摘要:本文对大厚度金属增强橡胶复合材料制品内部普遍存在的夹杂、孔洞等缺陷及金属增强结构排布情况,分别利用射线、超声等无损检测手段对变厚度预置缺陷试样、平板预置缺陷试样进行探伤试验,初步验证了现有常规无损检测技术在大厚度金属增强橡胶复合材料内部缺陷检测方面的可行性。
关键词:金属增强橡胶;无损检测;射线检测;超声检测
引言
金属增强橡胶复合材料作为一种结构功能材料,与传统单一橡胶材料相比具有更好的抗弯、抗冲击等力学性能,与金属材料相比,在减振抑振及声学性能方面具有不可比拟的优势。因此,金属增强橡胶复合材料制品作为一种新型复合材料,正逐步在海洋船舶领域得到广泛关注,并有望替代金属成为某些核心部件的主要结构材料。然而,对于大厚度金属增强橡胶复合材料,在制备过程和使用过程中其内部可能会出现不同形式的缺陷,影响结构本身的安全使用。复合材料的可靠性分析日趋重要,而无损检测技术则是可靠性分析中不可缺少的前提条件。金属增强橡胶复合材料制品在硫化前预制过程中,如果胶与胶、增强丝网与胶之间夹杂油污或污垢,或者受其大厚度影响帘布与胶之间的气体在硫化时没有完全排出,制品内部就会产生夹杂和孔洞等缺陷。制品内部的缺陷极易导致其在使用过程中断裂,并由此引发海水沿着断裂处进入制品内部,对金属增强结构造成腐蚀。对于大厚度金属增强橡胶复合材料制品,由于其厚度较大且内部存在多层帘布增强层,激光无损检测技术对位置较深的缺陷检测灵敏度低,且对较大尺寸的金属增强橡胶复合材料样品加载也存在一定困难,成本较高。大厚度金属增强橡胶复合材料制品由于其应用场合及形状规格的特殊性,在国内属于新型产品[1]。常规的、单一的无损检测技术用于该类制品探伤的可行性不得而知,而可用的新技术新检测手段仍处于研究探索阶段,技术成熟度较低。鉴于上述原因,本研究拟以目前常规的超声检测、射线探伤、渗透探查、磁粉检测和涡流检测等无损检测方法为检测手段,依据金属增强橡胶复合材料制品的特点及缺陷形式,通过预置缺陷试样,采用综合判据的方法验证传统手段用于新型产品探伤的可行性。
1预置缺陷样品制备
平板试样的尺寸为300mm×300mm×35mm,试样以橡胶作为基体材料,内部分布多层十字交叉网状钢丝,钢丝直径约为2mm;通过在平面上增加斜坡形成以改变厚度,最大线性尺寸为460mm×247mm,厚度方向尺寸为30~90mm。平板试样和变厚度试样两种预置缺陷试样的材料性能及内部丝网排布结构一致。平板试样的缺陷形式为片状夹杂缺陷,缺陷形状有方形和圆形。内部共设置5个缺陷位置,分别位于方形板四个顶角及中心位置,缺陷深度位于平板中间层位置,方形缺陷边长分别为20mm和10mm,圆形缺陷直径D分别为5mm、2.5mm、10mm。其中,变厚度试样内部缺陷呈条形分布,共计4列,每列缺陷共3个,从上至下分别为方形L=10mm、圆形D=5mm、圆形D=2mm。变厚度试样每一列的3个缺陷深度一致,4列缺陷深度从左至右依次为72mm、58mm、42mm、25mm。
2超声检测
超声无损检测技术是复合材料非常重要的检测手段,其使用的检测频率通常为0.5~25.0MHz。超声波在复合材料内部传播过程中遇到材料内部缺陷时,由于缺陷的声阻抗与材料的声阻抗不同,超声波在缺陷处被反射(或散射),从而出现缺陷波信号,根据超声反射信号幅度,可检测材料内部缺陷。此法能够检测出复合材料中的裂纹、孔隙、分层等缺陷。超声脉冲反射法是超声检测的常用方法,也是本研究所采用的方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆超声脉冲通过探头发射进入待检测材料,并对反射和穿透信号进行分析,以得到材料结构的相关信息。采用一个探头兼作发射和接收器件,接收信号在探伤仪的荧光屏上显示,并根据缺陷及底面反射波的有无、大小及在时基轴上的位置来判断缺陷的有无、大小及方位。例如,超声平面波由水中垂直入射到水/钢界面。用于自动化检测的设备通常使用3种耦合方式,使从探头发射的超声有效进入待检样品,它们分别是接触法、水浸法和喷水法,本研究采用接触法进行试验。利用超声波特性,结合运动控制系统进行自动化扫查,并记录每一个位置对应的超声波变化,利用软件处理,可以画出超声波回波的变化。超声波在致密材料中传播遇到异质界面时,会发生反射折射等现象。当出现反射时,缺陷面回波的幅值比正常位置的幅值高。超声检测所用设备为全自动超声水浸探伤系统(型号PUK-T48),探头频率为5MHz。检测中耦合剂为洁净水,水温大约控制在10~35℃。超声波在遇到缺陷时能够产生明显回波。根据回波特性及最终结果处理,能够对预置缺陷进行定位检测。同时,根据检测结果,除了预置缺陷外,也发现了试样在制备过程中存在的自然缺陷。由于变厚度试样中预置缺陷呈条形分布,探伤检测时应逐列进行检测。从检测结果可以看出,对于变厚度试样中的预置缺陷,超声检测仍能够检出缺陷位置。由于试样厚度较大,且呈斜坡形式,部分缺陷检测位置和大小与实际预置缺陷存在差异。制备不同厚度尺寸、缺陷大小、缺陷深度的试样并进行超声检测,验证超声检测方法在检测具有金属增强橡胶构件中夹杂形式缺陷的可行性。综上可知,预置缺陷试样内部缺陷最小尺寸为2mm,试样最大厚度为90mm时,超声检测设备能够检测该类构件内部尺寸2mm以上的夹杂或孔洞缺陷,且能得到较为满意和理想的检测精度和效果。从检测结果来看,超声探伤技术仅能够检测到试样内部的夹杂或孔洞缺陷,无法检测到金属增强橡胶内部的金属增强结构。
3射线检测
射线检测在工业领域已得到了广泛应用。其原理是根据射线穿过不同材料时衰减量不同而引起透射射线强度的变化,在胶片上呈现明暗不同的影像,从而检测出被测物体中存在的缺陷。由于超声探伤技术无法检测到金属增强橡胶内部的金属丝网结构,因此对制品利用射线进行探伤检测。射线探伤的制品除了上述两种结构外,为了检验射线检测在孔洞缺陷检测方面的可行性,将制品内部分钢丝抽出形成孔洞缺陷。射线检测中所用设备为X射线机,型号RF200EG,检测条件为透照电压70kV,曝光时间4min,焦距1000mm。试样在钢丝抽出后,由于孔洞与基体材料间密度上的较大差异,钢丝抽出导致的条形孔洞缺陷十分明显,且在钢丝未抽出部分也能够清晰看到钢丝的排布和走向。从检测结果来看,射线探伤技术仅能够检测到试样内部的钢丝排布及孔洞缺陷,无法检测到金属增强橡胶内部的夹杂缺陷[2]。因此,射线检测方法能够用于大厚度金属增强橡胶制品内部孔洞及增强丝网的无损检测,无法检测内部夹杂缺陷。通过对不同尺寸大小的预置缺陷试样进行射线检测可知,对于大厚度金属增强橡胶制品,射线检测方法能够识别出直径为2mm(内部钢丝直径为2mm)左右的孔洞缺陷,同时也可以清晰识别内部丝网结构。
结束语
(1)可使用超声探伤检测技术检测大厚度金属增强橡胶复合材料制品内部尺寸为2mm以上的夹杂和孔洞缺陷。
(2)可利用射线检测方法检测内部钢丝排布或孔洞。
(3)对于新型大厚度金属增强橡胶复合材料制品,仍可利用常规检测技术的综合使用达到内部缺陷检测的目的。
参考文献:
[1]李拓,白鸿柏,路纯红. 金属橡胶复合材料的低频吸声性能[J]. 期刊论文,2017,41(7):39-42.
[2]张惠玲,张铁夫,江玉朗,等. 大厚度复合材料制件(内埋金属)的超声检测分析[J]. 宇航材料工艺,2015,45(4):118-121.
论文作者:石华洲,晏得才
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/1
标签:缺陷论文; 试样论文; 厚度论文; 超声论文; 橡胶论文; 复合材料论文; 金属论文; 《基层建设》2018年第27期论文;