Акустический контроль защитных шлемов

Содержание 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 

      Цель  данной работы – определение эффективности и особенностей применения комбинированных методов акустического контроля изделий из органопластиков, на наличие наиболее опасных в эксплуатации дефектов, – трещин и расслоений.

      Актуальность  этой темы следует из стратегического  значения органопластиков в решении проблем создании новых, значительно более эксплуатационно - инвариантных материалов буквально во всех областях промышленности, а особенно – в авиа -, судо- , и ракетостроении.

      В данной работе была поставлена следующая  задача: на основе анализа методов неразрушающего контроля изделий этого класса показать (при рассмотрении материала органопластика, как такового, и на примере конкретного изделия из органопластиков):

- особенности  класса изделий из органопластиков, как объектов неразрушающего контроля, и особенно, ввиду выбранной темы, контроля акустическими методами;

- причины  широкого применения именно комбинированных методов акустического контроля рассмотренного типа изделий;

- преимущества и недостатки комбинированных методов акустического контроля по сравнению с другими методами неразрушающего контроля, в той или иной степени к ним применяемых, но использующими другие физические воздействия на изделие; при этом необходимо будет сравнить комбинированные методы и с другими, в принципе применимыми в данном случае, акустическими методами.

      В связи с данным тезисом, в работе показано, почему, например, потенциально наиболее информативный неразрушающий метод контроля материалов типа органопластиков, - вычислительная рентгеновская томография, на практике имеет очень ограниченное применение. Т.е. эффективность конкретного метода в реальной ситуации контроля, - более общая категория, чем его возможная, в принципе, информативность.

      В связи с большим и постоянно  растущим разнообразием, как самих органопластиков, так и изделий из них, в данной работе, по необходимости ограничения её объема, в качестве примера выбрано одно достаточно простое изделие. Это защитный шлем, - наиболее массовое изделие (наряду с бронежилетом), выполненное из данного вида материалов, с серийной технологией изготовления и известными характеристиками дефектов. Корпуса целого ряда современных защитных шлемов изготовляются полностью из органопластиков с единым процессом переработки.  В работе рассмотрена вероятность образования дефектов различного типа в защитных шлемах в процессе их изготовления и эксплуатации. Рассмотрена эффективность комбинированных методов акустического контроля этого изделия для обнаружения указанных дефектов.

      В первом разделе было рассмотрено:

а) описание особенностей структуры органопластиков и конструкции выбранного изделия, наиболее важных с точки выбора метода и параметров неразрушающего контроля;

б) обзор  основных вариантов технологии изготовления изделия с определением наиболее опасных дефектов, которые могут появиться на этом этапе.

      Во  втором разделе, на основе данных раздела 1, выполнена оценка реальной эффективности различных методов контроля данного типа изделий; обоснование выбора комбинированных методов акустического контроля, как наиболее эффективных.

      Третий  раздел включил следующие вопросы:

а) обзор теоретических основ акустического контроля;

б) определение основных особенностей выбранных методов контроля органопластиков на основе результатов, полученных в первом и втором разделах, а именно: особенности зеркально – теневого, эхо – сквозного и реверберационно – сквозного методов.

      В четвертом разделе результаты, полученные в предыдущих  разделах, конкретизированы для рассмотрения неразрушающего контроля выбранного в качестве образца изделия типа защитный шлем:

а) описаны общие требования к аппаратуре;

б) рассмотрены  возможности аппаратурной элиминации основной проблемы неразрушающего акустического  контроля органопластиков – структурных  помех;

в) приведены примеры конкретной реализации аппаратурного оснащения современными приборами, доступными на рынке;

г) рассмотрены  основные принципиальные вопросы технологии контроля данного изделия, начиная  с изготовления эталонных образцов с искусственными дефектами и  заканчивая последовательностью основных регламентных операций.

      В конце работы приведены основные итоговые выводы по разделам выполненной работы.

      В работе сознательно не рассмотрен, являющийся стандартным приложением к данной теме, значительный пласт теории акустического контроля, как заведомо редко используемый в его конкретной практике, - расчет акустических трактов. Он займет значительный объем текста, но будет просто переложением многочисленных имеющихся пособий по неразрушающему контролю акустическими методами. В практике же разработок методов неразрушающего контроля конкретных изделий из различных типов композиционных материалов используются, как правило, качественные выводы известных теоретических расчетов, выполненных много лет назад, а также экспериментальные исследования конкретных материалов и изделий, плюс подбор аппаратурных характеристик и создание изделий с эффективными эталонными дефектами.

1. Особенности конструкции и технологии  изготовления изделия 
 

      1.1 Основные характеристики органопластиков 

            Органопластики –  это композиционные материалы, представляющие собой матрицу из связующего (обычно, эпоксидной, полиэфирной или фенольной смолы) и армирующего наполнителя из органических волокон, нитей, тканей и т.п.

      Органопластики  имеют выдающиеся физико-механические характеристики, которые делают их, в настоящее время, незаменимыми при изготовлении различных деталей в самых различных отраслях промышленности.

      В органопластике, армированном полимерными волокнами, происходит диффузия полимерного связующего в поверхностные слои волокон с образованием промежуточного межфазного слоя. Благодаря этому, свойства наполнителя в составе композиционного материала отличаются от свойств исходного волокна. Именно развитый межфазный слой в органопластиках на границе раздела "волокно – матрица" принципиально отличает эти материалы от угле- и стеклопластиков, определяя, в том числе, и их особые акустические свойства. Такие материалы обладают более высокими ударной вязкостью, вибропрочностью, эрозионной стойкостью и усталостной прочностью, при той же небольшой плотности.

      Сложная структура органопластиков определяет высокую сложность их неразрушающего контроля. При этом, контроль изделий из органопластиков, часто 100% - ый, как правило, необходим из-за тяжелых условий эксплуатации, для которых они предназначены. 
 

      1.2 Конструкция изделия и структура его материала 

      Примерами защитных шлемов с корпусом из органопластика являются [8]:

- броневой защитный шлем "БЗШ (01)", предназначенный для использования в комплекте боевой экипировки в качестве средства бронезащиты военнослужащих различных видов войск (в основном войск специального назначения, и воздушно-десантных войск) при ведении всех видов боевых действий;

- "Скат 1М", предназначенный для оснащения служб охраны, ГИБДД, представителей экстремальных видов спорта и т.д.

      Т.к. принципиально конструкция этих и подобных им изделий одинакова, так же как и технология изготовления, в дальнейшем будем, в качестве примера, рассматривать шлем БЗШ.

      Собственно  конструкция изделия, т.е. его внешнее  оформление, как известно, очень несложное, - это слегка видоизменная полусферическая оболочка, не требующая специальной иллюстрации. Но структура изделия, или, иначе, конструкция самого материала изделия, – термореактивного органопластика, достаточна сложна. Она состоит из матрицы – модифицированной эпокси-фенольной смолы, армированной арамидным волокном в виде ориентированной ткани (по другой технологии – из рубленного ровинга, т.е. жгута из нитей непрерывного волокна), уложенного слоями под различными углами (всего 15 слоев). Толщина стенки готового изделия – 16…20 мм (толщина больше в местах оформляющих закруглений и при переходе в "козырек"). Масса готового изделия: 1,7 кг.

      Требуемые свойства изделия – защищать голову от поражения пулей, выпущенной из современного стрелкового оружия с прицельного (т.н. "запреградного") расстояния, и вторичных осколков, что достигается именно применением для армирования матрицы арамидным волокном, для получения которого используются высокопрочные высокомодульные полимеры.

      Предельно ориентированные арамидные волокна на основе ароматических полиамидов выпускаются в разных странах под различными названиями. В России - это СВМ и "Армос" ("Русар"), "Арус", в США – "Кевлар", "Таврон" (Япония – Нидерланды).

      Арамидное волокна в силу своего химического строения и надмолекулярной организации обладают чрезвычайно высокими прочностью (до 5,0-5,5 ГПа) и модулем упругости (до 160-180 ГПа). Из них изготавливают комплексные нити, жгуты, ленты, ткани, нетканые материалы и другие армирующие наполнители. Для изготовления шлема БЗШ в настоящее время используются ткани на основе волокон "Тварон" и "Армос" [8]. Изготовление волокна армос осуществляет ОАО "Каменскволокно", г. Каменск-Шахтинский (Ростовская область)[9].

      Плетение  армирующей ткани – сатиновое, т.е. каждая нить основы и утка проходит над несколькими нитями основы и утка в зависимости от раппорта переплетения, т.е. над 3, 5, 7 и большим числом нитей. Такие ткани имеют необходимую для формования шлема БЗШ гибкость. Отношение объема связующего к объему армирующего волокна -

 –  45…50 % [7, С. 340 - 360].

      Все эти данные о строении конкретного органопластика необходимо учитывать при подборе технологии неразрушающего контроля этих изделий, т.к. строение, т.е. "конструкция" материала изделия является, как будет показано ниже, в данных случаях определяющей. 
 

      1.3 Технология изготовления изделия 

      Как было сказано выше, свойства органопластиков  во многом определяются межфазной границей "волокно-связующее". Арамидные волокна имеют, непосредственно после их получения, чрезвычайно низкую адгезию практически ко всем известным связующим. Поэтому, несмотря на то, что переработка органопластиков использует готовые для формования ткани, имеет смысл рассматривать в технологии изготовления, в качестве начального этапа, процесс обработки поверхности арамидных волокон, тем более что он должен быть максимально приближен по времени к процессу формования.  Повышение адгезионного взаимодействия в системе "армирующие волокна - полимерная матрица" существенно улучшает статические и динамические свойства композиционных материалов. Конкретные технологии обработки, как правило, являются "know-how" компаний-производителей. Однако известно, что для поверхностной обработки волокон используют различные аппреты, обработку поверхности низкотемпературной плазмой, ионное травление, радиационную обработку с последующей пропиткой различными материалами, имеющими химическое сродство с матрицей органопластика, и другие, более экзотичные, методы.[1]

      Собственно  формование относительно небольших  изделий из органопластиков, которыми являются корпуса защитных шлемов, которые при этом обязаны иметь максимально высокие прочностные показатели, уже много лет выполняется методом контактного формования в его ручном варианте.

      Технологический процесс ручного контактного формования изделия "защитный шлем БЗШ" схематично проиллюстрирован на рисунке 1.[3, C.50 - 67]

      Основные  стадии этого процесса:

— нанесение  разделительных покрытий на формы;

— раскрой  тканых армирующих материалов;

— приготовление  связующего;

— нанесение на разделительное покрытие т.н. гелькоута, толщиной 0,6…0,8 мм, который станет внешней поверхностью изделия; гелькоут, это, обычно, модифицированная (с уменьшенной вязкостью) эпоксидная смола, которая предохраняет готовое изделие от влаги и содержит жирорастворимые красители, придающие изделию требуемый цвет (в нашем случае, защитно-зеленый или черный).

— укладка  армирующего материала на форму и нанесение на армирующий материал связующего и пропитка им арматуры, в несколько слоев, до получения требуемой толщины; после нанесения каждого слоя пакет уплотняется кистью или, чаще, валиком для удаления воздушных пузырей;

— отверждение  связующего при комнатной температуре  или при нагревании до 70-95 °С (это практикуется всегда при применении в качестве связующего фенольных смол, и очень часто в случае применения других смол, для существенного сокращения времени полимеризации);

— нанесение стойкого к износу гидрофобного покрытия на внутреннюю часть изделия;

— извлечение изделия из формы;

— механическая обработка согласно требованиям чертежа (сверление отверстий для крепления подтульной части, защитного щитка, шлемофонной фурнитуры и т.д.);

— контроль качества изделия.

      Нанесение гелькоута производят, обычно, с помощью чашечного распылителя.  Принцип его действия:

- гелькоут и отвердитель смешиваются в стакане до однородной смеси;

- стакан накрывается крышкой с соплом, закрепляется на ручке пистолетного типа, к которой подсоединяется шланг подачи воздуха;

- при нажатии на курок одновременно необходимо наклонить распылитель гелькоута соплом вниз, воздух подается к соплу и распыляет струю гелькоута на выходе из сопла, формируя направленный факел. Качество распыления при этом определяется, в основном, качеством исполнения сопла и его конструкцией. 

      Необходимо обязательно отметить, что для изделий менее ответственного назначения, в том числе и защитных шлемов из органопластиков, предназначенных, например, для пэйнт-бола, применяется более экспрессная и экономичная технология контактного формования напылением. Она проиллюстрирована схематически

 на  рисунке 2.

      Краткое описание этой технологии:

      Арамидная нить подается в измельчительную головку, откуда вылетают в сторону формуемого изделия короткие волокна. В потоке воздуха они смешиваются со струей смолы и отвердителя и наносятся на форму. После нанесения рубленного ровинга, его необходимо прикатать с целью удаления воздушных включений.

Технология производства органолопластика напылением получила распространение при мелко и среднесерийном производстве относительно неответственных, т.е. мало - или средненагружаемых при эксплуатации, изделий из органопластика. Технология производства органопластика напылением имеет ряд преимуществ перед технологией его производства ручным формованием. Нанесение связующего осуществляется с помощью специального оборудования. При этом отпадает необходимость в предварительном раскрое ткани из арамидного волокна и приготовлении смеси смола - отвердитель, также резко сокращается доля ручного труда при производстве изделия.

Оборудование для производства органопластика напылением автоматически осуществляет четкую дозировку смолы и отвердителя и рубку ровинга. На долю ручного труда остаётся уплотнение пропитанного связующим волокна в матрице прикаточным валиком. За рубежом реализована и практически полная автоматизация этого технологического процесса для серийных крупногабаритных изделий бытового назначения (ванны, раковины и т.п.)

      Основные  преимущества производства изделий типа "защитный шлем БЗШ" ручным формованием:

- простота и изученность процесса;

- минимальная стоимость оборудования и оснастки;

- простота изготовления форм;

- простота обучения персонала;

- возможность достижения максимально возможного качества продукции при данных исходных материалах (для выбранного изделия – это решающее преимущество).

      Основные  недостатки данной технологии:

- большая  вероятность проявления т.н. человеческого  фактора, т.е. зависимость от  квалификации и добросовестности  конкретного исполнителя;

- естественные  затруднения при организации выпуска крупносерийной продукции;

- высокая  вероятность неоднородности качества  изготовления изделий;

- невозможность  полноценного контроля качества  изготовления изделия в процессе  производства;

- вредные условия труда.

      Тем не менее, несмотря на многочисленные недостатки и трудности в механизации и автоматизации процесса, в настоящее время, возможность использовать полноценные армирующие материалы и достаточно вязкие связующие для изделий типоразмера, совпадающего с изделием "защитный шлем", предоставляет только эта технология. 
 

      1.4 Возможные дефекты в изделии-образце и методы их обнаружения 

      В целом, изделия из органопластиков, полученных методом ручного контактного  формования, отличаются минимальным  количеством дефектов, по сравнению, как с другими композиционными материалами, так и с органопластиками, изготовленными по другим технологиям.

      Однако, в принципе, вероятность возникновения дефектов различного типа в изделии "защитный шлем БЗШ" присутствует на всех основных операциях переработки. Наиболее характерные причины возникновения дефектов:

      а) Неоднородность обработки поверхности арамидного волокна, которая приведет к изменению планируемых свойств изделия из-за снижения адгезии волокна к связующему. Вероятные дефекты: либо несплошности в изделии (дефект типа непроклея или трещины), либо локальная пониженная прочность изделия.

      б) Снижение механических свойств арамидных нитей в процессе плетения нитей в армирующую ткань (возможно снижение, по результатам многочисленных исследований, до 30 % от первоначальных значений, в результате сопутствующих плетению механических воздействий). При локальном проявлении этого дефекта, его невозможно надежно выявить существующими методами неразрушающего контроля [3, С. 453 - 459]. Поэтому при проявлении его в образцах изделий, выбранных для механических испытаний до разрушения, бракуется вся партия изделий, изготовленная из определенной партии волокна.

      в) Остатки включений воздуха при пропитывании слоев ткани, в виде пузырьков различной формы и размеров.

      г) Неоднородное расположение армирующих волокон в матрице из-за смещения нитей в ткани при укладке и прикатывании валиком, вызывающее неоднородность механических свойств изделия.

      д) попадание посторонних материалов на поверхность изделия в процессе формования (например, капель воды), что также может вызвать дефект типа непроклея.

      Видно из сказанного, что основными видами дефектов в изделии "защитный шлем БЗШ" являются несплошности в виде непроклея (трещины) и воздушных  пузырьков, а также неоднородности расположения армирующих волокон.

      Эти же дефекты являются и наиболее опасными при эксплуатации изделия.

      Особенность дефектов, которую необходимо учесть при выборе метода неразрушающего контроля: дефекты типа несплошности (наиболее опасные) расположены в поверхностях, практически коллинеарных поверхности изделия.

2. Эффективность методов неразрушающего контроля изделий из органопластиков 
 

      Для контроля изделий из органопластиков на наличие указанных в предыдущем разделе дефектов могут быть использованы все методы, принципиально применимые к неметаллическим композиционным материалам.

      Так, есть данные об успешном применении для контроля подобных изделий методов ИК-термографии. [2, С. 300 - 305] Распространение этого метода сдерживается необходимостью использования опытных специалистов для интерпретации результатов контроля и их анализа. Существует возможность передачи функций анализа температурной информации и автоматизированного обнаружения дефектов компьютеру, используя достаточно сложные алгоритмы теории распознавания образов, но в настоящее время это направление неразрушающего контроля не вышло за рамки лабораторных исследований. Сущность метода – измерение динамики изменения разности температур поверхности изделия над дефектом, по сравнению с бездефектным участком. Как правило, превышение температуры для определенной глубины залегания дефекта имеет максимум или минимум для включений с отличными от основного материала теплофизическими свойствами. Так, время от начала импульсного теплового воздействия до обнаружения температурной аномалии пропорционально квадрату глубины залегания дефекта. Абсолютная величина температурного контраста изменяется во времени и примерно обратно пропорциональна кубу глубины расположения дефекта от поверхности облучения и контроля. Длительность наблюдения проявления дефекта от начала температурного переходного процесса пропорциональна квадрату глубины залегания дефекта и обратно пропорциональна коэффициенту α температуропроводности материала (для органопластиков α ≈ 1·10^-7м²/с). Признаки несплошностей с характерным размером, сопоставимым с глубиной залегания, обнаруживаются сравнительно легко при обеспечении необходимого импульсного энергетического воздействия на поверхность объекта контроля, или при остывании предварительно нагретого объекта в атмосфере.

      Главный недостаток метода, даже при использовании самых современных многофункциональных тепловизоров с цифровой обработкой изображений, - это требование обеспечения оптического доступа к поверхности объекта, а также обеспечение однородности излучательных свойств и начальной температуры контролируемой поверхности. В ряде случаев отмеченные особенности можно преодолеть путем применения дублирующих методов контроля, например, ультразвукового метода.

      Существует  принципиальная возможность применения для рассматриваемых изделий СВЧ дефектоскопии. Она основана на изменении амплитуды и фазы СВЧ излучения при прохождении через неоднородный диэлектрический материал. Однако сложная структура проверяемого материала не позволяет достоверно обнаруживать дефекты типа несплошности площадью менее 100 мм². Этот метод широко используется для контроля неответственных изделий из композиционных материалов, в том числе и армированных пластиков различного типа, для контроля их интегральных характеристик, например, для определения доли связующего. [6, С. 228 - 230]

      Акустические  методы контроля изделий из органопластиков  получили в настоящее время наибольшее применение, особенно для проведения массового неразрушающего контроля, как при производстве изделий, так и в процессе эксплуатации. Они обеспечивают приемлемую, в большинстве случаев, чувствительность контроля, хорошо поддержаны аппаратурно, не требуют очень высокой квалификации оператора. Особенности структуры контролируемого материала и толщина изделия, как правило, ограничивают верхний диапазон используемых при этом частот величиной порядка 5 МГц.

      Импедансный метод определяет наличие дефекта  по изменению механического импеданса  в области звуковых частот и нижнего диапазона ультразвука, в зоне касания точечного сухого преобразователя с изделием. Его вариант с раздельно-совмещенными преобразователями может быть использован для контроля выбранного изделия для обнаружения дефектов типа "несплошность" площадью не менее 60 мм², но на самом пределе теоретических возможностей этого метода контроля пластиков (ограничения по толщине).

      В связи с тем, что при контроле выбранного изделия возможен двухсторонний  доступ в любой точке его поверхности, а опасные дефекты расположены параллельно поверхности изделия, наиболее информативными и чувствительными, в нашем случае, являются т.н. комбинированные методы акустического контроля с двусторонним расположением преобразователей: зеркально-теневой, эхо-сквозной и реверберационно-сквозной. Название "комбинированные" они получили из-за того, что в них присутствуют как элементы методов прохождения акустических волн через толщину изделия, так и методов отражения.

      Их  реализация для контроля относительно небольших изделий со значительной и сложной кривизной поверхности, как в нашем случае, потребует решения задач создания надежного контакта преобразователя с изделием и соосности преобразователей, расположенных с разных сторон изделия при его сканировании. Эта проблема, очевидно, может быть решена, как чисто механическая, почти всегда.

      Контроль равномерности содержания связующего в готовых деталях может быть с очень высокой точностью (до 2 %) и локальностью (до 10 мм²) осуществлен неразрушающим рентгенометрическим методом, основанным на измерении степени ослабления рентгеновского излучения пластиком. Интенсивность ослабленного излучения связана с массой и химическим составом пластика известным экспоненциальным законом ослабления излучения. [6, С. 307]

      Потенциально  самым информативным методом  для неразрушающего контроля изделий  из органопластиков является рентгеновская вычислительная томография, при использовании мягкого рентгеновского излучения с эффективной энергией излучения 45…80 кэВ. Она способна обнаруживать дефекты любого из описанных типов и размером значительно меньшим, чем это возможно в любом другом методе неразрушающего контроля. Однако этот метод требует, по сравнению с любыми другими методами неразрушающего контроля:

а) На несколько  порядков более дорогого оборудования.

б) Очень значительного времени на выполнение контроля отдельного изделия, достаточно сказать, что шаг сканирования (в случае неплоского изделия - в трех измерениях) при использовании этого метода должен быть близок к эффективному размеру раскрытия плоскостного дефекта типа трещины, т.е. не более 0,2 мм; только в этом случае можно гарантировать обнаружение дефектов этого типа (т.е. необходимо обеспечить совпадение оси "излучатель – датчик" с плоскостью возможного дефекта).

в) Штата  сотрудников очень высокой и, в настоящее время, редкой квалификации.

      Тем не менее, перспективно использование этого метода на стадии отработки методов акустического контроля изделий.[6, С. 446 - 448] 

      В итоге выполненного обзора, для выполнения неразрушающего контроля изделия "защитный шлем БЗШ" выбираем комбинированные методы акустического контроля. Для отработки методик контроля показана эффективность вычислительной рентгеновской томографии и радиометрии, как инструмента подтверждения наличия и характера дефекта, определения реальной чувствительности контроля.