ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

А.С.Липкин, А.С.Богомолов

Применяемые в настоящее время методы неразрушающего контроля изделий, такие как ультразвуковые, рентгеновские, радиографические, магнитные, люминесцентные и другие, во многих случаях полностью не удовлетворяют требованиям, предъявляемым промышленностью. Перспективным методом для выявления поверхностных и приповерхностных дефектов является голографическая интерферометрия оптического диапазона. В работе рассмотрены теоретические и экспериментальные аспекты голографической дефектоскопии.

Величина нагрузки, деформирующей объект, выбирается таким образом, чтобы материал изделия работал в упругой стадии. С помощью голографической интерферометрии выявляются пустоты, каверны, трещины, волосовины, разрывы, расслоения, различные включения и параллельно можно оценивать ползучесть и определять усталостные деформации.

Уже сейчас серийные голографические дефектоскопы (США, ФРГ) определяют дефекты в сотовых и многослойных авиационных конструкциях. Лучшие результаты в голографической дефектоскопии получены при контроле тонкостенных, легко деформируемых изделий.

Кратко остановимся на постановке задачи в голографической дефектоскопии на основе общей теории упругости и механики оплошных сред.

Рассмотрим изотропное упругое тело. Как было указано выше, для деформирования тела может быть использовано статическое или динамическое нагружение.

В случае статической нагрузки (для простоты считаем, что массовые силы отсутствуют - это допущение не меняет сути рассуждении) упругие перемещения изотропного тела, следующего закону Гука, подчиняются векторному управлению:

(1)

В скалярной форме уравнение (1) соответствует системе трех уравнений. Уравнение (1) - уравнение элептического типа. В качестве граничных условий на поверхности задаются перемещения или усилия, соответствующие задачи Дирихле или Неймана. Для этих краевых задач характерна тенденция к сглаживанию возмущений по мере удаления от генерирующих их источников. В теории упругости эта тенденция приводит к так называемой концентрации напряжений около жестких включений, каверн и других дефектов, которая, однако, быстро убывает по мере удаления от этих неоднородностей. Однородное поле напряжений (деформаций) резко возмущается вблизи дефектов, а затем быстро успокаивается. Поэтому поверхностные и приповерхностные дефекты легко визуализируются при соответствующем подборе направления нагружения. В случае, когда источником возмущения является дефект, достаточно удаленный от поверхности детали, его влияние на поле напряжений, а следовательно, на поля деформаций и перемещений, может быть исчезающе малым на поверхности.

(2)

Основные этапы экспериментального решения этой задачи разбиваются на следующие этапы:

1) теоретическое определение частоты основного тона принятого вида собственных колебаний эталона;

2) возбуждение тела на этой частоте с регистрацией знакопеременных поверхностных смещений на голографическую интерферограмму.

Те же операции производят с исследуемым изделием, а затем сравнивают интерферограммы эталона и контролируемой детали. Нетождественность интерференционной картины снятых голографических интерферограмм свидетельствует о наличии дефекта внутри детали, а тождественность - об отсутствии дефектов. Таким образом, теоретически показано при динамическом воздействии возможность отбраковки даже массивных изделий.

Экспериментальным обоснованием теоретических положений, при-

веденных выше, являлись эксперименты со стальной пластиной, в которой на глубине 1,5 мм от поверхности был смоделирован внутренний дефект в виде отверстия диаметром 1 мм (рис.1).

Рис.1. Пластина.

Эталоном служила идентичная пластина без дефекта. Вначале эта пластина подвергалась статической нагрузке - поперечному изгибу. Интерференционная картина, соответствующая эталонной пластине, носила абсолютно регулярный характер (рис.2а), а на интерферограмме исследуемого образца при достаточном увеличении можно заметить слабое нарушение регулярности полос, выразившееся в изломе полос на месте нахождения дефекта (рис.2б).

Затем в этих жe пластинах возбуждались поперечные колебания (частота основного тона определена теоретически), размах колебаний 4 мк (амплитуда 2 мк), частота 2700 гц.

На рис.3а,б приведены интерферограммы, полученные методом усреднения во времени.

Резкое отличие колебаний, наблюдаемых на интерферограммах, подтверждают теоретические выводы, приведенные выше.

Были проведены эксперименты по определению спровоцированных в паяном соединении дефектов.

На рис.4 приведен эскиз пластин, соединенных пайкой, причем непролуженные участки находились на поверхности между 2-й и 3-ей пластиной.

На рис.5 приведена голографическая интерферограмма пластин с непропаянными участками.

Рис.2. Голографические интерферограммы пластины, подвергнутой поперечному изгибу:

а) без дефекта (эталона), б) с дефектом;

Д - область локализации дефекта.

Рис.3. Голографические интерферограммы колеблющихся с частотой 2700 гц пластин:

а) эталонной; б) дефектной.

Рис.4. Эскиз пластин с непропаянными участками.

Рис.5. Голографическая интерферограмма пластин со спровоцированными дефектами в пайке.

Паянное соединение в электронном изделии при пропускании через него электрического тока нагревалось. Наличие скрытых дефектов в спае вызывало локальные перегревы. В эксперименте электронные изделия нагревались и изменения микрорельефа поверхности соответствовали изменениям температурного рельефа их поверхности.

На рис.6а,б приведены голографические интерферограммы нагреваемых электронных изделий.

а) б)

Рис.6. Голографические интерферограммы нагреваемых электронных изделий с бездефектным спаем (а) и дефектом в спае (б).

Контроль качества полуцилиндрических вкладышей подшипников скольжения, полученных методом холодной прокатки стальной и бронзовой ленты, осуществлялся методом голографической интерферометрии. На рис.7 показана схема нагружения вкладышей подшипников скольжения, осуществляемое при статическом приложении нагрузки.

На рис.8 приведены голографические интерферограммы вкладышей подшипников скольжения.

Следующей задачей являлось определение чувствительности и разрешающей способности голографической интерферометрии. Для этой цели были выбраны образцы сотовой панели. На рис.9 приведены интерферо-

Рис.7. Вкладыш подшипника в нагрузочном устройстве.

Рис.8. Голографические интерферограммы вкладышей подшипников скольжения:

а) без дефекта, б) дефект - расслоение.

Рис.9. Голографические интерферограммы обшивок образцов сотовых панелей:

а) без дефекта, соединяя обшивки с сотоблоком;

б) с дефектом - непроваром между обшивкой и сотоблоком.