемых к контролю (требование 4), так как для их выполнения пришлось бы разрушить все изделия;

– не позволяют выявить изменение свойств конкретного изделия при воздействии на него внешних факторов (температуры, нагрузок, влаги и т. д.) в процессе эксплуатации;

– не обеспечивают непрерывности измерений при контроле кинетики или динамики технологических процессов изготовления изделий;

– не дают возможности определить реальную изменчивость свойств материала непосредственно в изделии на различных его участках без вырезки образцов;

– не позволяют выявить внутренние дефекты в материале изделия без его разрезки.

Метрологический контроль служит в основном для контроля (поверки) методов контроля и направлен на определение точности и чувствительности применяемых методов и аппаратуры.

Неразрушающие физические методы контроля (НФМК) в последнее время все более активно начинают применяться в производстве изделий из КМ. Они вполне удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к контролю, и не имеют недостатков, присущих разрушающим и аналитическим методам. В соответствии с ГОСТ 18353-73, принято 10 видов неразрушающего контроля: акустический, капиллярный, магнитный, оптический, радиационный, радиоволновой, тепловой, течеисканием, электрический, электромагнитный (вихревых токов) [18]. Каждый из указанных видов подразделяется на большое количество методов.

Однако неразрушающие методы контроля являются косвенными, т. е. не позволяют проводить прямой численный отсчет таких параметров, как прочность и структура. Для определения этих параметров неразрушающими методами необходима их трактовка при помощи разрушающих или аналитических методов. Даже при дефектоскопии для проверки правильности контроля производят вскрытие (трепанацию) отдельных изделий. Тарировка методов дефектоскопии проводится по специальным эталонам с заранее заложенными дефектами.

Точность и чувствительность неразрушающих методов контроля зависят от точности и чувствительности методов, при помощи которых проводится их тарировка, и оптимальности выбранного сравнительного эталона. Отсюда важнейшими задачами неразрушающего контроля являются анализ физических основ взаимодействия используемых излучений (ультразвука, радиоволн, радиации, магнитных и электрических полей и др.) с контролируемой средой и разработка методики контроля конкретных параметров технологических процессов и готовых изделий при их изготовлении и эксплуатации.

К НК предъявляются следующие основные общие требования:

– возможность осуществления эффективного контроля на различных стадиях изготовления, в эксплуатации и при ремонте изделий;

– возможность контроля качества продукции по большинству заданных параметров;

– согласованность времени, затрачиваемого на контроль, со временем работы другого технологического оборудования;

– высокая достоверность результатов контроля;

– возможность механизации и автоматизации контроля технологических процессов, а также управления ими с использованием сигналов, выдаваемых средствами НК;

– высокая надежность дефектоскопической аппаратуры и возможность использования ее в различных условиях;

– простота методики контроля, техническая доступность средств контроля в условиях производства, ремонта и эксплуатации.

1.2 Анализ эффективности методов контроля качества

Выбор того или иного метода контроля качества определяется следующими факторами [27]:

– агрегатным состоянием контролируемой среды (газообразное, жидкое, твердое);

– физическим состоянием контролируемой среды (диэлектрик, полупроводник, магнетик, парамагнетик и пр.);

– видом структуры контролируемой среды (аморфная, монокристаллическая, поликристаллическая, крупноструктурная неоднородная, изотропная или анизотропная и т. д.);

– способностью взаимодействовать с проходящим излучением (слабое или сильное поглощение, слабое или сильное рассеяние и т. д.);

– методологией контроля (в вакууме, в жидкости, при высокой температуре, под большим давлением и т. д.);

– размером, конфигурацией и конструктивными особенностями объекта контроля (мало-, средне-, крупногабаритный, простой или сложной формы, одно- или многослойная и т. д.);

– видом решаемой задачи (дефектоскопия, толщинометрия, диагностика прочности, контроль кинетики отвержения, контроль напряженно-деформированного состояния, контроль содержания компонентов и др.).

Композиционные материалы – весьма сложный объект контроля, так как характеризуются существенной неоднородностью структуры, анизотропией свойств, большим разнообразием типов армирования (однонаправленный, продольно-поперечный, комбинированный и др.), специфическими физическими свойствами: высокими электроизоляционными качествами, низкой теплопроводностью, звукоизоляцией, большим разбросом физико-механических характеристик, малыми значениями плотности (0,02-2,0 г/см³). Большинство видов композиционных материалов в зависимости от используемого вида наполнителя относятся к диэлектрикам или плохим проводникам. Практически все композиты являются немагнитными материалами, поэтому методы контроля, используемые при дефектоскопии изделий из металла, например магнитные и токовихревые, в большинстве случаев не подходят для дефектоскопии изделий из композиционных материалов. Однако эти методы могут быть применены для толщинометрии таких изделий. Не эффективны для контроля композитов также высокочастотные ультразвуковые методы, так как ультразвуковые волны с частотой выше 1 МГц либо невозможно ввести в контролируемую среду из-за их сильного поглощения и рассеяния и существенной шероховатости поверхности, либо они значительно ограничивают диапазон контролируемых значений толщины.

Радиационные методы более эффективны для контроля плотности или толщины композитов, чем для дефектоскопии, так как чувствительность их дефектоскопии данными методами при равнозначной энергии излучения в 3–4 раза ниже чувствительности дефектоскопии стали. Следует также отметить, что для этого метода контроля композиты могут находиться как в твердом, так и в пастообразном (полуфабрикат), жидком или гелеобразном (связующее) состояниях [22].

В результате анализа и оценки эффективности существующих методов нарушающего контроля установлено, что наиболее эффективными при неразрушающем контроле композитов являются следующие:

– низкочастотный ультразвуковой импульсный;

– радиационный;

– инфракрасный оптический;

– теплометрический;

– электрический.

Основные критерии, обусловливающие выбор данных методов контроля:

– безопасность для обслуживающего персонала, чувствительность контроля;

– точность и воспроизводимость результатов контроля;

– возможность механизации и автоматизации контроля;

– обеспечение высокой производительности контроля;

– сравнительная простота методики контроля;

– информационная способность и универсальность контроля;

– наличие и возможность использования серийной аппаратуры;

– сравнительно невысокая стоимость контроля;

– возможность использования обслуживающего персонала невысокой квалификации.

Указанные методы контроля можно использовать как индивидуально, так и в комплексе. Следует учитывать, что увеличение количества используемых методов наряду с повышением чувствительности и информативности контроля приводит также к повышению стоимости и снижению производительности контроля. Наиболее эффективным комплексом может быть совокупность низкочастотного ультразвукового и радиоволнового методов или низкочастотного ультразвукового и электрического методов. С повышением требований к контролю число методов в комплексе может возрастать.

В этом случае оптимальным будет сочетание низкочастотного ультразвукового, радиоволнового и теплометрического методов [4].

Выбранные методы позволяют определять непосредственно в изделии большое количество различных физических характеристик:

– скорость и затухание упругих волн (продольных, сдвиговых, изгибных, поверхностных);

– коэффициенты прохождения, отражения и преломления данных упругих волн;

– угол поворота плоскости поляризации сдвиговых волн;

– электропроводность;

– диэлектрическую проницаемость и тангенс угла электрических потерь; коэффициенты затухания, прохождения, отражения и преломления электромагнитных волн инфракрасного (ИК) диапазона;

– коэффициенты тепло- и температуропроводности и др.