Особенности работы толщиномера на пластике и композитных материалах

Оглавление

• 1. Введение
• 2. Физические основы ультразвукового измерения толщины пластиков
• 3. Особенности работы толщиномера на однородных пластиках
• 4. Контроль композитных материалов и многослойных структур
• 5. Измерение толщины композитных покрытий
• 6. Применение в автомобильной промышленности (автомобильный пластик)
• 7. Калибровка, настройка и выбор режима работы
• 8. Типичные ошибки и способы их предотвращения
• 9. Нормативные требования и рекомендации
• 10. Заключение

1. Введение

Ультразвуковой толщиномер широко применяется для неразрушающего определения толщины стенок изделий из металлов. Однако современное производство всё чаще использует пластики и полимерные композиционные материалы. Эти материалы обладают существенно иными акустическими свойствами по сравнению со сталями и сплавами. В результате привычные настройки приборов, рассчитанные на металлы, дают значительные погрешности или вовсе не позволяют получить достоверный результат.

Работа толщиномера на пластике и композитах требует понимания физики распространения ультразвуковых волн в материалах с низкой скоростью звука, высоким коэффициентом затухания и выраженной анизотропией. Особенно это важно при контроле деталей из термопластов, стеклопластиков, углепластиков, а также при измерении толщины композитных покрытий и элементов автомобильного пластика.

Настоящая статья посвящена практическим особенностям ультразвукового контроля толщины таких материалов. Рассмотрены физические основы метода, влияние свойств пластиков и композитов на результаты измерений, специфика работы с однородными и многослойными структурами, а также вопросы калибровки и типичные источники ошибок.

Основные принципы ультразвуковой толщинометрии металлических и неметаллических материалов изложены в ГОСТ Р ИСО 16809-2015 и вступившем в силу ГОСТ ISO 16809-2022 «Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль толщины». Документы устанавливают общие требования к измерению толщины на основе времени прохождения ультразвуковых импульсов и распространяются как на металлы, так и на неметаллические материалы.

2. Физические основы ультразвукового измерения толщины пластиков

Ультразвуковой толщиномер работает по эхо-импульсному принципу. Преобразователь излучает короткий ультразвуковой импульс, который проходит через материал, отражается от противоположной поверхности (донный эхо-сигнал) и возвращается к приёмному элементу. Прибор измеряет время двойного прохождения волны \( t \) и, зная скорость распространения ультразвука в материале \( v \), вычисляет толщину:

где \( d \) — толщина материала, \( v \) — скорость продольной волны, \( t \) — время прохождения импульса туда и обратно.

В металлах скорость звука относительно высока и стабильна (для углеродистой стали примерно 5900–5920 м/с). В пластиках и полимерных композитах ситуация принципиально иная.

Скорость распространения ультразвука

Скорость продольной ультразвуковой волны в большинстве конструкционных пластиков лежит в диапазоне 2000–2800 м/с, то есть почти в 2–3 раза ниже, чем в стали. Типичные ориентировочные значения приведены в таблице.

Эти значения являются усреднёнными. Реальная скорость зависит от марки материала, степени кристалличности, наполнителей, ориентации молекулярных цепей или армирующих волокон, температуры и влажности. Поэтому использование «табличного» значения без калибровки на конкретном материале почти всегда приводит к систематической погрешности.

Затухание ультразвука

Пластики и особенно композиты характеризуются значительно более высоким коэффициентом затухания, чем металлы. Затухание растёт с увеличением частоты. В результате высокочастотные преобразователи (10–15 МГц и выше), хорошо работающие на тонких металлических стенках, часто оказываются непригодными для пластиков толщиной более нескольких миллиметров.

Для большинства пластиков и стеклопластиков оптимальный частотный диапазон лежит в пределах 1–5 МГц. Для толстых сечений и материалов с особенно сильным рассеянием (например, крупноячеистые композиты или материалы с высоким содержанием пор) применяют частоты 0,5–2 МГц. Более высокие частоты (5–10 МГц) допустимы только при контроле тонких однородных пластиков с хорошим акустическим контактом.

Акустический импеданс

Акустический импеданс пластиков значительно ниже, чем у металлов. Это влияет на коэффициент отражения на границе раздела «преобразователь — материал» и на эффективность передачи энергии. Поэтому особое внимание уделяется выбору контактной среды (акустического геля или жидкости) и состоянию поверхности.

Формула акустического импеданса:

где \( \rho \) — плотность материала, \( v \) — скорость звука. Низкий импеданс пластиков приводит к тому, что даже тонкий слой воздуха между преобразователем и поверхностью сильно ослабляет сигнал. Отсюда жёсткие требования к качеству акустического контакта.

3. Особенности работы толщиномера на однородных пластиках

Под однородными пластиками понимаются термопласты и реактопласты без армирующих волокон или с минимальным содержанием наполнителей, распределённых относительно равномерно. К ним относятся полиэтилен, полипропилен, АБС, ПВХ, полиамиды, поликарбонат и ряд других материалов, широко применяемых в производстве труб, ёмкостей, корпусных деталей и элементов автомобильного пластика.

Выбор преобразователя

Для однородных пластиков чаще всего используют раздельно-совмещённые (сдвоенные) преобразователи. Они обеспечивают лучшую разрешающую способность в ближней зоне и позволяют измерять относительно небольшие толщины (от долей миллиметра). Совмещённые преобразователи применяют при контроле более толстых стенок, когда требуется большая глубина проникновения.

Рекомендуемые частоты:

• тонкие изделия (до 5–8 мм) — 5 МГц;
• средние толщины (8–20 мм) — 2–2,5 МГц;
• толстые стенки и материалы с повышенным затуханием — 1–1,5 МГц и ниже.

Влияние температуры

Скорость ультразвука в пластиках заметно зависит от температуры. При нагреве скорость, как правило, снижается. Изменение может достигать нескольких процентов на каждые 10 °C. Если калибровка выполнялась при одной температуре, а измерения — при другой, возникает дополнительная погрешность. В производственных условиях рекомендуется либо поддерживать стабильную температуру, либо вводить температурную поправку, либо проводить калибровку непосредственно перед измерениями на образце той же температуры.

Состояние поверхности

Шероховатость, наличие рисок, загрязнений, остатков разделительных составов или тонких покрытий существенно ухудшает акустический контакт. Перед измерением поверхность следует очистить. В ряде случаев требуется лёгкая зачистка или применение более вязкой контактной среды.

Для сильно искривлённых поверхностей (трубы малого диаметра, рёбра жёсткости) применяют преобразователи малого диаметра или специальные миниатюрные зонды. При радиусе кривизны менее 20–25 мм точность измерения может снижаться из-за неполного контакта рабочей поверхности преобразователя.

Многократные отражения

В тонких пластиках часто наблюдаются многократные донные отражения. Современные толщиномеры позволяют работать в режиме измерения по нескольким эхо-сигналам (режим 2 или 3 по классификации ГОСТ Р ИСО 16809). Это повышает точность и позволяет частично компенсировать влияние толщины контактного слоя.

4. Контроль композитных материалов и многослойных структур

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) — стеклопластики, углепластики, органопластики и гибридные системы — представляют значительно более сложный объект для ультразвуковой толщинометрии. Основные факторы, осложняющие измерения:

• анизотропия свойств (скорость звука зависит от направления армирования);
• высокое затухание и рассеяние на границах волокно–матрица;
• наличие пор, расслоений и неоднородностей структуры;
• многослойность и наличие клеевых или межслойных границ.

Анизотропия

В однонаправленных и ортотропных композитах скорость продольной волны вдоль волокон существенно выше, чем поперёк. Разница может достигать 20–40 % и более. Если направление армирования неизвестно или меняется по площади детали, использование одного значения скорости приводит к ошибкам. В таких случаях рекомендуется выполнять локальную калибровку на участках с известной толщиной или применять методы, позволяющие оценивать скорость непосредственно в точке измерения.

Особенности многослойных конструкций

В многослойных композитах и сэндвич-панелях ультразвуковой импульс отражается не только от противоположной поверхности, но и от границ между слоями. На экране прибора (при наличии А-скана) появляется серия эхо-сигналов. Правильная интерпретация требует опыта: необходимо отличать полезный донный сигнал от сигналов, пришедших от внутренних границ.

Для контроля многослойных полимерных композитов и клеевых соединений применяют методы, регламентированные ГОСТ Р 57861-2017 «Композиты полимерные. Акустико-ультразвуковой контроль многослойных композитов и клеевых соединений». Стандарт описывает акустико-ультразвуковой подход, ориентированный именно на оценку состояния слоистых структур.

При измерении общей толщины сэндвич-конструкций (обшивка + заполнитель + обшивка) часто используют низкочастотные преобразователи (0,5–2 МГц), чтобы обеспечить достаточную глубину проникновения через заполнитель.

Практические рекомендации

• Предпочтение отдавать приборам с отображением А-скана. Цифровой индикатор без возможности просмотра формы сигнала в сложных случаях может давать ложные показания.
• Использовать контактные среды с хорошим смачиванием поверхности композита.
• При контроле изделий переменной толщины или сложной геометрии выполнять калибровку на нескольких контрольных участках.
• Учитывать возможное влияние температуры и влажности на свойства матрицы.

5. Измерение толщины композитных покрытий

Отдельной задачей является измерение толщины покрытий, нанесённых на пластиковые или композитные основания. К таким покрытиям относятся лакокрасочные системы, гелькоуты, защитные полимерные слои, антикоррозионные и декоративные покрытия.

Традиционные магнитные и вихретоковые толщиномеры покрытий в этом случае неприменимы, поскольку основание не является ферромагнитным или электропроводным металлом. Единственным универсальным неразрушающим методом остаётся ультразвуковой.

Принцип измерения тот же: импульс проходит через покрытие и отражается от границы «покрытие — основание». Зная скорость звука в материале покрытия, прибор вычисляет его толщину. Современные специализированные ультразвуковые толщиномеры покрытий позволяют измерять как общую толщину многослойной системы, так и (при достаточной разнице акустических свойств) толщины отдельных слоёв.

Особенности измерения на пластиковых основаниях

• Скорость звука в лакокрасочных материалах обычно лежит в диапазоне 1800–2500 м/с и может заметно отличаться от скорости в основном пластике.
• Тонкие слои (менее 20–30 мкм) измерять сложнее из-за ограниченной разрешающей способности.
• При многослойных системах (адгезионный слой + грунт + база + лак) отдельные тонкие слои часто сливаются в один эхо-сигнал. В этом случае получают суммарную толщину.
• Качество поверхности покрытия критично: сильная шероховатость или «апельсиновая корка» ухудшают контакт и стабильность показаний.

Для получения достоверных результатов рекомендуется:

1. Выполнять калибровку на образце с покрытием известной толщины, нанесённым на тот же тип основания.
2. Использовать преобразователи относительно высокой частоты (5–15 МГц) при измерении тонких покрытий.
3. Контролировать стабильность акустического контакта и при необходимости применять специальные гели.
4. При наличии А-скана визуально подтверждать, что выбран именно сигнал от границы покрытия с основанием, а не от внутренних границ слоёв.

Измерение толщины покрытий на пластике особенно востребовано в автомобильной промышленности при контроле бамперов, накладок, зеркал и других элементов кузова, а также в производстве композитных изделий, где гелькоут или защитный слой является функционально важным.

6. Применение в автомобильной промышленности (автомобильный пластик)

Автомобильная промышленность является одной из самых массовых областей применения ультразвуковых толщиномеров на пластиках и композитах. Современный автомобиль содержит десятки килограммов полимерных материалов: бамперы, крылья, накладки порогов, корпуса зеркал, элементы интерьера, топливные баки, воздуховоды и многие другие детали.

Наиболее распространённый материал для наружных кузовных элементов — полипропилен (PP) и его модификации (PP-EPDM, talc-filled PP и др.). Также широко используются АБС, поликарбонат, полиамиды, стеклонаполненные пластики и композиты на основе стекло- и углеволокна.

Особенности контроля автомобильного пластика

• Большинство деталей имеют сложную криволинейную форму. Радиус кривизны часто составляет менее 50 мм, а в отдельных зонах — менее 20 мм. Это требует применения преобразователей малого диаметра или специальных миниатюрных зондов.
• Толщина стенок бамперов и кузовных элементов обычно лежит в диапазоне 2,5–4,5 мм. Для таких толщин оптимальны частоты 2–5 МГц.
• Поверхность часто имеет текстуру (зернистость, «шагрень»), что ухудшает акустический контакт. Требуется более тщательный подбор контактной среды.
• Многие детали окрашены многослойной системой (адгезионный слой + грунт + база + лак). При измерении толщины самого пластика необходимо корректно отделять сигнал от покрытия.
• Температура детали в цехе или на открытой площадке может значительно отличаться от температуры калибровочного образца.

Типичные задачи контроля

1. Измерение толщины стенки бампера и других наружных элементов для подтверждения соответствия технологическому процессу литья.
2. Контроль толщины лакокрасочного покрытия на пластиковых деталях (особенно актуально при ремонте и оценке качества окраски).
3. Проверка равномерности толщины в зонах рёбер жёсткости и переходах сечений.
4. Выявление локальных утонений, возникших в результате износа, механических повреждений или неправильной технологии изготовления.

Для полипропилена ориентировочная скорость ультразвука составляет 2600–2750 м/с. Однако даже в пределах одной партии материала скорость может варьироваться в зависимости от степени наполнения, ориентации молекул и условий охлаждения при литье. Поэтому калибровка на образце из того же материала и той же толщины остаётся обязательной.

При контроле окрашенных деталей важно понимать, что ультразвуковой импульс будет отражатьcя как от границы покрытия с пластиком, так и от внутренней поверхности детали. Прибор с возможностью отображения А-скана позволяет уверенно идентифицировать нужный сигнал. Цифровые толщиномеры без визуализации сигнала в таких условиях чаще дают ошибки.

Практические рекомендации для автомобильного пластика

• Использовать преобразователи диаметром 6–10 мм или меньше для криволинейных поверхностей.
• Применять контактные гели средней или повышенной вязкости, обеспечивающие стабильный контакт на текстурированных поверхностях.
• Выполнять калибровку не реже чем перед началом каждой смены или при заметном изменении температуры.
• В зонах с резким изменением толщины (переходы, рёбра) производить несколько измерений и оценивать разброс показаний.
• При измерении покрытия на пластике использовать специализированные режимы многослойного измерения, если они предусмотрены прибором.

7. Калибровка, настройка и выбор режима работы

Калибровка — ключевой этап, определяющий достоверность всех последующих измерений. Для пластиков и композитов она имеет значительно большее значение, чем для металлов, потому что скорость звука в этих материалах не является постоянной величиной.

Основные виды калибровки

1. Калибровка по скорости звука (velocity calibration)
   Выполняется на образце известной толщины из того же материала, что и контролируемое изделие. Прибор измеряет время прохождения и автоматически вычисляет (или оператор вводит) скорость звука.
2. Калибровка нуля (zero calibration / probe zero)
   Компенсирует задержку сигнала в протекторе преобразователя и в слое контактной среды. Особенно важна при работе в режиме одного эхо-сигнала.
3. Двухточечная калибровка
   Используется при работе в широком диапазоне толщин. Позволяет учесть возможную нелинейность характеристики прибора.

Режимы измерения согласно ГОСТ Р ИСО 16809 / ГОСТ ISO 16809

Стандарт предусматривает несколько режимов:

• Режим 1 — измерение времени от зондирующего импульса до первого донного эхо-сигнала (с коррекцией нуля). Наиболее распространённый режим для цифровых толщиномеров.
• Режим 2 — измерение времени между эхо-сигналом от границы раздела (преобразователь/материал) и первым донным эхо-сигналом. Позволяет исключить влияние толщины контактного слоя и протектора.
• Режим 3 — измерение по нескольким донным эхо-сигналам (между 1-м и 2-м, 2-м и 3-м и т.д.). Обеспечивает повышенную точность на тонких и средних толщинах.

Для пластиков и композитов предпочтительны режимы 2 и 3, особенно при нестабильном акустическом контакте или работе на тонких стенках.

Выбор параметров настройки

При работе с приборами, имеющими А-скан, оператор должен визуально контролировать положение строба (временного окна) и убеждаться, что измеряется именно нужный эхо-сигнал. Автоматический захват сигнала на сложных материалах может приводить к ошибкам.

8. Типичные ошибки и способы их предотвращения

Большинство ошибок при измерении толщины пластиков и композитов носят систематический характер и связаны либо с неправильной настройкой, либо с особенностями самого материала.

Наиболее распространённые ошибки

1. Использование скорости звука, предназначенной для стали
   Самая частая ошибка начинающих операторов. При скорости 5920 м/с вместо реальных 2300–2700 м/с толщина будет завышена почти в 2–2,5 раза.
2. Калибровка на образце другого материала
   Даже близкие по названию пластики (разные марки полипропилена или полиэтилена) могут иметь разную скорость звука.
3. Игнорирование влияния температуры
   Разница в 15–20 °C между калибровочным образцом и деталью способна дать погрешность в несколько процентов.
4. Плохой акустический контакт
   Воздушные прослойки, загрязнения, сухой контакт или недостаточное количество геля приводят к ослаблению или полному исчезновению сигнала.
5. Неправильная интерпретация многослойных эхо-сигналов
   Прибор может «зацепиться» за сигнал от внутренней границы слоя или покрытия вместо донного сигнала.
6. Применение слишком высокой частоты
   Сигнал сильно затухает, и прибор либо не показывает результат, либо захватывает ложный сигнал.
7. Измерение на сильно искривлённых поверхностях преобразователем большого диаметра
   Контакт происходит только по линии или в точке, сигнал нестабилен.
8. Отсутствие контроля формы сигнала (работа только по цифровому индикатору)
   На композитах и многослойных структурах это особенно опасно.

Способы предотвращения ошибок

• Всегда выполнять калибровку на образце из того же материала, желательно той же партии и толщины.
• При изменении температуры более чем на 5–7 °C повторять калибровку.
• Использовать приборы с А-сканом при работе с композитами и окрашенными деталями.
• Контролировать качество контакта: сигнал должен быть стабильным при небольшом перемещении преобразователя.
• Выбирать частоту исходя из толщины и степени затухания материала, а не «по привычке».
• На криволинейных поверхностях применять преобразователи уменьшенного диаметра.
• При многослойных структурах осознанно выбирать, какой именно эхо-сигнал измеряется.
• Периодически проверять прибор на контрольных образцах с известной толщиной.

9. Нормативные требования и рекомендации

Основным документом, регламентирующим ультразвуковое измерение толщины металлических и неметаллических материалов, является ГОСТ ISO 16809-2022 «Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль толщины» (ранее — ГОСТ Р ИСО 16809-2015). Стандарт устанавливает принципы измерения, режимы работы, требования к приборам, преобразователям, контактным средам, настроечным образцам и квалификации персонала.

Для полимерных композитов дополнительно применяются:

• ГОСТ Р 57861-2017 «Композиты полимерные. Акустико-ультразвуковой контроль многослойных композитов и клеевых соединений»;
• ГОСТ Р 56814-2015 «Композиты полимерные. Ультразвуковой контроль материала внешних слоёв и материала внутреннего слоя „сэндвич“-конструкций».

Требования к пьезоэлектрическим преобразователям содержатся в ГОСТ Р 55725-2013.

При организации контроля рекомендуется:

• разрабатывать технологические карты или инструкции с указанием конкретных параметров настройки для каждого типа материала и типоразмера изделия;
• использовать аттестованные контрольные образцы;
• обеспечивать периодическую поверку толщиномеров в соответствии с утверждённой методикой;
• обучать персонал не только работе с прибором, но и особенностям акустики пластиков и композитов;
• вести журнал калибровок и результатов контроля, особенно при серийном производстве.

Квалификация специалистов по ультразвуковому контролю должна соответствовать требованиям действующих нормативных документов в области неразрушающего контроля. Опыт работы именно с неметаллическими материалами существенно повышает достоверность результатов.

10. Заключение

Ультразвуковой контроль толщины пластиков и композитных материалов имеет ряд принципиальных отличий от привычной толщинометрии металлов. Низкая скорость распространения ультразвука, высокое затухание, анизотропия, многослойность и сильная зависимость свойств от температуры требуют особого подхода к выбору преобразователя, настройке прибора и процедуре калибровки.

Правильно выполненная калибровка на образце того же материала, использование адекватной частоты, обеспечение качественного акустического контакта и (по возможности) визуальный контроль формы сигнала позволяют получать точные и воспроизводимые результаты даже на сложных объектах — от тонкостенных автомобильных бамперов до многослойных композитных конструкций.

Соблюдение требований ГОСТ ISO 16809-2022 и специализированных стандартов по композитам, а также накопление практического опыта работы с конкретными материалами являются основой достоверного ультразвукового контроля толщины неметаллических изделий.

При необходимости регулярного контроля толщины пластиковых и композитных деталей важно иметь в распоряжении современный ультразвуковой толщиномер, поддерживающий работу с материалами низкой скорости звука, режимы измерения по нескольким эхо-сигналам и возможность точной калибровки. Такие приборы позволяют уверенно решать задачи как входного и операционного контроля, так и обследования изделий в процессе эксплуатации. Актуальную цену и возможность купить подходящий толщиномер можно уточнить у специалистов.

Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич