турной составляющим напряжения UT. Выходные напряжения амплитудно-фазового анализатора подаются на управляющие пластины осциллографического индикатора ОИ, где отображаются в виде светящейся точки. На экране осциллографического индикатора для примера изображены точки, соответствующие двум значениям толщины покрытия (0 и 0,5 мм), из стеклоэмали (кварца) и фторпласта на стали. В целом методика импедансного теплового контроля подобна соответствующим методикам вихретокового и радиоволнового двухпараметрового контроля по диаграммам, наносимым на экран осциллографа.

Импедансный метод имеет большое преимущество: независимый контроль двух сильно и нелинейно влияющих факторов.

С помощью одностороннего нагрева и регистрации температуры поверхности многослойного изделия можно измерять толщину гальванических покрытий из металлов. Организация такого контроля достаточно проста и эффективна.

Тепловые методы позволяют определять толщину огнеупорного слоя в доменных, мартеновских, стекловаренных и других печах. С помощью термовизора на каждую печь регулярно составляется тепловая карта, показывающая распределение температуры на внешней поверхности печи. Периодический анализ тепловых карт помогает вовремя обнаружить опасное уменьшение толщины конструкционного или теплоизоляционного слоя печи и провести ремонтные работы.

4.7.Дефектоскопия и интроскопия тепловыми методами

Тепловые методы в целях дефектоскопии и контроля внутреннего строения наиболее эффективны, когда контролируемый объект уже нагрет или нагревается в процессе работы или испытаний, что в ряде случаев позволяет выявить дефекты и отклонения от нормы, не обнаруживаемые другими методами. Тепловые методы при соответствующем выборе условий контроля позволяют испытывать изделия из различных материалов (от металлов до пластмасс и керамики), причем как из однослойных, так и многослойных и композиционных материалов. При организации контроля тепловым методом в первую очередь необходимо проверить состояние поверхности контролируемого объекта и тщательно очистить ее от возможных загрязнений. Если есть вероятность появления резкой неоднородности коэффициента теплового излучения за счет инородных включений или разного качества поверхности, следует принять меры к выравниванию его путем покрытия ;< специальными смазками, а если это невозможно, проводить дополнительный контроль другими методами (визуально).

Большинство изделий в процессе изготовления нагреваются и '| охлаждаются, и именно в этих стадиях технологического цикла ; целесообразно проводить неразрушающий контроль тепловым ;методом, что особенно существенно '■ для массивных полуфабрикатов, так как их нагрев и охлаждение занимают значительное время и ограничивают производительность контроля.

Тепловые методы дают наилучшие результаты при выявлении протяженных дефектов, например типа < расслоений или областей из инородных материалов, которые представляют преграду тепловому потоку, и наименее эффективны для одиночных дефектов в виде сфер небольших размеров. Практика теплового контроля показывает, что предельная глубина обнаруживаемого дефекта в виде пустой полости ! примерно равна его удвоенному линейному размеру в направлении, j перпендикулярном распространению теплоты. С помощью теплово- 1 го метода можно обнаруживать дефекты любого направления, если I разместить источник теплоты и первичный измерительный преоб- 1 разователь так, чтобы тепловой поток в контролируемом объекте был направлен по нормали к площадке наибольшего ожидаемого поперечного сечения дефекта. На рис. 4.8 изображено несколько вариантов контроля при различном взаимном расположении источника нагрева НГ, дефектов /—5и приборов Ии И2, И3, регистрирующих темпера-

84

туру или тепловой поток. В зависимости от минимальных размеров дефектов, которые надо выявлять, состояния поверхности контролируемого объекта, используемого нагревателя и других условий, а также требуемой производительности контроля применяют радиационные пирометры или термовизоры. Одноточечные пирометры эффективны при контроле полуфабрикатов и изделий простой формы: нити, проволока, прутки, трубы, пленка и т. п. Сканирующий пирометр удобен в тех случаях, когда полуфабрикат или изделие имеют значительную длину, например труба большого диаметра, лист, полоса, и организовано их движение.

Наибольшую производительность контроля и удобство в расшифровке его результатов, особенно для сложных изделий, обеспечивают термовизоры. При их использовании режим работы можно выбрать так, что форма изотермы на поверхности контролируемого объекта от дефектов, располагаемых неглубоко, будет близка к его проекции на поверхность контролируемого объекта. По мере удаления дефекта от поверхности его изображение размывается. Применение термовизоров особенно эффективно при дистанционном контроле неподвижных изделий с большой поверхностью, таких, как корпуса крупногабаритных изделий, резервуары, трубы большого диаметра, энергетические агрегаты, строения и т. п. Такие изделия целесообразно контролировать по собственному излучению или в нестационарном режиме при самонагреве или локальном внешнем нагреве, что облегчает нагрев зоны контроля и повышает производительность неразрушающего контроля.

Контроль состояния линий электропередачи и наружных теплотехнических трасс является примером проведения дистанционного контроля. При уменьшении поперечного сечения провода линии электропередачи (чаще всего в результате коррозии) или утечках электроэнергии через поврежденный изолятор температура в этих местах возрастает, что может быть легко обнаружено с помощью термовизора, который может быть помещен, например, на автомобиле или в кабине вертолета. Это позволяет оператору весьма быстро проводить контроль линии значительной протяженности. Аналогично может производиться контроль слоя термоизоляции на надземных трубах теплоэлектроцентралей с помощью сканирующего радиационного пирометра (поперек длины трубы) или тепловизора, установленных на автомобиле.

Большие возможности открывают тепловые методы для контроля многослойных изделий со слоями из монолитных или композиционных материалов, где в ряде случаев они могут оказаться незаменимыми при контроле многослойных изделий из легких композиционных материалов. С их помощью выявляются дефекты, которые не обнаруживаются другими методами, например радиографическим, ультразвуковым и электромагнитным, поскольку применение ультразвуковых методов в этих случаях затрудняется волокнистой или мелкодисперсной структурой композиционных материалов, изза чего создаются многократные отражения и происходит сильное затухание ультразвука, а применение рентгеновского излучения неэффективно, наоборот, из-за слабого взаимодействия его с материалом небольшой плотности. При тепловом контроле изделий из композиционных материалов в роли положительного фактора сказывается особенность тепловых процессов, заключающаяся в том, что на результаты контроля ока-

85

зывают влияние усредненные теплотехнические характеристики материала. Разная теплопроводность компонентов многослойного изделия и клеящих веществ дает возможность осуществлять их тепловой контроль как в стационарном, так и в переходном тепловом режимах.

На рис. 4.9 приведен вариант теплового контроля многослойного трубообразного изделия, нагреваемого снаружи (#Л) или изнутри (ЯГг) горячей жидкостью или специальным нагревателем. Температура внешней поверхности многослойного изделия МИ зависит от качества сцепления слоев между собой и особенно сильно изменяется в областях, где имеются расслоения и непро-клеи между слоями (/, 2, 3) или участки материалов с низким качеством (4, 5, 6). В слоях из композиционных материалов помимо пустот (6) и расслоений надежно обнаруживаются дефекты в виде участков с избытком или недостатком какого-либо компонента материала (4),участки с не полностью полимеризовавшимся веществом, скопление пузырей и пор (5), раковины (6),трещины (7) и др. Тепловые методы дают хорошие результаты при контроле сложных изделий в виде сотовых конструкций, где обнаруживаются такие дефекты, как расслоение, непроклей, избыток клея, а также дефекты в слоях наружных листов или дистанционирующего элемента и др.

Термовизор в этих случаях показывает области, где имеются указанные дефекты, причем особенно четко выделяются участки с непроклеенными ячейками при нагреве сотовых изделий с любой стороны. Контроль таких изделий возможен и в различных эксплуатационных устройствах, когда дополнительно можно обнаруживать наличие жидкости (воды) внутри сот.

Тепловыми методами можно определять качество сварки, особенно контактной (точечной или роликовой) электросварки листов. В месте соединения двух листов образуется литое ядро, обеспечивающее хорошую передачу теплоты от одного листа к другому. Если ядро не монолитно, а загрязнено шлаком или пузырьками воздуха, то прохождение теплоты будет затруднено и термограмма вдоль линии, проходящей через ядра, будет иметь участки с повышенной или пониженной температурой (кривая с всплеском или двугорбая кривая). Качество сварки можно определять в технологическом цикле при остывании сваренного изделия или импульсном нагреве движущегося объекта в нестационарном режиме, что позволяет четко выявлять пороки сварки по изменению формы кривой зависимости температуры от времени и подлине.

Листы, сваренные встык, должны иметь сварной шов, свойства которого мало отличаются от свойств свариваемых листов. Поэтому, нагревая один лист недалеко от сварного шва и поддерживая неизменной температуру другого листа, по распределению температуры в направлении, перпендикулярном к сварному шву, или по ее перепаду до шва и после него можно судить о качестве сварки. В качественно сваренной конструкции градиент температуры изменяется незначительно и монотонно, а в случае неполного проплавления, наличия множественных пор, шлаковых включений или трещиноватости из-за изменения теплотехнических свойств в зоне сварного шва будет происходить резкое изменение температуры с максимумом градиента температуры в районе сварного шва.

Важной областью применения тепловых методов является контроль дорожных со-

86

оружений, например, с целью обнаружения пустот под покрытием аэродрома или в массе застывшего бетона, для чего может быть использован нагрев солнечной энергией и регистрация термографом или термовизором.

Для контроля материалов, полуфабрикатов и изделий, прозрачных в инфракрасном диапазоне, таких, как полимерные материалы, синтетические смолы, пластмассы, гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, пластины из германия или кремния, помимо упоминавшихся ранее методов могут быть использованы методы оптического контроля с облучением материала, полуфабриката или изделия инфракрасным светом от специального источника..

На рис. 4.10 приведено несколько термограмм для качественных и дефектных резисторов при их нагреве постоянным током. Разрешающую способность, получаемую при таком контроле, хорошо характеризует наличие зубчатости на термограмме проволочного резистора (рис. 4.10, г),которая определяется тем, что он намотан высокоомным проводом диаметра 0,02 мм. Дефекты в резисторах обнаруживаются под слоем лакового покрытия путем сравнения термограмм с эталонным распределением температур для качественного резистора. Изучая термограммы, можно легко определять (рис. 4.10) косые и поперечные дефекты в токопроводящем слое, неравномерность толщины этого слоя или диаметра провода, неплотности i напрессовке выводов и т. д.

Другим примером удачного применения сканирующего радиационного пирометра является испытание крупногабаритных изделий статоров мощных электрогенераторов. Их испытания осуществлялись при нагреве обмоток пропускаемым по ним электрическим током, а сканирующая часть термографа типа «Статор-1М>: размещалась в центре электрогенератора и перемещалась по его длине. На термограммах четко определяются пазы с дефектными проводами, а также провода, плохо соединенные с выводами, подключенными к источнику питания, что дает возможность устранить имеющиеся дефекты до выполнения окончательного монтажа электрогенератора.

Интроскопия предполагает для изучения строения контролируемых объектов визуализацию теплового поля и определение характерных особенностей или параметров внутри контролируемого объекта, недоступных непосредственному наблюдению или измерению. Использование тепловых методов возможно в тех случаях, когда наружные части контролируемого объекта достаточно прозрачны для теплового излучения, а интересующие детали или элементы конструкции полупрозрачны или непрозрачны. В таких случаях изучение внутреннего строения изделий производится с использованием средств оптического контроля с помощью индикаторов, преобразователей и в необходимых случаях с применением источников инфракрасного излучения. Если внешние слои контролируемого объекта непрозрачны для инфракрасного излучения, то приходится визуализировать отображения внутреннего теплового поля изделия на его внешнюю поверхность, что существенно снижает четкость выявления внутренних деталей и тем сильнее, чем больше толщина и теплопроводность внешнего слоя.

87

Рис. 4.10 Контроль резисторов по деталей, узлов или блоков. Нараспределению температуры: а —резистор; б-нормальная термограм-пленочного резистора; в — утолщение д — компонентов, в частности от резисторов.

Успешно решаются задачи интроскопии, когда изучение строения в видимом диапазоне затрудняет или делает невозможным слои некоторых газов (дым, туман, пыль), жидкости (нефть, отдельные непрозрачные в видимом свете растворы) или твердые вещества, хорошо пропускающие инфракрасное излучение (синтетические смолы, полимерные материалы, германий, кремний, различные смеси). Частным случаем такого контроля является анализ качества непокрытых изделий, которые в видимом свете дают малоконтрастное или неинформативное изображение. Для контроля строения различных изделий используют термочувствительные вещества, термовизор, микротермовизор, радиовизор и инфракрасные микроскопы. Тепловые методы интроскопии можно использовать для определения формы и расположения неоднородностей обработки различных протяженных объектов (листы, полотна, трубы и др.). Так, легко различаются области неполной полимеризации синтетических пленок, «горячие» пятна бумаги, зоны изменения состава композиционных материалов. Наличие такой информации не только дает сведения о качестве, сортности продукции, но и позволяет корректировать в необходимых случаях технологический процесс и улучшить экономические показатели, например, путем правильного раскроя заготовок из листов и труб.

Важной областью применения интроскопии является контроль сложных изделий и объектов радиоэлектроники и микроэлектроники. Известно применение тепловых методов для контроля многослойных печатных плат, где определяется утонение, подтравливание и отслаивание печатных проводников как на наружных, так и на внутренних слоях. В микроэлектронных изделиях с помощью микротермовизоров и инфракрасных микроскопов удается изучать особенности различных областей в слоистом полупроводнике и даже изменение от значения электрического напряжения ширины зоны запирающего слоя р-n-перехода.

Тепловой контроль радиоэлектронной аппаратуры обычно производится в номинальном или в предельных электрических режимах. Типичным вариантом такого контроля может быть испытание радиоэлектронных блоков, смонтированных на печатных платах с помощью термовизора. Информация о распределении температур на экране термовизора изучается оператором и поступает на блок логической обработки информации, а затем вводится в ЭВМ, где заложена информация о нормальном изделии и о допустимых отклонениях температур на разных участках платы. Переработанная ин-

88