Témata
Reklama

Zkoušení uhlíkových kompozitů laserem buzeným ultrazvukem

Systém laserem buzeného ultrazvuku vytváří ultrazvukový pulz s relativně „hladkým“ průběhem a minimálním časem doznívání. Popisovaný systém CLUE umožňuje generovat ultrazvukový pulz s délkou od 10 ns do 100 ns. Takový pulz je možné s výhodou použít pro zkoušení materiálů, zejména pak kompozitních.

CLUE (Contact Laser-Ultrasonic Evaluation) je ultrazvuková technika, při které je za pomoci laseru vybuzen ultrazvukový pulz (schéma systému je zobrazeno na obr. 1a). Tento pulz je následně snímán extra-širokopásmovým PVDF měničem, který je součástí sondy (optoakustický měnič). Laserový pulz je generován tzv. Q-spínaným pevnolátkovým Nd:YAG laserem. Laserový pulz s energií 10–20 mJ a délkou cca 10 ns je do sondy přiveden pomocí optického vlákna a ultrazvukový pulz je vyvolán termoelastickou expanzí. Pulz je pak vyslán dvěma opačnými směry, tj. směrem k piezoelektrickému přijímači a směrem do materiálu, který je akusticky navázán na vysílač. Přijatý signál je digitalizován a odeslán do počítače.

Reklama
Reklama
Reklama
a)
b)Obr. 1. Schéma (a) a fotografie (b) systému CLUE (Contact Laser-Ultrasonic Evaluation), typ UDL-2M

Systém typu UDL-2M pro ruční zkoušení se skládá z laser/ultrazvukového měniče s připojenými kabely a optickým vláknem vedoucím k jednotce a může fungovat s mnoha typy sond vhodných pro různé aplikace. Ultrazvukový pulz má „hladký“ tvar bez doznívání s délkou cca 70 ns a opakovací frekvencí 1 kHz. Díky tvaru a délce impulzu je možné dosáhnout hloubkového rozlišení 0,1 mm v kovech a 0,05 mm v CFRC (kompozit z uhlíkových vláken – uhlíkový kompozit). Stranové rozlišení je dáno průměrem svazku a zde je cca 3 mm. Na obrazovce počítače je zobrazen ultrazvukový signál. První pulz je část svazku, která je vyslána směrem k piezoelektrickému měniči, druhá část pulzu v protifázi je signál odražený z volného povrchu optoakustického měniče. Vzdálenost mezi nimi odpovídá dvojnásobku průchodového času ultrazvukové vlny v optoakustickém generátoru. Protože na povrchu optoakustického měniče je vzduch, má signál obrácenou fázi. V případě navázání na pevný povrch by byl signál ve fázi s prvním pulzem.

Obr. 2. B-sken desetivrstvého uhlíkového kompozitu s delaminacemi mezi vrstvami získaný ručně systémem UDL-2M

Indikace v zobrazení B

Po provedení skenu desetivrstvého uhlíkového kompozitu se v B-skenu na rozhraní matrice – vrstva projeví odraz ve fázi jako světlá linie. Na rozhraní vrstva – matrice je odraz v protifázi a na B-skenu se ukáže jako tmavá (šedá) linie (obr. 2). Jak je možné předpokládat, všechny delaminace se nacházejí v oblasti matrice. Rozlišení umožňuje detekci indikací mezi první a druhou vrstvou a dostatečně i mezi devátou a desátou vrstvou. Markantní stopa, kde je delaminace ve větší hloubce a indikace je doprovázena ztrátou koncového echa, prokazuje, že indikace je skutečně delaminace, a ne například zvýšená tloušťka pryskyřice mezi vrstvami. Velký kontrast mezi vrstvami a delaminacemi značí větší absolutní hodnotu koeficientu odrazu v protifázi ve srovnání s matricí. To je další důvod, proč indikaci vyhodnotit jako delaminaci.
Experiment

Na obr. 3 je rozhraní CLUE s B-skenem (vlevo A-sken) podobným předchozímu obrázku s delaminacemi na silnějším vzorku uhlíkového kompozitu. Na skenu jsou vidět vícenásobná echa mezi vstupním povrchem a delaminací. Nápadně rozdílná amplituda pulzu odraženého na rozhraní matrice a indikace dokazuje, že se jedná o delaminaci. Data systému CLUE umožňují spočítat počet vrstev v kompozitu (20) a určit tloušťku vzorku (5,37 mm). Filtr (okno v pravé dolní části) omezuje frekvenční rozsah ultrazvukové zkoušky (0–21 MHz). Exponenciální pokles amplitudy pulzu odražený na jednotlivých vrstvách pryskyřice mezi vrstvami odpovídá teoretickému modelu šíření ultrazvukového pulzu v takovémto prostředí a ukazuje kvalitu kompozitu v dalších částech materiálu.

Obr. 3. Záznam delaminací mezi vrstvami uhlíkového kompozitu systémem CLUE


Na obrázku 4 je pak sken vzorku s tloušťkou vrstvy 0,36 mm a tloušťkou pryskyřice cca 0,11 mm. Na vzorku nejsou patrné žádné necelistvosti nebo nespojení.

Obr. 4. CLUE záznam uhlíkové součásti č. 1

Technika phased array

Záznam kompozitového vzorku získaný technikou phased array provedený z vnitřní strany rádiusu (obr. 5a) ukazuje amplitudu koncového echa. Červená barva znamená amplitudu 100 % FSH (plného rozsahu obrazovky) koncového echa. Žlutá (60 %) a zelená (50 %) barva označují pokles koncového echa vlivem indikace v materiálu. Druhý záznam ukazuje posun (hloubku) vadového echa. Tmavě zelená místa značí tloušťku kolem 4 mm (jmenovitá tl. kolem 5 mm), modrá cca 2 mm. Poslední záznam zobrazuje B-sken vzorku.

Ze záznamů je patrná přítomnost indikace, která částečně propouští ultrazvukový svazek. Teoreticky se může jednat o pórovitost, případně o delaminace menší než průřez ultrazvukového svazku v daném místě.

Na záznamu systému CLUE (obr. 5b) je vidět větší odraz mezi třetí a čtvrtou vrstvou. Poloha a fáze signálu ukazuje na silnější vrstvu pryskyřice. Sken je v tomto případě prováděn z vnější strany rádiusu vzorku.

Obr. 5. Test součásti č. 1 pomocí phased array v režimu TOF (Time of Flight) a) a CLUE b).


Sken dalšího kompozitového vzorku technikou phased array, je na obr. 6a. Sken je proveden znovu z vnitřní strany rádiusu. První záznam opět zobrazuje amplitudu koncového echa a dvě oblasti s poklesem koncového echa na cca 50 % FSH. Druhý záznam zachycuje polohu koncového/vadového echa. V oblastech s poklesem koncového echa dochází ke značnému snížení tloušťky (pod cca 3 mm). Na posledním záznamu, což je opět B-sken, jsou zobrazeny i odrazy od indikací. Z uvedeného lze usuzovat, že se pravděpodobně jedná o pórovitost, protože u delaminací takového rozsahu dochází většinou k úplné ztrátě koncového echa.

Záznam systému CLUE je na obr. 6b. V oblasti indikací, které označil systém phased array, je patrná absence šesté vrstvy (z vnějšku rádiusu). Tato vrstva je nahrazena silnější vrstvou pryskyřice. Technika CLUE tedy poskytuje detailnější informace o stavu materiálu a umožňuje snáze přijmout nápravná opatření.

Obr. 6. Test součásti č. 2 pomocí phased array v režimu TOF (Time of Flight) a) a CLUE b).

Závěr

Uvedené výsledky zkoušek prezentují zvýšenou rozlišovací schopnost systému CLUE v porovnání s konvenčními ultrazvukovými technikami. Technika CLUE poskytuje detailnější pohled na strukturu kompozitových dílů, a to i v režimu pulz-echo, kdy je díky krátkému pulzu s „hladkým“ průběhem zvýšeno hloubkové rozlišení a eliminována mrtvá zóna pod povrchem.

CLUE může být velmi užitečným nástrojem ve výrobních linkách i při monitorování stavu konstrukce za provozu.

Poděkování

Na tvorbě článku se dále podíleli: Alexey N.Zharinov z International Laser Center of M.V. Lomonosov Moscow State University, Elena V. Savateeva z Institute on Laser and Information Technologies (ILIT), RAS, Elena A.Mironova a Elena B.Cherepetskaya z National University of Science and Technology MISiS a Valerij Makarov ze společnosti ATG.

International Laser Center of M.V. Lomonosov Moscow State University, ATG

Alexander A. Karabutov, Petr Žbánek

zbanek@atg.cz

www.atg.cz

www.atgtesting.com

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 160122
Datum: 10. 02. 2016
Rubrika: Monotematická příloha / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Pod pláštěm autobusu

Kdo z nás nikdy nejel autobusy značky Iveco? Meziměstské autobusy Iveco Crossway a Crossway Low Entry z Vysokého Mýta sice své cestující naleznou spíše v zahraničí(v roce 2015 byla společnost Iveco Czech Republic osmým největším vývozcem), nicméně i na českých silnicích se v nich můžeme svézt.

Pórovitost svarů oceli svařovaných metodou MIG/MAG

Přes veškeré znalosti o obloukovém svařování tavící se elektrodou v atmosféře ochranných plynů (MIG/MAG) nemůžeme vyloučit všechny vady svarů. Častou vadou, zvláště u ručního svařování, je pórovitost svaru. Aby bylo možné účinně bránit vzniku pórů, je nutné znát zdroje plynů, které je způsobují, a opatření pro jejich eliminaci.

Související články
Inovativní spojovací systémy předjímající budoucnost

Díky dlouhodobým, prověřeným zkušenostem se svařováním tradičních materiálů úspěšně uplatňovaným v automobilovém odvětví dokáže nyní firma Comau vyvíjet stále vyspělejší řešení a spojovací postupy zaměřené i na ty nejnovější materiály.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kvalifikace svářečů ocelí

Dne 7. 7. 2013 proběhlo hlasování o přijetí normy EN ISO 9606-1 a nahrazení normy EN 287-1 touto mezinárodní. Norma byla drtivou většinou hlasů 21:3 přijata, proti hlasovalo pouze ČR, Dánsko a Norsko. Podle původní dohody se do normy následně zapracují připomínky států, které hlasovaly proti přijetí, ale o přijetí normy už se nebude znovu hlasovat. Připomínky za ČR byly odeslány, ale zapracovány nebyly!

Laserové svařování materiálů s větší tloušťkou stěny

Příspěvek se věnuje specifickým vlastnostem laserových svarů u jemnozrnných vysokopevných ocelí s větší tloušťkou stěny 10 a 20 mm. Zatímco v současnosti dominuje laserové svařování zejména tenkých plechů, blíží se díky zvyšování výkonu a kvality paprsku také doba aplikací pro silnější stěny. Hlavním tématem tohoto článku je využití laseru v takových aplikacích, a to v klasickém provedení bez přídavných materiálů i v provedení s přídavným drátem, metodou zvanou Cold wire welding. Několik experimentálních výsledků demonstruje sílu této metody.

Zrna karbidu wolframu v návarech

Odolnost klasických konstrukčních ocelí proti různým typům opotřebení je všeobecně nízká. Proto se neustále vyvíjejí různé typy a kombinace odolných materiálů, které mají za úkol snížit náklady na výměnu, popř. opravy součástí. Příspěvek se zabývá možnostmi přidání zrn karbidů wolframu do návaru, jež chrání povrch součástí před opotřebením. Následně je hodnocena odolnost povrchové vrstvy návaru, jež obsahuje karbidy wolframu v porovnání s vrstvou bez těchto částic. Tento příspěvek vznikl ve spolupráci se společností Wirpo.

Technologické lasery a trendy vývoje za rok 2015

Letošní rok v oblasti laserových technologií byl neobyčejně bohatý na nové poznatky a přinesl i řadu nových jevů v metodice dalšího vývoje. Vznikala nová komplexní střediska laserového výzkumu a nás může těšit, že ani Česká republika nezůstala pozadu. Rozvíjí se program HiLASE, zaměřený na laserové technologie a vývoj optických komponentů, a nedávno bylo slavnostně otevřeno i středisko ELI Beamlines – Extreme Light Infrastructure – jako součást evropského plánu budování center nové generace vybavených nejvýkonnější technikou vhodnou pro naplnění programu bádání až na samé hranici poznání.

Nová legislativa a svařování ocelí pro tlaková zařízení

V souvislosti s novými předpisy, které vznikly v EU v rámci nového legislativního rámce (NLF), dochází postupně ke změnám v českém právním řádu. Novými evropskými směrnicemi pro oblast tlakových zařízení jsou směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/29/EU ze dne 26. února 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání jednoduchých tlakových nádob na trh (platnost od 20. 4. 2016) a směrnice Evropského parlamentu a Rady 2014/68/EU ze dne 15. května 2014 o harmonizaci právních předpisů členských států týkajících se dodávání tlakových zařízení na trh (platnost od 19. 7. 2016).

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Přenosná tlaková lahev usnadňuje svářečům práci

Malá tlaková lahev Integra s vestavěným redukčním ventilem a plnicím tlakem 300 barů je vysoká pouze 68 centimetrů a její hmotnost včetně náplně je menší než 30 kg. Navíc je vybavena vestavěným ochranným krytem, který účinně chrání redukční ventil před poškozením a zároveň slouží i jako praktické madlo při její přepravě.

Elektronové svařování - perspektivní metoda pro speciální materiály

Využití elektronového svazku v průmyslové výrobě zasahuje do mnohých oblastí strojírenské výroby, např. spojování kovových i nekovových materiálů, navařování, povrchového zpracování a legování povrchu materiálů, PVD povlakování, gravírování i dělení materiálů a dnes i do moderního „3D tisku“ kovových materiálů. Nicméně svařování homogenních a heterogenních spojů je nejčastějším použitím této technologie (ve strojírenství), a proto je v současné době intenzívně zkoumáno i v Laboratoři výuky svářečských technologií na Ústavu strojírenské technologie FS ČVUT v Praze. Na tomto pracovišti je k dispozici elektronové svařovací zařízení PTR ESW 1000/12-L, dlouhodobě zapůjčené od ÚJV Řež. Tímto příspěvkem bychom rádi tuto technologii chtěli představit širší veřejnosti.

Od samuraje k robotice

Japonská společnost Yaskawa Electric Corporation v uplynulém roce oslavila 100. výročí od svého založení. Oslavy proběhly v prosinci i v české pobočce Yaskawa Czech.

Laserové technologie v průmyslové praxi

Technologie svařování a  3D dělení materiálů laserem lze bezesporu považovat za velice moderní a vysoce produktivní prostředek v dnešní strojírenské výrobě. Mnoho firem by rádo tyto technologie využilo pro zlepšení technické úrovně a také ekonomiky výroby u svých výrobků, ale zvláště malé a střední firmy, které s nimi nemají žádné zkušenosti, mají obavy z vysokých investic a z  rizika nenaplnění očekávání vkládaných do těchto technologií. Nejde ovšem jenom o zakoupení nejvhodnějšího laseru, ale naprosto nezbytné jsou i teoretické znalosti a praktické zkušenosti s těmito technologiemi.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit