ガラス繊維および炭素繊維複合材料の超音波試験

Nov 09, 2023

製造におけるグラスファイバーとカーボンファイバー複合材の使用が増えるにつれて、製造の初期段階と使用中の両方で、信頼性の高い非破壊検査の必要性も高まっています。 従来のグラスファイバーは、タンク、パイプ、船体、風力発電ブレード、構造パネル、および同様の製品に一般的に使用されています。 炭素繊維強化プラスチック (CFRP) は、高度な複合材料の軽量性と高強度特性に基づいた軍用機や民間機の設計が増えているため、航空宇宙産業における重要性が着実に高まっています。 これらの材料は、層状レイアップ構造のため、印加された応力または製造異常による脆弱性により、表面に平行に亀裂が発生する可能性があります。 これらの隠れた内部亀裂は構造の完全性に重大な影響を与える可能性があり、通常は超音波以外の X 線撮影や NDT 技術では検出できません。 幸いなことに、超音波検査は、内部欠陥を特定して文書化するための確立された技術を提供します。

超音波探傷と厚さ測定は、波動物理学の単純な原理に基づいています。 トランスデューサと呼ばれる小さなプローブによって生成され、グラスファイバーや複合材料などの固体媒体に結合された高周波音波は、遠くの壁や別の材料などの材料境界に遭遇するまで、表面に垂直な直線で進みます。インターフェース、またはラミネート。 その時点で、音波は予測可能な方法で反射されます。 厚さゲージは音パルスの往復通過時間を測定し、試験材料内でプログラムされた音速を使用して厚さを計算します。 超音波探傷解析では、良品から発生するエコーパターンと試験片からのエコーパターンを比較する比較処理を経てエコーが行われます。 音波は空隙や亀裂から反射するため、エコー パターンの変化は部品の内部構造の変化を示します。 グラスファイバーおよび複合材の試験では、機器は通常、試験片の内部を表すマークされたゲートまたは窓内のエコーの存在を探します。 グラスファイバーと複合材の不均質な性質により、固体材料であっても散乱ノイズ反射が発生する可能性がありますが、その面積が音響ビームの直径に近づく亀裂は、通常、訓練を受けたオペレーターによって認識される強力な局所的兆候を返します。

テスト周波数とプローブのサイズは、検査対象の材料と重大な欠陥パラメータに基づいて選択されます。 一般に、より小さな欠陥を解決するには、より高い周波数とより小さなビーム直径が必要です。 低周波プローブは、材料の奥深くまで侵入し、低密度または不均一な構造の材料における音の散乱と減衰を相殺するために使用されます。 プローブの選択と機器のセットアップは、常に目の前の作業に合わせて最適化する必要があります。

グラスファイバー部品と構造

グラスファイバーは、一般的に 2.25 MHz 以下の周波数、通常、厚さが約 0.5 インチまたは 12.5 mm を超える場合は 0.5 MHz 程度の低周波単一素子トランスデューサを使用する、従来の超音波厚さ計および探傷器で検査されます。 インピーダンス整合遅延線技術を利用した特殊な低周波トランスデューサは、浸透と表面付近の分解能の両方を最適化できます。 材料の総厚さを直接読み取るように設計された厚さゲージは使い方が簡単で、初期設定後のオペレータによる調整はほとんど必要ありません。 従来の探傷器は、A スキャンと呼ばれる音の反射パターンを表示します。このパターンは材料の状態が変化すると変化し、訓練を受けたオペレーターによって解釈されて異常を特定します。 超音波厚さ測定は、層の厚さの変化により製造中に厚さを定期的にチェックする必要があるグラスファイバーマット/ロービングレイアップで特に役立ちます。海洋測量業界では、古い船体に隠れた船体の損傷の可能性をチェックするために亀裂の検出が特に重要です。ボート。

炭素繊維複合材

現代の炭素繊維複合材料は、製造用の先進的な材料を代表するものであるのと同様に、フェーズド アレイ イメージング技術を採用した先進的な超音波機器によって検査されるのが一般的です。 CFRP 部品のサイズ、形状、厚さは大きく異なりますが、一般的に発生する欠陥の性質は疎密波パルスエコー超音波検査に最適です。 材料の不適切なレイアップや衝撃による損傷、意図しない層の落下、埋め込まれた構造によって引き起こされる層状欠陥は、主に表面に垂直な面で発生し、音の反射に最適な形状を表します。

産業用フェーズド アレイ機器は、概念と操作において医療診断用超音波スキャナーに似ていますが、人間の組織ではなく工学材料用に最適化されたプローブとソフトウェアを備えています。 フェーズドアレイ機器は、プログラムされたシーケンスに従って要素が個別にパルス化される複数要素プローブを利用し、ビームを操縦して対象領域全体にビームを掃引する機能を生み出します。 ビームステアリングにより、単一アレイトランスデューサで一連の角度にわたって画像を生成したり（セクタースキャンと呼ばれます）、プローブの長さにわたって移動する固定角度から画像を生成したり（リニアスキャンと呼ばれます）できます。 さらに、アパーチャ（素子グループのサイズ）や焦点距離などのビームパラメータを制御して、単一のプローブで柔軟なセットアップと優れた結果を提供できます。 厚さ 0.125 インチから 1 インチ (3 mm ～ 25 mm) の CFRP 検査用の一般的なリニア アレイ フェーズド アレイ プローブは、合計 24 ～ 128 個の個別素子を備え、3.5 または 5MHz で動作します。

試験片の選択された領域からの信号振幅が、関連する色レベルおよび位置の関数としてプロットされ、C スキャンと呼ばれる平面画像が作成されます。 この C スキャンでは、最小の信号反射に対応する低いスケールの色で表される欠陥のない領域が示されますが、欠陥からの高い信号反射は、カラー スケールで最大に近い色でプロットされます。 この画像データに対して欠陥のサイジングを実行できます。 多くの場合、C スキャン画像は、音響ビームが横方向にスキャンする間に前方向のプローブの動きを追跡する機械的にエンコードされたプローブによって生成され、xy プロット上にデータが作成されます。 電子スキャンと機械スキャンのこの組み合わせは、多くの場合、1 ライン スキャンと呼ばれます。 このシンプルなスキャン方法は高速で完全に移植可能であり、今日のポータブルフェーズドアレイ機器で簡単に実装できます。 プローブとエンコーダの設置面積は非常に小さいため、この方法を使用してさまざまな部品形状からデータのスウォッチを蓄積できます。

大型の平坦または平坦に近い CFRP パネルを検査する場合は、2 軸メカニカル スキャナを使用できます。 一部の高度な機器は、2 軸で位置エンコードされたリニア スキャンを自動的に組み合わせ、従来の単一要素 C スキャンと比較して検査速度を大幅に向上させます。 スキャナーの設計は軽量で耐水性があり、水平、垂直、または逆さまでの操作を可能にする取り付けオプションがあります。 検査データを完全に保存することで、検査後にテスト結果を確認して分析することができます。

従来の UT を使用したアール部品の検査は、カップリングの問題により困難な場合がありますが、直線曲線アレイを使用すると、部品半径に対する法線性を維持しながら、音響ビームを ID または OD 半径の周囲で段階的に移動させることができ、ライブ断面視覚化が可能になります。 適切なプローブの選択は、部品の形状によって異なります。 考慮する必要がある主な要素は、検査タイプ (ID または OD)、コーナーの半径、およびコーナーの角度です。 プローブの選択を絞り込んだら、存在する可能性のある制限領域へのアクセスを確保するために、部品の厚さだけでなく、プローブとウェッジの設置面積も考慮する必要があります。 さまざまな半径に対応するプローブが用意されています。 スキャン中の位置合わせを有効にして維持するには、適切な固定具が必要です。

結論

ポータブル超音波技術の継続的な開発により、グラスファイバーと複合材の非破壊検査において新たなレベルの信頼性、効率性、文書化を提供するツールが誕生しました。 最新のデジタル NDT の他の分野と同様に、この進化は今後も続く可能性があります。

Tom Nelligan は、Olympus Scientific Solutions America (マサチューセッツ州ウォルサム) の超音波厚さ計と探傷器の製品ラインをサポートするシニア アプリケーション エンジニアです。 彼は 1978 年以来、超音波検査の分野で働いています。詳細については、(781) 419-3900 に電話するか、[email protected] に電子メールを送信するか、www.olympus-ims.com をご覧ください。

Daniel Kass は、マサチューセッツ州ウォルサムにあるオリンパス SSA の技術スペシャリストであり、超音波、渦電流、フェーズド アレイ モダリティに重点を置いた非破壊検査分野で 25 年以上の経験があります。 彼は非破壊検査に関する複数の論文や会議でのプレゼンテーションを執筆および共同執筆しており、複数の特許の共同発明者でもあります。 詳細については、[email protected] まで電子メールでお問い合わせください。