TERMELÉSI FOLYAMAT MINÕSÉGKÉRDÉSEI, VIZSGÁLATOK 2.5
Kompozit anyagú szendvicsszerkezetek vizsgálata termográfiával Tárgyszavak: termográfiai vizsgálat; szálerősítésű műanyag; műanyag szendvicsszerkezet.
A termográfiai vizsgálatnak az ultrahangos módszerrel szemben több előnye is van, elsősorban olyan anyagok esetében, amelyek szerkezetileg eleve heterogének. Kevésbé érzékenyek a csatolási feltételekre, és a hibajel értékelése is lényegesen leegyszerűsíthető. Ez különösen a kompozit műanyagok vizsgálati feltételei szempontjából jelent egyszerűsítést. A kompozit anyagok fejlesztését az tette szükségesé, hogy megnövekedett az igény a kis fajlagos tömegű, nagy szilárdságú anyagok iránt. Ez a repülőgépiparban, az űrkutatási technikában, a tengerhajózásban és a közlekedésben megindította a szendvicsszerkezeteknek nevezett kompozitok fejlesztését, amelyeket igen kedvező szilárdság/tömeg viszonyszám jellemez. A szendvicsszerkezetek fő részei: két erős, vékony, merev és viszonylag nagy sűrűségű lemez között vastag, kis sűrűségű belső maganyag van. A fedőlemezek anyaga lehet fémlemez vagy műanyag. A belső maganyag általában méhsejtvázas szerkezet vagy újabban duzzasztott polimer hab. Figyelembe véve a szendvicsstruktúra összetevőinek eltérő tulajdonságait és a gyártási folyamat bonyolultságát, megfelelő vizsgálati módszert kell kidolgozni a szendvicsszerkezet épségének ellenőrzésére. Erre legmegfelelőbbek a roncsolásmentes vizsgálati módszerek, amelyek használat közben is lehetővé tehetik a röntgen-, az akusztikai emissziós, az ultrahang-frekvenciás és legújabban a termográfiai eljárások. Kedvező eredmények elérésére van lehetőség, különös tekintettel a berendezések által elért jel/zaj viszony kedvező alakulására. A frekvencia csökkentésével a detektálási mélység növelhető, azonban ugyanakkor a hullámhossz növekedése következtében a térbeli felbontóképesség csökken, ha a vizsgálatot ultrahang-frekvenciás eljárással hajtják végre. Ennek a módszernek azonban rendkívül nagy hátránya, hogy a szonda és a vizsgált struktúra között csatolóközeget kell alkalmazni, és nincs lehetőség nagy felület vizsgálatára. Mindezeket a hátrányokat nagyrészt megszünteti a termográfia. Nincs szükség a vizsgált felület és a szonda közötti érintkezésre és csatolóközegre,
mert a detektor ebben az esetben pásztázókamera, amelyet a vizsgált elemtől különböző távolságokon lehet elmozdítani a felület fölött. A termográfiai kép alapján nem lehet következtetni a detektált hiba jellegére vagy nagyságára, azonban a két eljárás igen jól kiegészítheti egymást. A következők olyan kísérleteket ismertetnek, amelyek során termográfiai módszerrel szendvicsszerkezetek nagy felületén végeztek hibavizsgálatot. Olyan szendvicsszerkezet-mintákat használnak fel, amelyekben mesterségesen idéztek elő belső hibákat. Megkísérelték a vizsgált anyagról kapott termikus kép elemzése alapján az egyes hibák és zárványok azonosítását és jellemzését. Jegyzékbe foglalták az egyes hibákkal kapcsolatos termikus reakciókat és ezeknek a vonatkoztatási jeleknek az alapján végezték pl. szélturbina szendvicsszerkezetű lapátjának vizsgálatát. A jegyzék lehetővé tette az ilyen szendvicsszerkezetekben valószínűleg előforduló hibák azonosítását. Az alkalmazott termográfiai vizsgálat és berendezés A termikus leképezési módszer módot nyújt a felület hőmérsékleteloszlásának, ill. hőmérséklet-változásának leírására. A módszer lényege, hogy az az alkatrész, amelyik hőt vesz fel, vagy amelyik egy bizonyos hőmérsékleten van, különböző hullámhosszúságú infravörös sugárzást bocsát ki. A termográfiai vizsgálat pásztázó kamerájának elektronikus dektektora az infravörös sugárzásra érzékeny. A termikus leképezés során a vizsgált felület hőmérséklet-eloszlását határozza meg, ami a szóban forgó anyag termikus tulajdonságaitól függ. A belső hibák vagy szerkezeti rendellenességek hatására a felületi hőmérséklet és ennek megfelelően a termikus kép is változik. Miután a hiba és az azt környező anyag hőfoktényezője eltérő, a hőterjedés jellege és sebessége eltérő lesz. Emiatt változik meg a hiba következtében a hőmérséklet-eloszlás. A termográfia alkalmazása kétféleképpen történhet attól függően, hogy hogyan hozzák létre a termikus hatást. Ennek megfelelően megkülönböztethető ún. „passzív” és „aktív” módszer. A passzív módszer esetében a termográfia az anyagon belüli melegedést észleli, amikor az üzemi igénybevétel feltételei között a mechanikai terhelés hatására a repedések csúcsán, vagy a feszültségkoncentrációs helyeken hőfelhalmozódás jön létre, ami a termikus képen forró pontként jelentkezik. Az aktív módszer esetén külső hőforrást alkalmaznak. A melegítés végezhető egyik oldalról vagy mindkét oldalról. Az egyoldalas melegítés esetében felmelegítik a mintát, majd aktiválják a pásztázó detektort, és regisztrálják a hő felszabadulását. A kétoldalas módszer alkalmazásakor a vizsgált minta egyik oldalára helyezik a hőforrást, másik oldalára a detektort és mindkettőt egyszerre kapcsolják be. Az egyoldalas módszert olyankor használják, amikor
a vizsgált darabnak csak egyik oldalához lehet hozzáférni. A kétoldalas módszer mélység irányú felbontóképessége jobb, de természetesen csak akkor alkalmazható, ha mindkét oldalon hozzá lehet férni a felületekhez. Az itt leírt kísérletet az egyoldalas aktív módszerrel végezték (1. ábra).
infravörös pásztázó detektor
személyi számítógép „Thermovision” szoftverrel hőforrás próbatest
1. ábra Kísérleti elrendezés vázlata: egyoldalas, aktív módszer A Nottinghami Egyetem roncsolásmentes anyagvizsgálati laboratóriumában Agema Thermovision 900 SW-TE pásztázót, termoelektromos úton hűtött SPRITE detektort (ez –77 °C-on működőképes, infravörös sugárzásra érzékeny fotoelektromos érzékelő) használtak fel. A pásztázó 2…5,6 µm tartományban érzékeny a hősugárzási spektrumra. A hőmérséklet-tartomány –10 °C-tól +500 °C-ig terjedt. A felbontóképesség 300 °C hőmérsékleten 0,1 °C. A vonatkozó frekvenciatartomány 20…30 Hz. Ennek megfelelően a pásztázó gyorsan, nagy felbontóképességgel detektál. A személyi számítógépen ERIKA V.3.0 szoftvert alkalmaznak, amely lehetővé teszi a sorozatképek tárolását. A minták és a kísérleti módszer A hiba jellegének detektálása érdekében osztályozni kellett a hibákat és a termikus reakciókat. Ennek megfelelően több szendvicsszerkezetet készítettek a leggyakoribb hibákkal és zárványokkal.
A szendvics fedőlemez anyag üvegszál-erősítésű műanyaglemez volt. A 2,6 mm vastag poliészter műgyantában az üvegszálak rendezetlenül helyezkedtek el. A lemezeket 26 mm vastag PVC hab választotta el egymástól. A PVC-réteg anyagának mindkét felületén sakktábla elrendezésben 1 mm-es hornyokat vágtak, hogy a habanyag sérüléseit imitálják. Ilyen habanyagot használnak fel görbült részeket tartalmazó darabok gyártásához, mert a sértetlen habanyag merev és nehezen hajlítható. Az üvegszál-erősítésű lemez és a habosított anyag közötti ragasztóréteg 2,50% gyorsítót és katalizátort tartalmazó poliészter műgyanta volt. A ragasztást 60 °C hőmérsékletű kemencében, egyórás hőn tartással végezték. Figyelembe véve a szendvicsszerkezet általában kézi gyártási módszerét és használati körülményeit, a következő mesterséges hibákat készítették elő: 1. A ragasztóanyag beszívódása: a hornyokba való beszívódást injekciós tűvel segítették elő. Ha a gyakorlatban a ragasztóanyag-felesleget nem korlátozzák, a kötés minősége leromlik és megnövekszik a struktúra súlya. 2. A víz behatolása: ezt injekciós tűvel hozták létre. A felületi repedések és hibák lehetővé teszik, hogy beszívódjon a víz a fedőlemez és a maganyag közé, ami komoly problémát okoz a szerkezeti anyag felhasználásakor. 3. A fedőlemez és a habosított mag közötti kötés megszűnése: a kötés megszűnésére már a gyártás folyamán, vagy a felhasználás alatt sor kerülhet. A jelenséget azzal utánozták le, hogy vékony Melinex lemezt helyeztek az üvegszál-erősítésű fedőlemez és a habosított maganyag közé. A próbatesteket forró levegő fúvatásával hevítették. A hőforrás a vizsgált területtől 5–7 cm távolságra volt. Az infravörös kamerát 70 cm távolságra helyezték a próbatestektől, ami lehetővé tette, hogy a kamera látóterébe kerüljön az egész próbatestfelület. Három különböző hevítési időt alkalmaztak (2, 5 és 15 perc), hogy a későbbiekben a legmegfelelőbb eredményt nyújtó hőn tartási időt választhassák meg. A lehűlési időt hosszabbra (20…30 perc) állították be. Eredmények és értékelés A lehűlési fázis első percei alatt a ragasztóanyag hidegebb terület formájában jelentkezik, mivel a hővezető képessége eltér a környező anyagokétól. A habosított anyag hővezető képessége (λ = 0,025 W/m°C) kisebb és ezért a hevítés alatt a hő nem képes áthatolni a próbatestek teljes vastagságán, vagyis a hő a felület közelében koncentrálódik. A ragasztóanyag hővezető képessége nagyobb (λ = 0,2 W/m°C), mint a habosított anyagé, ezért a hő áthatolhat rajta. Az első időben (vagyis a hőforrás kikapcsolása utáni első néhány percben) a ragasztóanyag hőmérséklete kisebb, mint a habosított
anyagé (a termikus felvételen lila árnyalat formájában jelentkezik). Ez lehetővé tette a rovátkázott habosított anyagba behatoló ragasztóanyag kimutatását. A próbatesteken végzett elővizsgálatok eredményeit felhasználva végezték el egy szélturbina szendvicsszerkezetű szárnylapát anyagának ellenőrzését (2. ábra).
a héjszerkezet és a főtartó közötti kötés helye
szendvicsszerkezet
főtartó
lapátszárny-
„orr”-rész rendezetlen szálbetéttel erősített poliészter műgyanta
hornyolt felületű habosított PVC gélbevonat
ragasztóanyag üvegszállal erősített lemez
hosszában üvegszálas szövettel erősített epoxi műgyanta anyagú főtartó gélbevonat
2. ábra A lapátszárny szelvényének vázlata A 17 m hosszúságú szárnylapát két egyméteres szakaszán hajtottak végre termográfiai ellenőrzést. A felület egyes részeit a vizsgálat előtt megtisztították, míg a többit változatlanul hagyták. A vizsgálat folyamán a próbatesteken végzett elővizsgálatok eredményeire támaszkodva ki lehetett mutatni a külső fedőlemez és a hornyolt habosított maganyag közötti kötési hibákat. Hasonló jelenségeket észleltek a héjszerkezet és a főtartó közötti kötések esetében is. A lehűlés megkezdése utáni egy perc elteltével készült felvételen világosan kivehető a hornyolt habosított mag, azonban ahol a kötési hiányosságokat mesterségesen létrehozták, a hornyolt felületrész már nem látszik. A ragasztóanyag beszívódását is ki lehet mutatni a felvételeken. Ahol a repedésbe behatolt a ragasztóanyag, a habosított magnál nagyobb hővezető
képesség következtében ezek a helyek hidegebb felületek formájában jelentkeznek. Egyes hibahelyek azonosítására alkalmas a kritikus szakaszokról felvett lehűlési görbe. Ennek a görbének a habosított anyag lehűlési görbéjével alkotott metszéspontja a lehűlés után 11 perccel jön létre, ugyanúgy, mint ahogy azt már a próbatestek vizsgálatakor is tapasztalni lehetett. Egyébként a héjszerkezet és a főtartó közötti kötés helye a termikus felvételen már a lehűlés megkezdése után 10 másodperccel jelentkezett. Ezt a két szerkezeti anyag eltérő hővezető képessége okozza. A termografikus felvétel tehát jelentős szerkezeti információkat szolgáltat, pedig szemrevételezéssel semmit nem lehet észlelni. A termográfia világosan kimutatja a szendvicsstruktúrát és a szerkezeti kötések helyeit. A szennyezett felület hatásának ellenőrzése céljából egy ilyen helyet 15 percig hevítettek, majd a lehűlési folyamatot 43 percig követték. Ezek a termikus felvételek világosabbak, vagyis magasabb hőmérsékletre engednek következtetni, mint az előbbiek, azonban a termikus feltérképezés jellege azonos módon enged következtetni a belső hibákra és zárványokra. A vizsgált felületen levő szennyező por a termografikus felvételen vékony, eltérő anyagú réteg formájában észlelhető, amelynek hősugárzási tulajdonságai az alaptól különböznek. A detektor tehát ezekre a jelenségekre is érzékeny. Következtetések Olyan kísérleti módszert dolgoztak ki, amely termografikus módszerrel lehetővé teszi kompozit anyagokból előállított szendvicsszerkezetek jellegzetes hibáinak kimutatását. Az eljárást rétegelt anyagból készített szélturbinalapát vizsgálatára használták fel. Három jellegzetes hibatípust sikerült azonosítani: ragasztóanyag beszívódása, víz behatolása és kötési hiba. A hiba azonosítása a hibahelyről készült lehűlési görbe és a (habosított) maganyag hőmérséklet-változási görbéjének metszéspontja alapján történhet, miután a görbék eltérő termikus tulajdonságú anyagokat jellemeznek. A lehűlési görbék metszéspontjának hiánya is figyelemre méltó, mert szintén anomáliára enged következtetni. A termográfiai eljárás még olyan esetekben is alkalmazható, amikor a vizsgált felületet nem készítették elő. Ilyenkor a porréteg olyan réteg formájában jelentkezik, amelynek hősugárzási tulajdonságai eltérőek az alapul szolgáló anyagétól. (Dr. Barna Györgyné) Dattoma, V.; Marcuccino, R. stb.: Thermographic investigation of sandwich structure made of composite material. = NDT and E International, 34. k. 8. sz. 2001. dec. p. 515–520. Honlet, M.; Boyce, B. R.: Rapid stress analysis by means of full-field thermoelasticity. = Insight, 43. k. 4. sz. 2001. p. 249–253.
