Тепловой метод контроля

 

Челябинский институт путей  сообщения

филиал государственного образовательного учреждения

 высшего профессионального  образования

«Уральский государственный  университет путей сообщения»

 

РЕФЕРАТ

          По дисциплине: Неразрушающий контроль узлов и деталей

 

          Тема: Тепловой метод контроля

 

       

 

 

 

 

 

 

 

      Проверил преподаватель:

        Белов С. А.

        Выполнил студент

        группы: 45

       Мифтахов Д.  Р.

                                                                                                “17” марта    2009 г.

 

 

 

 

Челябинск, 2009

 

Основные  сведения о тепловом неразрушающем  контроле (ТНК).

 

1 Физическая  сущность теплового контроля

 

      Методы  неразрушающего контроля теплового  вида (ГОСТ 18353 - 79) используют при исследовании тепловых процессов в изделиях. При нарушении термодинамического равновесия объекта с окружающей средой на его поверхности возникает избыточное температурное поле, характер которого позволяет получить информацию об интересующих свойствах объектов.

      Методы  теплового контроля основаны  на взаимодействии теплового  поля объекта с термодинамическими  чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жидкокристаллическим индикатором и т.д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в электрический сигнал и передаче его на регистрирующий прибор.

      Достоинствами  теплового контроля являются: дистанционность  (для ИК-систем: тепловизоров, тепловых дефектоскопов), высокая скорость обработки информации, высокая производительность испытаний, высокое линейное разрешение, возможность контроля при одно- и двустороннем подходе к изделию, теоретическая возможность контроля любых материалов, многопараметрический характер испытаний; возможность взаимодополняющего сочетания ТНК с другими видами неразрушающего контроля; сочетаемость со стандартными системами обработки информации, возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами.

      Различают: 1) пассивный ТНК; 2) активный ТНК. Пассивный ТНК не нуждается во внешнем источнике теплового воздействия (ИТВ). Тепловое поле в объекте контроля (ОК) возникает при его эксплуатации (энергетическое оборудование, металлургические печи   и т. п.) или изготовлении (закалке, отжиге, сварке и т. п.).

      Активный ТНК (АТНК) предусматривает воздействие внешнего ИТВ на ОК, имеющий в исходном состоянии температуру окружающей среды.

      В случае  использования АТНК в дефектоскопии, например для обнаружения дефектов в виде нарушения сплошности (раковин, трещин, мест непроклея), информацию о дефектах несут в себе локальные неоднородности температурного поля на поверхности ОК.

      В соответствии  с классификацией тепловых методов, АТНК включает следующие методы: контактный и собственного излучения; 2) стационарный и нестационарный. В первом случае классификационным признаком является тип термочувствительного элемента, во втором - длительность теплового воздействия.

      В методе  АТНК можно выделить три основных  направления развития:

         тепловая дефектоскопия (ТД);

         тепловая дефектометрия (ТД);

         тепловая томография (ТТ).

      Тепловая  дефектоскопия состоит в определении  факта наличия дефекта и его расположение в объекте контроля. В настоящее время это наиболее разработанное направление.

      Тепловая  дефектометрия - направление АТНК, представляющее методы и средства  количественной оценки глубины  залегания дефектов, их толщины  и поперечных размеров. С математической точки зрения ТД требует решения обратных теплофизических задач.

      Тепловая  томография (ТТ) является последующим  развитием ТД и состоит в  послойном синтезе внутренней  структуры объекта контроля на  основе использования методов проективной компьютерной томографии.

 

 

 

 

 

 

2. Аппаратура  АТНК

 

      В соответствии  с ГОСТ 23483 - 79 процедура неразрушающего  контроля   включает в себя  две операции: воздействие на  контролируемый объект и регистрацию  его отклика на воздействие. Применительно к АТНК это соответствует операциям нагрева (охлаждения, сочетания нагрева с охлаждением) ОК и регистрации температурного поля на поверхности ОК. В подавляющем большинстве случаев эти операции необходимо производить многократно, так как габариты ОК обычно таковы, что их контроль производится по частям, т.е. сканированием. Таким образом, составляющими частями аппаратуры, реализующей АТНК, должны быть: 1) источник теплового возбуждения (ИТВ); 2) регистрирующее устройство (РУ); 3) устройство сканирования и управления.

 

2.1 Источники  теплового возбуждения (ИТВ)

 

      Многообразие объектов и условий теплового неразрушающего контроля в каждом конкретном случае требует своего способа и источника теплового возбуждения (ИТВ).

      При  разработке ИТВ используют, как стандартные элементы (лампы, лазеры и др.), так и полностью оригинальные (сканирующие системы, фокусирующая оптика, индукторы и др.).

      До сих  пор терминология, относящаяся к  облучательным ИК – средствам, не определена никакими стандартами, хотя в этом направлении делаются некоторые попытки, не идущие далее рекомендаций. ИК - техника, используемая для нагрева, имеет много общих черт со светотехникой. Как ИК - техника, так и светотехника использует первичные источники излучения, те же методы перераспределения лучистого потока в нужных направлениях посредством отражателей, концентраторов (внешних, иногда внутренних), те же способы питания от электрических сетей и т. д. Однако имеются и отличия.

      Как  указывалось. полная классификация ИТВ отсутствует. Однако, существует ОСТ 1.42107 - 81 Минавиапрома, который определяет ИТВ по пространственным характеристикам на: 1) точечные; 2) полосовые; 3) площадочные.

 

2.2 Регистрирующие  устройства (РУ)

 

      В соответствии  со сложившейся терминологией РУ температурных полей делятся на контактные и бесконтактные. Контактные датчики разделяются на две большие группы: 1) термометры (жидкостные, манометрические, термоэлектрические (термопары), термометры сопротивления (термисторы); 2) термоиндикаторы (термоиндикаторные краски, жидкие кристаллы, люминофоры). Наиболее перспективным направлением является применение устройств бесконтактного действия, в особенности, ИК - радиометров (пирометров) и тепловизоров. Ориентировочная оценка показывает, что не менее 90% разработок в области АТНК основывается на этих приборах. Особенно важную роль играют тепловизоры. Применение их для АТНК значительно повышает производительность контроля (до десятков м2 поверхности в час), чувствительность к температурным контрастам (десятые и сотые доли градуса), информативность и наглядность контроля и т.д.

      В свою  очередь использование ИК радиометров, хотя и приводит к снижению производительности контроля, позволяет существенно улучшить выявляемость дефектов.

      Менее известными, но представляющими определенный интерес, являются другие устройства этого класса, которые трудно объединить общими признаками. К ним относятся твердотельные преобразователи изображения, телевизионные ИК системы, эвапорографы и т. п.

      Несмотря на преимущества бесконтактных устройств дистанционного типа, для некоторых задач АТНК более эффективными оказываются околоповерхностные датчики. Их применяют для контроля изделий сложной формы, объектов с существенной неоднородностью по коэффициенту теплового излучения и для других задач.

 

      Объектами ТНК служат дефектные структуры с трещинами, порами, раковинами, непроварами, участками плохой тепло - и электроизоляции, неоднородным составом, посторонними примесями, зонами термического и усталостного перенапряжения, а также с отклонениями геометрических и теплофизических характеристик от допустимых значений.

      Возможности  ТНК ограничены в основном: теплопроводностью (метод не применим для материалов с высокой, так и низкой теплопроводностью); структурными помехами, вызванными флуктуациями теплофизических и оптических свойств объектов контроля; внешними тепловыми помехами.

 

3 Многослойные стеклопластики и композиты

 

      Изделия  этого класса являются одним  из основных объектов АТНК. Это обусловлено несомненными преимуществами АТНК перед остальными методами НК применительно к стеклопластикам.

      Для  многослойных стеклопластиков характерным  видом дефекта является непроклей  между отдельными слоями. Причем  многослойные структуры предрасположены  к образованию дефектов по всей толщине стенки. Для обнаружения данного вида дефектов применяют как стандартные приборы, в частности, тепловизоры, так и специализированные тепловые дефектоскопы. Хотя по теплофизическим параметрам стеклопластики отличаются от дефектов (воздушных прослоек) меньше, чем, например металлы, нарушения сплошности в стеклопластиках выявляются достаточно четко, причем как двусторонним, так и односторонним способами.

 

3.1 Сотовые конструкции

 

      Необходимость  применения теплового контроля таких материалов объясняется трудностями использования традиционных методов НК.

      Ультразвуковые  методы обнаружения дефектов  типа смятия и расслоения сот  и обшивки малопроизводительны  и характеризуются обилием ложных  отраженных сигналов. Радиационный контроль непригоден для тонких материалов, слабо поглощающих ионизирующее излучение. Тепловой контроль сотовых конструкций особенно эффективен, если обшивка выполнена из низкотеплопроводного материала (титан, пластик), а сами соты - из высокотеплопроводного металла (алюминия). В этом случае на термограмме внутренняя картина сот хорошо просматривается.

 

3.2 Металлы и соединения металл – неметалл

 

      В соответствии  с физической сущностью теплового  метода изделия из высокотеплопроводных  материалов не являются лучшим объектом контроля. Однако, для таких подповерхностных дефектов, как трещины, раковины, отслоения покрытий, характерных для определенного класса металлических конструкций, АТНК оказывается эффективнее других методов НК, обычно используемых для контроля металлов.

      Применение  АТНК наиболее эффективно для  броневых плит, образованных соединением  разных по твердости слоев, методом горячей прокатки. Характерными для этого объекта контроля дефектами являются отслоения, которые могут образовываться за счет нарушения технологии.

      Для другой группы материалов, использующих металлы, а именно: для соединений металл - неметалл, сфера применения АТНК значительно шире. В частности, АТНК успешно используется для контроля соединения металлов с такими материалами, как каучук, стекло, резина, пластик и т.п.

 

 

 

 

3.3 Металлические клееные, паяные и сварные конструкции

 

      Клееные  соединения металлов занимают  значительное место в промышленности, поэтому эти материалы также  исследовались разработчиками АТНК. Положительные результаты получены при исследовании соединения пластин из нержавеющей стали, меди и алюминия.

      В сварочном  производстве применение ТНК  возможно по двум направлениям: 1) контроль за формированием сварного  шва с одновременной коррекцией тока дуги; 2) контроль готовых сварных швов после сварки или в процессе эксплуатации.

 

3.4 Шины

 

      Все  ведущие мировые производители  шин применяют тепловые методы, которые позволяют анализировать  процесс нагрева шин при динамических  испытаниях, имитирующих реальные условия. Шины представляют собой специфические многослойные конструкции, включающие натуральную и искусственную резину, сталь, нейлон, стеклопластик, полимеры. Разрушение шин начинается в связующих слоях из - за перерастания малых дефектов в большие под действием высоких температур и циклических нагрузок. Заводские испытания шин зачастую заканчиваются их разрушением, причем истинную причину разрушения вследствие его обширного характера не всегда можно установить. Решить задачу диагноза шин и прогнозирования их ресурса можно, исследуя температурное поле вращающихся шин, зависящее от скорости, давления в баллоне, нагрузки и конструкции шин.

      Как  видно из приведенного краткого  перечня объектов ТНК, они входят  практически во все производственные сектора объектов неразрушающего контроля (ДНАОП - 0.00 - 1.27 - 97), что и обуславливает увеличенное внимание специалистов к тепловому методу.

 

 

3.5 Перспективы развития ТНК

 

      В настоящее  время тепловой контроль является  одним из наиболее динамически развивающихся методов. Анализ современного уровня развития активного теплового контроля показывает, что этот метод неразрушающих испытаний доказал свою состоятельность и утвердился как эффективный инструмент контроля качества для широкого круга исследовательских и производственных задач. О большом интересе к ТНК говорит тот факт, что на XIV Всемирной конференции по неразрушающему контролю (Копенгаген, 1996 г.) более 10% докладов были посвящены тепловому методу.