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NDT理論
Multi-mode Adhesive Bond Testing
特別な材料を試験するための最良モードや欠陥タイプを工場や実験室でプリセットしておき、現場で呼び出すことができます。オペレータが適切なトランスデューサを接続すると、ユニットは適切なモードを設定します。その後、ユーザーはプログラムや感度を設定することができます。
プログラムが、その特定用途に設定されていない場合、オペレータは使用する試験方法とトランスデューサを判断しなければなりません。そのモードはトランスデューサの接続を自動で行います。ユーザーはその後、特定の接着較正基準に従って多層構造材を評価するために必要なパラメータを設定します。
層間剥離は、共振試験方法を使用すると素早く検出できます。この方法もまた多種の非接着状態を検出します。設定と操作は複雑で、接触媒質を必要とし、多層構造材のスキャンは困難になっています。また、特定の複合材では、液体接触媒質が使用できない場合があります。薄膜複合材の非接着または層間剥離を検出するには、この試験方法が特に適しています。試験モードや周波数の具体的な情報は、本レポートのアプリケーションに記載されています。
共振モード共振モードは、特別な狭帯域のコンタクトタイプ超音波トランスデューサを使用します。この試験は材料と音響的に接合したとき、高共振水晶振動子超音波トランスデューサのインピーダンスの変化を読み取って応用したものです。トランスデューサが測定した電気インピーダンスは、試験サンプルの音響インピーダンスの影響を受けます。接着不足があると、特定の複合材の音響インピーダンスが変化します。
板厚さが音波の波長の奇数倍に等しい場合、非接着部分は振動する薄板のような反応を示して、定在波を発生させます。
図2は、試料の非接着多層構造材と接合した共振トランスデューサおよび、その結果生じる定在波を示します。
図2 薄板または非接着多層構造材の共振定在波
音響インピーダンスは、「a」が反射率定数、「ß」が相変化、「t」が板厚、「k」が波数とするとZ＝rVtanh [a +I (ß +kt)]という関係になります。
接着接合多層構造材において、非接着で引き起こされる有効な厚さの変化は、トランスデューサの共振周波数で信号の位相と振幅にはっきり影響を及ぼします。多層構造材では、位相は図3で示す通り、非接着層の深さに関係します。
図3 多層非接着試験
測定器は、周波数レンジでスイーピングして、さらに位相を変更することにより、空中でトランスデューサの共振周波数を自動的に選択します。その後、探傷器は実行モード中、その周波数で動作します。
a. 接着 b. 非接着 図4 266kHz時の25milの黒鉛エポキシ層の位相－振幅表示 トランスデューサの周波数は、表面薄層の厚さや材料と比較して選択します。 層が薄くなればなるほど、非接着試験に対する感度を良くしなければならないため、トランスデューサの周波数を高くする必要があります。
使用するトランスデューサの周波数は、層の音響インピーダンスに比例します。黒鉛やファイバーグラスのような低インピーダンスの材料は、「Z」をインピーダンス、「r」を密度、「V」を材料音速とするとZ＝rVという関係になり、金属表面薄層より低い周波数トランスデューサが必要になります。薄層や金属層で使用する高周波数を使用するほとんどの接着試験には、35 kHzから500 kHzの範囲の周波数が適しています。
ピッチキャッチ・スイープモードピッチキャッチ・スイープ試験は、20 kHz～40 kHzの範囲の低周波数の電子スイープを利用して送信トランスデューサを励起し、試験サンプルに超音波を発生させます。送信側からある設定距離だけ離した受信トランスデューサは、図5で示すように試験部分に伝播する波動を受け取ります。超音波は、2つのトランスデューサのチップ間の試料全体にラム波モードで伝達されます。反射信号が検出され、伝搬経路に正常接着と不良接着を示す位相対振幅表示が示されます。
図5 ピッチキャッチセンサ
掃引周波数は、図6で示すようにマイナー共振ループを持つ、ほぼ円形のパターンを示します。
図6 ピッチキャッチ信号表示 ラム波は、接合多層構造材の第2層に達すると減衰するため、これらの信号は小さくなります。非接合領域では、波動は少量の減衰とバッキング材への漏出を起こしながら板の中を伝わって行き、より大きな信号パターンが表示されます。検査は、層の波形伝搬のプライマリーモードが図7で示すように、振動する斜対称ラム波モードによって起こることを示しています。
図7 斜対称ラム波モード その他のモードは少ないエネルギーで、時々観察できるマイナーループのいくつかで構成される場合があります。それらは境界効果が原因と考えられています。しかし、これらのマイナーループと接着状態または非接着サイズとのはっきりした相関関係は、認められていません。
ラム波の伝播速度または位相速度は、個々の板材の周波数または層厚さの関数として扱うことができます。これらの分散曲線は、図8に示しています。Horace Lamb氏によって最初に立証され、D. C. Worlton氏により複数の超音波周波数で検証され、Viktorovによって説明されました。
図8 アルミニウム板のラム波モード
接着試験中に複数低周波数および層厚さが示す関心領域は、最大傾きを示す斜対称モードの最左端にあります。この領域がアルミニウム膜に対して表された場合は、図9のようになります。
図9 ノーマル試験領域（斜対称モード）
図10 ピッチキャッチ・スイープ信号パターン
ピッチキャッチ・インパルスモードこの方法は、信号周波数のショートバースト波を利用する以外は、スイープ試験とよく似ています。
試験対象の層厚さや材料の最大曲線パターンを得るために周波数を選択します。さまざまな時間ゲートは、トランスデューサが接着エリアから非接着エリアをスキャンするとき、振幅の最大変化を示す受信パルスを指定するために使用されます。
通常、周波数と感度は最大信号を得るために非接着部分で調整されます。そして接着された多層構造材で信号は比較されます。正常接着エリアの信号がはっきりと小さくなったとき、ゲートはその信号の遅延時間に設定されます。時間対振幅を示すこの表示が使用でき、アラームは選択した振幅高さに設定できます。
別の方法として位相 / 振幅表示を使用する方法があり、アラームは振幅のみ、または位相と振幅のどちらかに設定できます。2つの表示モードは、図11および12に示されています。 図11 インパルスモードの時間基準表示
図12 インパルスモードの位相－振幅表示 ピッチキャッチRFモードこの方法は、受信信号が振幅検出器または位相 / 振幅検出器をバイパスする以外、インパルス試験とよく似ています。周波数は、試験対象の層厚さや材料の最大変化曲線パターンを得るために選択されます。さまざまな時間ゲートは、トランスデューサが接着エリアから非接着エリアをスキャンするとき、振幅の最大変化を示す受信パルスサイクルを指定するために使用されます。 振幅は、板または層の変化パターンが接着された多層構造材で制限されるので、非接着部分ではより大きくなり、エネルギーは基材の中へと失われます。
さらに別の方法として位相 / 振幅表示を使用する方法があり、アラームは振幅のみ、または位相と振幅のどちらかに設定できます。2つの表示モードは、図13および14に示されています。
MIAモード機械的インピーダンス分析による試験方法では、単一構造のデュアルエレメント・トランスデューサを使用します。プラスチックコーンを通して試料に接合されるドライブエレメントとウェアシューは、その部分の中に可聴音波を発生します。MIAトランスデューサの外観は、図15に示しています。そのトランスデューサの構造は、図16に示しています。
図15 MIAトランスデューサ
受信トランスデューサの装填部は、信号振幅と位相に影響を及ぼします。周波数が層の共振周波数に近づくか、それ以上になると変化は増加したり減少したりします。設定中、駆動周波数が2.0kHz～10kHzの範囲でスイープ試験周波数を設定できます。オペレータは、正常接着と不良接着の位相または振幅で大きな差異がある周波数を選択します。以後、試験はこの固定周波数で行われます。図18は周波数スイープ表示を示し、図19は通常の固定周波数の振幅表示を示しています。
図19 MIA固定周波数 / 振幅の表示
テフロン挿入物が試用された欠陥サンプルでは、挿入物が擬似の非接着部分を硬化させてしまいます。このため、このタイプの欠陥に対する感度が大幅に落ちるので、MIA方法では素早い検出ができなくなる可能性があります。実際の非接着欠陥は、すぐに検出可能です。
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添付資料
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