eng
Выпуск #5/2021
Е. В. Кузнецов, П. Ю. Лобанов, И. С. Мануйлович, М. Н. Мешков, О. Е. Сидорюк, Л. А. Скворцов
Неразрушающий контроль изделий из пластика посредством активной термографии при импульсном лазерном нагреве
Неразрушающий контроль изделий из пластика посредством активной термографии при импульсном лазерном нагреве
Просмотры: 682
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.5.428.442
В статье показаны возможности неразрушающего контроля подповерхностной структуры различных объектов методом импульсной термографии. Представлен ряд примеров, и проведен анализ их структуры. Метод включает нагрев поверхности объекта лазерным излучением и пирометрическое исследование локальных изменений температуры поверхности. Информация извлекается из результатов термографии, полученных как в течение принудительного нагрева, так и во время последующего охлаждения образца. Основное внимание в статье уделено деталям, выполненным из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в широком круге изделий.
В статье показаны возможности неразрушающего контроля подповерхностной структуры различных объектов методом импульсной термографии. Представлен ряд примеров, и проведен анализ их структуры. Метод включает нагрев поверхности объекта лазерным излучением и пирометрическое исследование локальных изменений температуры поверхности. Информация извлекается из результатов термографии, полученных как в течение принудительного нагрева, так и во время последующего охлаждения образца. Основное внимание в статье уделено деталям, выполненным из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в широком круге изделий.
Теги: active thermography laser heating non-destructive testing subsurface structure активная термография лазерный нагрев неразрушающий контроль подповерхностная структура
Неразрушающий контроль изделий из пластика посредством активной термографии при импульсном лазерном нагреве
Е. В. Кузнецов, П. Ю. Лобанов, И. С. Мануйлович, М. Н. Мешков, О. Е. Сидорюк, Л. А. Скворцов
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
В статье показаны возможности неразрушающего контроля подповерхностной структуры различных объектов методом импульсной термографии. Представлен ряд примеров, и проведен анализ их структуры. Метод включает нагрев поверхности объекта лазерным излучением и пирометрическое исследование локальных изменений температуры поверхности. Информация извлекается из результатов термографии, полученных как в течение принудительного нагрева, так и во время последующего охлаждения образца. Основное внимание в статье уделено деталям, выполненным из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в широком круге изделий.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, подповерхностная структура, лазерный нагрев, активная термография
Статья получена: 15.06.2021
Статья принята к публикации: 19.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
В многочисленных работах по неразрушающему контролю подповерхностной структуры различных объектов заметное внимание уделяется методу импульсной термографии, который заключается в пирометрической регистрации изменений температуры поверхности в условиях принудительного ее нагрева и во время последующего охлаждения [1, 2]. Отличия термодиффузии в разных местах образца из-за особенностей структуры и ее неоднородностей формируют картину объекта, которая отражает характер, состав и расположение отдельных компонентов внутреннего подповерхностного слоя.
Современные возможности математического моделирования нагрева образцов со встроенной неоднородностью позволяют производить количественный анализ отклика поверхности, подвергнутой импульсному нагреву. Результаты расчетов для объектов с разной структурой поверхностного слоя могут быть взяты за основу при интерпретации термографических изображений, получаемых экспериментально. Прогресс в области численных методов анализа нестационарных процессов теплопереноса обеспечивает возможности распространения импульсной термографии на исследование широкого круга объектов, различных по свойствам и назначению.
Одновременно развитию этого метода способствуют достижения в производстве ИК-видеокамер, повышения их чувствительности, разрешения и быстродействия. Снижение цен этих изделий делает доступным применение термографических исследований все в более широких областях.
Появление новых технических средств импульсного нагрева образцов также открывает новые возможности ИК-термографии в решении прикладных задач неразрушающего контроля. В частности, заслуживает внимания бурный рост количества предлагаемых полупроводниковых источников света и значительное увеличение их мощности.
На сегодняшний день интенсивность излучения коммерческих светодиодов и полупроводниковых лазеров достаточна для эффективного нагрева облучаемой поверхности в различных приложениях метода активной термографии. При этом дополнительными преимуществами являются возможности удаленного воздействия и его пространственной локализации, временной модуляции и необходимой синхронизации импульсов, выбора оптимального спектрального диапазона излучения.
В настоящей работе рассмотрены примеры практических приложений метода активной термографии для анализа скрытой структуры объектов при использовании импульсного нагрева лазерным излучением. Основное внимание уделено образцам из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в машиностроении, химической промышленности, медицине и т. д.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Методики расчета температуры поверхности исследуемого объекта в условиях его нагрева внешним излучением хорошо известны специалистам [2]. При этом конкретные особенности внутренней структуры образца и набор его теплофизических характеристик определяют характерную именно для него картину теплового поля поверхности и динамику ее изменения во времени как в период воздействия излучения, так и при остывании. Задача математического моделирования состоит в расчете реакций объекта на внешнее воздействие для всего спектра возможных вариантов его внутренней структуры.
Сопоставление итогов таких расчетов с экспериментальными данными ИК-термографии является основой для выводов о внутреннем строении изучаемых деталей.
При рассмотрении образца с плоской фронтальной поверхностью система координат выбирается таким образом, что лазерное излучение воздействует перпендикулярно ей вдоль оси z в положительном направлении, а координата плоскости равна z = 0.
Распределение температуры T(x, y, z, t) в образце подчиняется уравнению теплопроводности, которое имеет вид:
, (1)
где ρ – плотность материала, C – удельная теплоемкость материала, k – коэффициент теплопроводности. Начальное условие в рассматриваемом случае соответствует постоянному значению температуры:
. (2)
Лазерный нагрев моделируется заданным потоком тепла через переднюю поверхность, что соответствует граничному условию второго рода:
, (3)
где q(t) – функция плотности мощности поглощенного лазерного излучения, имеющая вид:
,
где W – плотность мощности лазерного излучения, α – коэффициент поглощения, τ – время лазерного воздействия. На остальных поверхностях образца выставляется граничное условие второго рода, соответствующее теплоизоляции:
, (4)
где n – нормаль к поверхности S образца.
Уравнение (1) совместно с начальным условием (2) и граничными условиями (3, 4) представляет собой задачу Неймана, которая решается численно с использованием конечно-элементной численной схемы на тетраэдрической расчетной сетке. При численном решении используется стандартная библиотека для решения разреженных систем линейных алгебраических уравнений.
На рис. 1 в качестве примеров представлены расчетные распределения поверхностных температур для двух деталей из АБС-пластика, сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (ρ = 1 040 кг/м3; k = 0,258 Дж / м ∙ с ∙ К; C = 1 720 Дж / кг ∙ К), который широко применяется в конструировании объектов сложной формы посредством аддитивных технологий. Первый образец представляет собой пластину толщиной 30 мм с пазами шириной 12 мм и различной глубиной от 29 до 25 мм (в последовательности с интервалом 1 мм для позиций от a до e), а второй – блок той же толщины с отверстиями диаметром 12 мм и аналогичным распределением по их глубине.
Рисунки отражают динамику процессов остывания деталей после предварительного нагрева поверхности импульсом лазерного излучения длительностью 60 с. При этом для первого образца запечатлены фрагменты (от 1 до 10), следующие друг за другом с интервалом 60 с, а для второго представлена аналогичная последовательность термограмм через каждые 40 с. Существенно, что наблюдаемые модуляции температурного поля для каждого фрагмента нормированы независимо. Если в каждый i-ый момент времени локальные температуры находятся в диапазоне от минимальных значений до максимальных , то величины относительных неоднородностей их распределения могут быть выражены как
(5)
и показаны с использованием цветовой шкалы, представленной справа на рис. 1.
Более тонкие поверхностные слои (позиции 1а) первоначально оказываются нагретыми до более высоких температур (отображаются красным цветом), однако быстрее остывают, что на рис. 1 отражается смещением окраски в синюю область спектра. С течением времени наблюдается перераспределение относительных изменений температур в локальных зонах.
Неразличимые первоначально отстоящие дальше от поверхности нарушения целостности материала могут быть обнаружены при регистрации термограмм с временной задержкой, оптимальная величина которой определяется его теплофизическими характеристиками.
Хотя рис. 1 иллюстрирует результат моделирования процессов активной термографии для одного из материалов, в частности АБС-пластика, аналогичные результаты характерны и для других случаев с соответствующей корректировкой временной шкалы рассматриваемых явлений. Например, для полиэтилена высокого давления (ПВД) остывание образцов описанной выше геометрии протекает в среднем быстрее на 20% из-за более высокой теплопроводности.
Отметим также, что в общем случае отличия термодиффузии в разных областях могут формировать и более сложную картину исследуемого объекта. Использование инструментов математического моделирования позволяет выбрать условия максимальной ее контрастности с последующей расшифровкой состава и расположения отдельных компонентов внутреннего подповерхностного слоя.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОГРАФИИ
Общий вид экспериментальной установки, используемой для неразрушающего контроля изделий из пластика посредством активной термографии, представлен схематично на рис. 2.
Исследуемый образец (1) подвергается нагреву с использованием лазерных источников, имеющих оптоволоконные выходы излучения (2). Распределения температуры его поверхности регистрируются посредством тепловизора (3) как во время воздействия лазерного излучения, так и в процессе охлаждения наблюдаемого объекта. При этом производится непрерывный анализ термограмм и их временной динамики посредством компьютера (4), который одновременно управляет электронным блоком (5), задающим параметры лазерного излучения и длительность нагрева.
В настоящей работе использовались модули на основе сборок лазерных диодов общей мощностью до 300 Вт, излучающие в области 915 нм. Сопряженные с ними оптоволоконные кабели на выходе имели оптические блоки, формирующие поле излучения в плоскости исследуемого образца. С целью обеспечения равномерности нагрева объектов больших размеров использовались источники лазерного излучения с несколькими оптоволоконными выходами. В этих случаях также дополнительно применялась пространственная развертка лазерного пучка с частотой 10 Гц посредством электромеханического сканатора. При этом юстировкой достигалась однородность засветки посредством наблюдений с видеокамерой в ближнем ИК-диапазоне (на рисунке не показана). Существенно, что оптоволоконный кабель одновременно являлся эффективным фильтром от теплового излучения активных областей лазерных диодов, претерпевающих естественный нагрев в процессе работы.
Регистрации теплового излучения от образца производились посредством цифровой видеокамеры FLIR Tau2 с чувствительность 0,05 °С и частотой кадров 30 Гц.
Специальная компьютерная программа использовалась для анализа термограмм и презентации результатов их обработки.
КОНТРОЛЬ ВНУТРЕННИХ РЕБЕР И ПОЛОСТЕЙ
Исследования, основанные на термографии поверхности детали при ее нагреве излучением и в период последующего остывания, позволяют производить анализ подповерхностной структуры, обнаруживать наличие внутри объекта ребер и полых областей, определяя их основные геометрические характеристики. Актуальность такого контроля возрастает в связи с расширением ассортимента изделий из пластмасс, усложнением их конструкций благодаря развитию технологий производства полимерных материалов и деталей на их основе.
Большие возможности для новых приложений активной термографии связаны с прогрессом в области аддитивных технологий, формообразованием различных деталей из пластика посредством 3D печати. Среди изделий со сложной внутренней структурой заметное место занимают различные акустические детали с множеством полых резонаторов [3], антенны и пассивные элементы в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения [4], крыльчатки насосов для перекачки жидкостей и воздушных вентиляторов [5] и т. д.
Примеры анализа аналогичных изделий представлены на рис. 3 и рис. 4.
Деталь на рис. 3 имеет внутренние ребра, которые отражены на фотографии ее обратной стороны (рис. 3а). В то же время ее лицевая сторона представляет собой ровную плоскую поверхность. Материалом служит ПВД-пластик черного цвета.
При необходимости контроля структуры образца со стороны передней поверхности, когда внутренняя структура недоступна для наблюдения, решение задачи может быть обеспечено применением метода активной термографии. Результат иллюстрирует рис. 3b, на котором представлен вид фронтальной плоскости детали в инфракрасном диапазоне после того, как она была подвергнута кратковременному воздействию лазерного излучения.
Оптическая система формировала поле равномерной засветки исследуемой области с плотностью мощности до 0,3 Вт / см2. Регистрация теплового излучения от образца производилась с помощью цифровой видеокамеры по окончании лазерного воздействия длительностью 7 с. Предварительные исследования показали, что такая величина периода нагрева соответствует максимальной контрастности термограммы. Уменьшение времени нагрева приводит к снижению интенсивности теплового излучения, а увеличение времени нагрева неоправданно из-за размытия очертаний внутренней структуры исследуемого образца.
На поверхности областей, сопряженных с внутренними ребрами, в силу более эффективной теплоотдачи, температура оказывается ниже. Согласно принятой цветовой шкале (см. рис. 1), они имеют синюю окраску и контрастно выделяются на фоне красных зон, лишенных теплоотвода в материал из-за наличия обширных полостей.
А на рис. 4 представлен аналогичный результат контроля лопастей крыльчатки из АБС-пластика для водяного насоса. Они являются частью внутренней структуры, закрытой для визуального наблюдения. При этом технические средства активной термографии, режимы воздействия и параметры анализа использованы те же, что и в предыдущем примере.
Естественно, вопрос интерпретации полученных термограмм не вызывает затруднений лишь при относительно простой конструкции исследуемого изделия. В более сложных случаях расшифровка экспериментальных данных, как указывалось выше, может производиться посредством многоступенчатого сопоставления термограмм для расчетных моделей с прогнозируемой структурой и последовательностью возможных от нее отклонений. Однако частно может оказаться более рационален подход, основанный на оценке контролируемого объекта посредством сравнения его термограмм (рис. 5а) с аналогичными для контрольного образца (рис. 5b), получаемыми при тех же условиях лазерного воздействия. Результат разностного анализа цифровых изображений представлен на рис. 5c и выявляет отличия, характерные для исследуемой детали.
В частности, пример на рис. 5 отражает обнаружение структурного дефекта (пузыря) в приповерхностной области. Такая диагностика может быть востребована в условиях производства однотипных деталей для выявления брака.
КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ
Методики контроля изделий из полимерных материалов, основанные на применении лазерной активной термографии, могут быть успешно использованы для проверки качества сварных соединений.
В частности, они оказываются эффективными при оценке результатов точечной ультразвуковой сварки. Такой пример отражен на рис. 6. Термограмма представляет фрагмент образца, где внахлест соединены два листа ПВД толщиной 2,5 мм. Средний диаметр отдельного сварного соединения составляет 5 мм.
Результат с наибольшей контрастностью зафиксирован через 5 с после прекращения воздействия на поверхность изделия в течение 10 с лазерного излучения с длиной волны 915 нм и плотностью мощности 0,3 Вт / см2. На термограмме при этом выявляются различия в качестве соединения материала на различных участках исследуемого шва: дефектные зоны (5 и 8 на рис. 6) оказываются нагретыми до более высоких температур в сравнении с аналогичными (1–4, 6–7) в условиях хорошего контакта.
Лазерная активная термография может быть также использована для регистрации скрытых швов на деталях из пластика, применяемых в ремонтных работах для ликвидации трещин посредством наплавки присадочного прутка из того же материала. Проявление их на лицевой стороне детали аналогично наблюдаемому для изделий с наличием внутренних ребер и уже описано выше.
Обсуждаемый метод является эффективным инструментом контроля и ряда других видов ремонтных работ, производимых на деталях из полимерных материалов. Один из примеров представлен на рис. 7. В качествен образца служит пластиковый задний бампер автомобиля с вмятиной в левом углу после аварии (рис. 7а). После ремонта деталь не имеет дефектов, которые могли бы быть обнаружены визуально (рис. 7b), но они выявляются посредством активной лазерной термографии.
Изменением длительности нагрева и времени охлаждения можно добиваться максимальной контрастности термографического изображения. Оптимальный результат представлен на рис. 7c – это изображение, регистрируемое тепловизором через 20 с после прекращения лазерного воздействия с плотностью мощности 0,2 Вт / см2 продолжительностью 8 с. Отчетливо проявляются скрытые дефекты. Их регистрация раскрывает аварийную историю исследуемой детали.
Использование описанного метода повышает возможности диагностики компонентов корпуса автомобиля. Его преимущество будет становиться более значимым с расширением в автомобилях ассортимента неметаллических деталей. Кроме того, аналогично он может быть эффективен при анализе подобных деталей корпусов воздушного и водного транспорта, иных изделий из пластика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе приведен ряд примеров использования активной термографии для анализа внутренней структуры деталей из пластика. В рамках известных и широко используемых подходов [1,2] акцент сделан на демонстрации методик с применением лазерного нагрева поверхности. Существенно, что появление эффективных источников лазерного излучения относительно невысокой стоимости дает новые импульсы развитию этого направления неразрушающего контроля. В связи с этим метод имеет хорошие перспективы широкого применения в промышленности и других отраслях.
Дополнительные возможности открываются с использованием дистанционного контроля, недостижимого в той же степени при других вариантах активной термографии.
Сопряжение источников излучения с оптоволоконными элементами позволяет полностью исключать помехи отражений побочных источников теплового излучения, наличие которых приходится учитывать в активной термографии с иными средствами нагрева поверхности.
Достижению той же цели способствует и необходимая в ряде случаев локализация воздействия на исследуемый образец для исключения помех от сторонних окружающих объектов. Правда, эта особенность лазерного воздействия может иметь и негативный эффект при исследовании крупногабаритных деталей. Очевидно, что неравномерность плотности лучистой энергии, совмещенная с дефектами контролируемой структуры, способна внести ошибку в получаемый результат.
В этом вопросе решение заключается в обеспечении равномерности средней плотности мощности если не по всей поверхности образца, то по крайней мере в области, заметно превышающей характерные размеры исследуемых особенностей подповерхностной структуры. В описанных выше примерах деталей на рис. 2 (размером 10 × 17 см) и рис. 3 (диаметром 13 см) нетрудно обеспечивается равномерность облучения разведением лазерного пучка. А в случае контроля качества шва точечной сварки (рис. 6) такая цель вообще не ставится. Процесс контроля разбивается на последовательность отдельных стандартных процедур термографического анализа при дискретных сдвигах вдоль линии сварки. Фактически лазерному пучку при этом достаточно иметь равномерность интенсивности в областях, соразмерных с длиной в несколько шагов, характерных для исследуемого соединения листов пластика посредством точечной сварки.
Еще более упрощается задача пространственной однородности лазерного нагрева при использовании алгоритмов разностного анализа (рис. 5), если обеспечены одинаковые условия лазерного воздействия на исследуемый образец и контрольный образец сравнения. Понятно, что итоговая картина замеченных структурных отклонений при этом не может быть искажена особенностями пространственного распределения плотности мощности в сечении тестирующего лазерного пучка.
Наконец, в случае крупногабаритной детали (рис. 7) хороший результат достигается применением пространственного сканирования лазерных пучков по исследуемой поверхности при настройке однородности результирующего светового воздействия посредством видеокамеры ближнего ИК-диапазона с соответствующим покадровым усреднением. В условиях медленных процессов теплопередачи относительно высокая частота развертки 10 Гц обеспечивает идентичность наблюдаемого результата соответствующему при однородном пространственном распределении и той же средней плотности мощности лазерного изучения. Существенно, что эта процедура применима для образцов любой формы.
Таким образом, активная термография с применением лазерного излучения для нестационарного нагрева поверхности имеет ряд преимуществ и может быть успешно использована для анализа подповерхностной структуры различных образцов.
Бурное развитие лазерной техники с появлением новых эффективных излучателей [6] позволяет прогнозировать дальнейший рост потенциальных возможностей лазерной термографии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Скворцов Л. А. Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии. – М.: Техносфера. 2017. 218 с. ISBN 978-5-94836-493-3.
Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: Спектр. 2009. 544 с. ISBN 978-5-904270-05-6.
Kumar S., Lee H. P. Recent advances in acoustic metamaterials for simultaneous sound attenuation and air ventilation performances. Crystals. 2020; 10(8):1–22. DOI:10.3390/cryst10080686.
Харалгин C. В., Куликов Г. В., Котельников А. Б., Снастин М. В., Добычина Е. М. Прототипирование СВЧ-устройств с заданными электродинамическими характеристиками по технологии аддитивной 3D-печати. Российский технологический журнал. 2019; 7(1): 80–101. DOI: 10.32362/2500-316X‑2019-7-1-80-101.
Prabha K. A., Rohit P. S., Nitturi1 S. Ch., Nithin B. Manufacturing of 3D shrouded impeller of a centrifugal compressor on 3D-printing machine using FDM technology. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021; 1012(012039):1–7. DOI:10.1088/1757-899X/1012/1/012039.
Скворцов Л. А. Применение квантово-каскадных лазеров: состояние и перспективы. – М.: Техносфера. 2020. 270 с. ISBN 978-5-94836-608-1.
Об авторах:
Е. В. Кузнецов, генеральный директор АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-3489-6805
П. Ю. Лобанов, ведущий инженер АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-8034-7773
И. С. Мануйлович, с. н. с. АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-1737-3554
М. Н. Мешков, инженер I кат. АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-1708-416X
О. Е. Сидорюк, начальник лаборатории АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-9641-4667
Л. А. Скворцов, lskvortsov@mail.ru, начальник лаборатории АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-7504-4778
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива: Е. В. Кузнецов – организация работы, обсуждение результатов; П. Ю. Лобанов – проведение экспериментов, обработка результатов; И. С. Мануйлович – математическое моделирование, обработка результатов; М. Н. Мешков – математическое моделирование, обработка результатов; О. Е. Сидорюк – проведение экспериментов, обработка результатов; Л. А. Скворцов – организация работы, обработка и обсуждение результатов.
Разработка и исследования выполнены за счет собственных средств АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха».
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написание рукописи в части вклада каждого из них в работу и согласны с полным текстом рукописи.
Е. В. Кузнецов, П. Ю. Лобанов, И. С. Мануйлович, М. Н. Мешков, О. Е. Сидорюк, Л. А. Скворцов
АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия
В статье показаны возможности неразрушающего контроля подповерхностной структуры различных объектов методом импульсной термографии. Представлен ряд примеров, и проведен анализ их структуры. Метод включает нагрев поверхности объекта лазерным излучением и пирометрическое исследование локальных изменений температуры поверхности. Информация извлекается из результатов термографии, полученных как в течение принудительного нагрева, так и во время последующего охлаждения образца. Основное внимание в статье уделено деталям, выполненным из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в широком круге изделий.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, подповерхностная структура, лазерный нагрев, активная термография
Статья получена: 15.06.2021
Статья принята к публикации: 19.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
В многочисленных работах по неразрушающему контролю подповерхностной структуры различных объектов заметное внимание уделяется методу импульсной термографии, который заключается в пирометрической регистрации изменений температуры поверхности в условиях принудительного ее нагрева и во время последующего охлаждения [1, 2]. Отличия термодиффузии в разных местах образца из-за особенностей структуры и ее неоднородностей формируют картину объекта, которая отражает характер, состав и расположение отдельных компонентов внутреннего подповерхностного слоя.
Современные возможности математического моделирования нагрева образцов со встроенной неоднородностью позволяют производить количественный анализ отклика поверхности, подвергнутой импульсному нагреву. Результаты расчетов для объектов с разной структурой поверхностного слоя могут быть взяты за основу при интерпретации термографических изображений, получаемых экспериментально. Прогресс в области численных методов анализа нестационарных процессов теплопереноса обеспечивает возможности распространения импульсной термографии на исследование широкого круга объектов, различных по свойствам и назначению.
Одновременно развитию этого метода способствуют достижения в производстве ИК-видеокамер, повышения их чувствительности, разрешения и быстродействия. Снижение цен этих изделий делает доступным применение термографических исследований все в более широких областях.
Появление новых технических средств импульсного нагрева образцов также открывает новые возможности ИК-термографии в решении прикладных задач неразрушающего контроля. В частности, заслуживает внимания бурный рост количества предлагаемых полупроводниковых источников света и значительное увеличение их мощности.
На сегодняшний день интенсивность излучения коммерческих светодиодов и полупроводниковых лазеров достаточна для эффективного нагрева облучаемой поверхности в различных приложениях метода активной термографии. При этом дополнительными преимуществами являются возможности удаленного воздействия и его пространственной локализации, временной модуляции и необходимой синхронизации импульсов, выбора оптимального спектрального диапазона излучения.
В настоящей работе рассмотрены примеры практических приложений метода активной термографии для анализа скрытой структуры объектов при использовании импульсного нагрева лазерным излучением. Основное внимание уделено образцам из пластмасс, применяемых в качестве конструкционных материалов в машиностроении, химической промышленности, медицине и т. д.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Методики расчета температуры поверхности исследуемого объекта в условиях его нагрева внешним излучением хорошо известны специалистам [2]. При этом конкретные особенности внутренней структуры образца и набор его теплофизических характеристик определяют характерную именно для него картину теплового поля поверхности и динамику ее изменения во времени как в период воздействия излучения, так и при остывании. Задача математического моделирования состоит в расчете реакций объекта на внешнее воздействие для всего спектра возможных вариантов его внутренней структуры.
Сопоставление итогов таких расчетов с экспериментальными данными ИК-термографии является основой для выводов о внутреннем строении изучаемых деталей.
При рассмотрении образца с плоской фронтальной поверхностью система координат выбирается таким образом, что лазерное излучение воздействует перпендикулярно ей вдоль оси z в положительном направлении, а координата плоскости равна z = 0.
Распределение температуры T(x, y, z, t) в образце подчиняется уравнению теплопроводности, которое имеет вид:
, (1)
где ρ – плотность материала, C – удельная теплоемкость материала, k – коэффициент теплопроводности. Начальное условие в рассматриваемом случае соответствует постоянному значению температуры:
. (2)
Лазерный нагрев моделируется заданным потоком тепла через переднюю поверхность, что соответствует граничному условию второго рода:
, (3)
где q(t) – функция плотности мощности поглощенного лазерного излучения, имеющая вид:
,
где W – плотность мощности лазерного излучения, α – коэффициент поглощения, τ – время лазерного воздействия. На остальных поверхностях образца выставляется граничное условие второго рода, соответствующее теплоизоляции:
, (4)
где n – нормаль к поверхности S образца.
Уравнение (1) совместно с начальным условием (2) и граничными условиями (3, 4) представляет собой задачу Неймана, которая решается численно с использованием конечно-элементной численной схемы на тетраэдрической расчетной сетке. При численном решении используется стандартная библиотека для решения разреженных систем линейных алгебраических уравнений.
На рис. 1 в качестве примеров представлены расчетные распределения поверхностных температур для двух деталей из АБС-пластика, сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (ρ = 1 040 кг/м3; k = 0,258 Дж / м ∙ с ∙ К; C = 1 720 Дж / кг ∙ К), который широко применяется в конструировании объектов сложной формы посредством аддитивных технологий. Первый образец представляет собой пластину толщиной 30 мм с пазами шириной 12 мм и различной глубиной от 29 до 25 мм (в последовательности с интервалом 1 мм для позиций от a до e), а второй – блок той же толщины с отверстиями диаметром 12 мм и аналогичным распределением по их глубине.
Рисунки отражают динамику процессов остывания деталей после предварительного нагрева поверхности импульсом лазерного излучения длительностью 60 с. При этом для первого образца запечатлены фрагменты (от 1 до 10), следующие друг за другом с интервалом 60 с, а для второго представлена аналогичная последовательность термограмм через каждые 40 с. Существенно, что наблюдаемые модуляции температурного поля для каждого фрагмента нормированы независимо. Если в каждый i-ый момент времени локальные температуры находятся в диапазоне от минимальных значений до максимальных , то величины относительных неоднородностей их распределения могут быть выражены как
(5)
и показаны с использованием цветовой шкалы, представленной справа на рис. 1.
Более тонкие поверхностные слои (позиции 1а) первоначально оказываются нагретыми до более высоких температур (отображаются красным цветом), однако быстрее остывают, что на рис. 1 отражается смещением окраски в синюю область спектра. С течением времени наблюдается перераспределение относительных изменений температур в локальных зонах.
Неразличимые первоначально отстоящие дальше от поверхности нарушения целостности материала могут быть обнаружены при регистрации термограмм с временной задержкой, оптимальная величина которой определяется его теплофизическими характеристиками.
Хотя рис. 1 иллюстрирует результат моделирования процессов активной термографии для одного из материалов, в частности АБС-пластика, аналогичные результаты характерны и для других случаев с соответствующей корректировкой временной шкалы рассматриваемых явлений. Например, для полиэтилена высокого давления (ПВД) остывание образцов описанной выше геометрии протекает в среднем быстрее на 20% из-за более высокой теплопроводности.
Отметим также, что в общем случае отличия термодиффузии в разных областях могут формировать и более сложную картину исследуемого объекта. Использование инструментов математического моделирования позволяет выбрать условия максимальной ее контрастности с последующей расшифровкой состава и расположения отдельных компонентов внутреннего подповерхностного слоя.
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ЛАЗЕРНОЙ ТЕРМОГРАФИИ
Общий вид экспериментальной установки, используемой для неразрушающего контроля изделий из пластика посредством активной термографии, представлен схематично на рис. 2.
Исследуемый образец (1) подвергается нагреву с использованием лазерных источников, имеющих оптоволоконные выходы излучения (2). Распределения температуры его поверхности регистрируются посредством тепловизора (3) как во время воздействия лазерного излучения, так и в процессе охлаждения наблюдаемого объекта. При этом производится непрерывный анализ термограмм и их временной динамики посредством компьютера (4), который одновременно управляет электронным блоком (5), задающим параметры лазерного излучения и длительность нагрева.
В настоящей работе использовались модули на основе сборок лазерных диодов общей мощностью до 300 Вт, излучающие в области 915 нм. Сопряженные с ними оптоволоконные кабели на выходе имели оптические блоки, формирующие поле излучения в плоскости исследуемого образца. С целью обеспечения равномерности нагрева объектов больших размеров использовались источники лазерного излучения с несколькими оптоволоконными выходами. В этих случаях также дополнительно применялась пространственная развертка лазерного пучка с частотой 10 Гц посредством электромеханического сканатора. При этом юстировкой достигалась однородность засветки посредством наблюдений с видеокамерой в ближнем ИК-диапазоне (на рисунке не показана). Существенно, что оптоволоконный кабель одновременно являлся эффективным фильтром от теплового излучения активных областей лазерных диодов, претерпевающих естественный нагрев в процессе работы.
Регистрации теплового излучения от образца производились посредством цифровой видеокамеры FLIR Tau2 с чувствительность 0,05 °С и частотой кадров 30 Гц.
Специальная компьютерная программа использовалась для анализа термограмм и презентации результатов их обработки.
КОНТРОЛЬ ВНУТРЕННИХ РЕБЕР И ПОЛОСТЕЙ
Исследования, основанные на термографии поверхности детали при ее нагреве излучением и в период последующего остывания, позволяют производить анализ подповерхностной структуры, обнаруживать наличие внутри объекта ребер и полых областей, определяя их основные геометрические характеристики. Актуальность такого контроля возрастает в связи с расширением ассортимента изделий из пластмасс, усложнением их конструкций благодаря развитию технологий производства полимерных материалов и деталей на их основе.
Большие возможности для новых приложений активной термографии связаны с прогрессом в области аддитивных технологий, формообразованием различных деталей из пластика посредством 3D печати. Среди изделий со сложной внутренней структурой заметное место занимают различные акустические детали с множеством полых резонаторов [3], антенны и пассивные элементы в микроволновом диапазоне электромагнитного излучения [4], крыльчатки насосов для перекачки жидкостей и воздушных вентиляторов [5] и т. д.
Примеры анализа аналогичных изделий представлены на рис. 3 и рис. 4.
Деталь на рис. 3 имеет внутренние ребра, которые отражены на фотографии ее обратной стороны (рис. 3а). В то же время ее лицевая сторона представляет собой ровную плоскую поверхность. Материалом служит ПВД-пластик черного цвета.
При необходимости контроля структуры образца со стороны передней поверхности, когда внутренняя структура недоступна для наблюдения, решение задачи может быть обеспечено применением метода активной термографии. Результат иллюстрирует рис. 3b, на котором представлен вид фронтальной плоскости детали в инфракрасном диапазоне после того, как она была подвергнута кратковременному воздействию лазерного излучения.
Оптическая система формировала поле равномерной засветки исследуемой области с плотностью мощности до 0,3 Вт / см2. Регистрация теплового излучения от образца производилась с помощью цифровой видеокамеры по окончании лазерного воздействия длительностью 7 с. Предварительные исследования показали, что такая величина периода нагрева соответствует максимальной контрастности термограммы. Уменьшение времени нагрева приводит к снижению интенсивности теплового излучения, а увеличение времени нагрева неоправданно из-за размытия очертаний внутренней структуры исследуемого образца.
На поверхности областей, сопряженных с внутренними ребрами, в силу более эффективной теплоотдачи, температура оказывается ниже. Согласно принятой цветовой шкале (см. рис. 1), они имеют синюю окраску и контрастно выделяются на фоне красных зон, лишенных теплоотвода в материал из-за наличия обширных полостей.
А на рис. 4 представлен аналогичный результат контроля лопастей крыльчатки из АБС-пластика для водяного насоса. Они являются частью внутренней структуры, закрытой для визуального наблюдения. При этом технические средства активной термографии, режимы воздействия и параметры анализа использованы те же, что и в предыдущем примере.
Естественно, вопрос интерпретации полученных термограмм не вызывает затруднений лишь при относительно простой конструкции исследуемого изделия. В более сложных случаях расшифровка экспериментальных данных, как указывалось выше, может производиться посредством многоступенчатого сопоставления термограмм для расчетных моделей с прогнозируемой структурой и последовательностью возможных от нее отклонений. Однако частно может оказаться более рационален подход, основанный на оценке контролируемого объекта посредством сравнения его термограмм (рис. 5а) с аналогичными для контрольного образца (рис. 5b), получаемыми при тех же условиях лазерного воздействия. Результат разностного анализа цифровых изображений представлен на рис. 5c и выявляет отличия, характерные для исследуемой детали.
В частности, пример на рис. 5 отражает обнаружение структурного дефекта (пузыря) в приповерхностной области. Такая диагностика может быть востребована в условиях производства однотипных деталей для выявления брака.
КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И РЕМОНТНЫХ РАБОТ
Методики контроля изделий из полимерных материалов, основанные на применении лазерной активной термографии, могут быть успешно использованы для проверки качества сварных соединений.
В частности, они оказываются эффективными при оценке результатов точечной ультразвуковой сварки. Такой пример отражен на рис. 6. Термограмма представляет фрагмент образца, где внахлест соединены два листа ПВД толщиной 2,5 мм. Средний диаметр отдельного сварного соединения составляет 5 мм.
Результат с наибольшей контрастностью зафиксирован через 5 с после прекращения воздействия на поверхность изделия в течение 10 с лазерного излучения с длиной волны 915 нм и плотностью мощности 0,3 Вт / см2. На термограмме при этом выявляются различия в качестве соединения материала на различных участках исследуемого шва: дефектные зоны (5 и 8 на рис. 6) оказываются нагретыми до более высоких температур в сравнении с аналогичными (1–4, 6–7) в условиях хорошего контакта.
Лазерная активная термография может быть также использована для регистрации скрытых швов на деталях из пластика, применяемых в ремонтных работах для ликвидации трещин посредством наплавки присадочного прутка из того же материала. Проявление их на лицевой стороне детали аналогично наблюдаемому для изделий с наличием внутренних ребер и уже описано выше.
Обсуждаемый метод является эффективным инструментом контроля и ряда других видов ремонтных работ, производимых на деталях из полимерных материалов. Один из примеров представлен на рис. 7. В качествен образца служит пластиковый задний бампер автомобиля с вмятиной в левом углу после аварии (рис. 7а). После ремонта деталь не имеет дефектов, которые могли бы быть обнаружены визуально (рис. 7b), но они выявляются посредством активной лазерной термографии.
Изменением длительности нагрева и времени охлаждения можно добиваться максимальной контрастности термографического изображения. Оптимальный результат представлен на рис. 7c – это изображение, регистрируемое тепловизором через 20 с после прекращения лазерного воздействия с плотностью мощности 0,2 Вт / см2 продолжительностью 8 с. Отчетливо проявляются скрытые дефекты. Их регистрация раскрывает аварийную историю исследуемой детали.
Использование описанного метода повышает возможности диагностики компонентов корпуса автомобиля. Его преимущество будет становиться более значимым с расширением в автомобилях ассортимента неметаллических деталей. Кроме того, аналогично он может быть эффективен при анализе подобных деталей корпусов воздушного и водного транспорта, иных изделий из пластика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе приведен ряд примеров использования активной термографии для анализа внутренней структуры деталей из пластика. В рамках известных и широко используемых подходов [1,2] акцент сделан на демонстрации методик с применением лазерного нагрева поверхности. Существенно, что появление эффективных источников лазерного излучения относительно невысокой стоимости дает новые импульсы развитию этого направления неразрушающего контроля. В связи с этим метод имеет хорошие перспективы широкого применения в промышленности и других отраслях.
Дополнительные возможности открываются с использованием дистанционного контроля, недостижимого в той же степени при других вариантах активной термографии.
Сопряжение источников излучения с оптоволоконными элементами позволяет полностью исключать помехи отражений побочных источников теплового излучения, наличие которых приходится учитывать в активной термографии с иными средствами нагрева поверхности.
Достижению той же цели способствует и необходимая в ряде случаев локализация воздействия на исследуемый образец для исключения помех от сторонних окружающих объектов. Правда, эта особенность лазерного воздействия может иметь и негативный эффект при исследовании крупногабаритных деталей. Очевидно, что неравномерность плотности лучистой энергии, совмещенная с дефектами контролируемой структуры, способна внести ошибку в получаемый результат.
В этом вопросе решение заключается в обеспечении равномерности средней плотности мощности если не по всей поверхности образца, то по крайней мере в области, заметно превышающей характерные размеры исследуемых особенностей подповерхностной структуры. В описанных выше примерах деталей на рис. 2 (размером 10 × 17 см) и рис. 3 (диаметром 13 см) нетрудно обеспечивается равномерность облучения разведением лазерного пучка. А в случае контроля качества шва точечной сварки (рис. 6) такая цель вообще не ставится. Процесс контроля разбивается на последовательность отдельных стандартных процедур термографического анализа при дискретных сдвигах вдоль линии сварки. Фактически лазерному пучку при этом достаточно иметь равномерность интенсивности в областях, соразмерных с длиной в несколько шагов, характерных для исследуемого соединения листов пластика посредством точечной сварки.
Еще более упрощается задача пространственной однородности лазерного нагрева при использовании алгоритмов разностного анализа (рис. 5), если обеспечены одинаковые условия лазерного воздействия на исследуемый образец и контрольный образец сравнения. Понятно, что итоговая картина замеченных структурных отклонений при этом не может быть искажена особенностями пространственного распределения плотности мощности в сечении тестирующего лазерного пучка.
Наконец, в случае крупногабаритной детали (рис. 7) хороший результат достигается применением пространственного сканирования лазерных пучков по исследуемой поверхности при настройке однородности результирующего светового воздействия посредством видеокамеры ближнего ИК-диапазона с соответствующим покадровым усреднением. В условиях медленных процессов теплопередачи относительно высокая частота развертки 10 Гц обеспечивает идентичность наблюдаемого результата соответствующему при однородном пространственном распределении и той же средней плотности мощности лазерного изучения. Существенно, что эта процедура применима для образцов любой формы.
Таким образом, активная термография с применением лазерного излучения для нестационарного нагрева поверхности имеет ряд преимуществ и может быть успешно использована для анализа подповерхностной структуры различных образцов.
Бурное развитие лазерной техники с появлением новых эффективных излучателей [6] позволяет прогнозировать дальнейший рост потенциальных возможностей лазерной термографии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Скворцов Л. А. Основы фототермической радиометрии и лазерной термографии. – М.: Техносфера. 2017. 218 с. ISBN 978-5-94836-493-3.
Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: Спектр. 2009. 544 с. ISBN 978-5-904270-05-6.
Kumar S., Lee H. P. Recent advances in acoustic metamaterials for simultaneous sound attenuation and air ventilation performances. Crystals. 2020; 10(8):1–22. DOI:10.3390/cryst10080686.
Харалгин C. В., Куликов Г. В., Котельников А. Б., Снастин М. В., Добычина Е. М. Прототипирование СВЧ-устройств с заданными электродинамическими характеристиками по технологии аддитивной 3D-печати. Российский технологический журнал. 2019; 7(1): 80–101. DOI: 10.32362/2500-316X‑2019-7-1-80-101.
Prabha K. A., Rohit P. S., Nitturi1 S. Ch., Nithin B. Manufacturing of 3D shrouded impeller of a centrifugal compressor on 3D-printing machine using FDM technology. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021; 1012(012039):1–7. DOI:10.1088/1757-899X/1012/1/012039.
Скворцов Л. А. Применение квантово-каскадных лазеров: состояние и перспективы. – М.: Техносфера. 2020. 270 с. ISBN 978-5-94836-608-1.
Об авторах:
Е. В. Кузнецов, генеральный директор АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-3489-6805
П. Ю. Лобанов, ведущий инженер АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-8034-7773
И. С. Мануйлович, с. н. с. АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-1737-3554
М. Н. Мешков, инженер I кат. АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-1708-416X
О. Е. Сидорюк, начальник лаборатории АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-9641-4667
Л. А. Скворцов, lskvortsov@mail.ru, начальник лаборатории АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-7504-4778
Вклад членов авторского коллектива
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива: Е. В. Кузнецов – организация работы, обсуждение результатов; П. Ю. Лобанов – проведение экспериментов, обработка результатов; И. С. Мануйлович – математическое моделирование, обработка результатов; М. Н. Мешков – математическое моделирование, обработка результатов; О. Е. Сидорюк – проведение экспериментов, обработка результатов; Л. А. Скворцов – организация работы, обработка и обсуждение результатов.
Разработка и исследования выполнены за счет собственных средств АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха».
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написание рукописи в части вклада каждого из них в работу и согласны с полным текстом рукописи.
Отзывы читателей
