УДК 620.179.16

РАЗРАБОТКА МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

ПЛАСТИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ РОТАЦИОННОГО

ФОРМОВАНИЯ

¹НАО «СКУ» им. М. Козыбаева, Россия РК 150000 Петропавловск, ул. Пушкина, 86

E-mail: ^*raikoshan001@mail.ru; ^**vetal3333@mail.ru; ^***demianenkoav@mail.ru

Поступила в редакцию 22.09.2021; после доработки 22.10.2021

Принята к публикации 22.10.2021

В настоящее время в мире ускоренными темпами развивается технология ротационного формования пластмасс.

Однако при данном методе переработки возможно возникновение в стенках изделий «микропузырьков», которые

значительно ухудшают их качество. В данной работе для оценки качества пластиковых изделий был применен метод

ультразвукового контроля (УЗК). С помощью эхометода при рабочей частоте 2,5 МГц был проведен анализ образцов

различной степени качества. Выявлено, что скорость распространения ультразвукового сигнала не зависит от степени

качества изделий и составляет 2330±10 м/с. Установлено, что чем больше параметр шероховатости поверхности изде-

лий Rz (от 2,5 до 20 мкм), тем меньше становится амплитуда донного сигнала Аа. Недопеченный образец определя-

ется по параметрам Аа (от -6,0 до -15,0 МГц). Определен эталонный образец (ρ = 0,942 г/см³), с помощью которого

можно калибровать дефектоскоп, его Аа = 0 дБ при рабочей частоте 2,5 МГц. Выявлена зависимость между плотно-

стью/пропеченностью изделий и амплитудой донного сигнала. Доказана возможность выявления внутренних дефек-

тов изделий методом УЗК. Предложена новая методика выявления годных изделий в производстве, с помощью кото-

рой можно определить степень качества изделий.

Ключевые слова: ультразвуковой контроль, пластиковые изделия, ротационное формование, оценка качества

изделий.

DOI: 10.31857/S013030822111004X

ВВЕДЕНИЕ

Изделия, полученные методом ротационного формования, характеризуются длительным сро-

ком эксплуатации, химической стойкостью и низкой себестоимостью. Однако в связи со сложно-

стью геометрических форм изделий (наличия большого количества радиусов, переходов и т.п.) и

относительно высокой их стоимостью (при разрушающем контроле/разрезки изделий затраты

могут составить сотни тысяч рублей), актуальным вопросом становиться использование неразру-

шающих методов контроля для оценки качества полученных изделий.

При ротационном формовании происходит распределение сырьевого материала по внутрен-

ней поверхности полости формы, а одновременный нагрев формы вызывает его расплавление с

образованием тонкого покрытия в виде оболочки [1]. На второй стадии процесса между сплав-

ляемыми частицами пластмассы образуются жидкие мостики, задерживающие пузырьки воз-

духа, которые должны исчезнуть на последующей стадии уплотнения, и все это происходит при

высоких температурах выше температуры плавления полиэтилена [2]. Если не избавиться от

этих пузырьков, то изготовленные изделия будут иметь низкую ударную вязкость [3]. При пере-

греве изделия в форме происходит термоокислительная деструкция материала и ухудшение его

механических свойств [4].

Сейчас производители изделий методом ротационного формования вынуждены для поддержки

высокого уровня качества выпуска продукции проверять разрушающим контролем небольшое

количество изделий из каждой партии. Это создает большие сложности по нескольким причинам.

Во-первых, это длительный и дорогостоящий процесс; во-вторых, всегда остается шанс на то, что

бракованное изделие не будет выявлено на этапе контроля. Ударная вязкость готовых емкостей

является наиболее важной характеристикой для оценки качества изделия, на которое влияют усло-

вия процесса [1, 5]. В источниках [6, 7] описаны способы оценки качества изготовленных изделий

за счет контроля модуля упругости, твердости и вязкости материала. Термодеструкция материала

вызывает рост вязкости полиэтилена, которое может быть выявлено по анализу текучести распла-

ва [8] или геометрией параллельных пластин [9].

Однако ни один из этих методов контроля неприменим в промышленности для обеспечения

качества серийно выпускаемых изделий из-за стоимости и геометрических особенностей изделий

(изготовленных методом ротационного формования). Поэтому, для повышения эффективности

Разработка метода ультразвукового контроля качества пластиковых изделий...

процесса и уменьшения затрат на выявление бракованных изделий стоит применить методы нераз-

рушающего контроля. В источнике [10] описан метод инфракрасной спектроскопии с преобразо-

ванием Фурье (FT-IR), которая использовалась для идентификации продуктов окисления на

поверхности изделий (изготовленных методом ротационного формования). Также рассматрива-

лись рентгеновская дифракция [11] и комбинационная рассеивающая спектроскопия [12], которые

использовались для оценки изменений морфологии кристаллов на предмет признаков разрушения.

Ни один из этих методов не является легко встраиваемым в технологический процесс из-за своей

дороговизны. В качестве альтернативы были рассмотрены линейные ультразвуковые методы кон-

троля для полиэтилена, проведены сравнения акустических свойств с различными материалами

при различных температурах и различных напряжениях [13, 14]. Традиционные ультразвуковые

методы очень эффективны для измерения плотности полиолефинов и полимерных пен путем соот-

ношения этого свойства с изменениями скорости или затуханием звуковой волны, распространяю-

щейся через образец [15—17].

В работе [18] рассмотрен анализ эффекта Маллинза в полиэтилене с контролем деформаций с

помощью ультразвука. В исследовании предложен метод контроля развития эффекта Маллинза,

который позволяет исследовать изделие (полученное методом ротационного формования) на осно-

ве анализа ультразвукового контроля. Показано, что затухание ультразвукового сигнала увеличи-

валось в корреляции с возрастающей деформацией полиэтилена. В [18] показана возможность

выявления дефектов в изделиях (полученных методом ротационного формования) методом ультра-

звукового контроля при рабочей частоте в диапазоне от 135 до 165 кГц. В [18] доказана возмож-

ность оценки качества изделий (изготовленных методов ротационного формования) ультразвуко-

вым анализом и внедрение его в технологический процесс.

Главной задачей данной работы является выявление внутренних дефектов в изделиях (изготов-

ленных методом ротационного формования), а так же определение степени качества/пропеченно-

сти изделий с помощью метода УЗК и внедрение этого метода в производство для контроля каче-

ства емкостей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются емкости из полиэтилена, изготовленные методом ротацион-

ного формования на предприятии ТОО «AVAGRO». При проведении экспериментов использовали

образцы, вырезанные из бочек разной степени качества/пропеченности (плотности) (табл. 1).

Таблица

Средняя энергия

Степень пропеченности

№ образца

Плотность изделия ρ, г/см³

Годность изделия

разрушения MFE, Дж

изделия

0,934

140

Недопеченный

Брак

0,934

140

Недопеченный

Брак

0,934

140

Недопеченный

Брак

0,941

380

Нормальный

Годен

0,941

380

Нормальный

Годен

0,941

380

Нормальный

Годен

0,949

147

Перепеченный

Брак

0,949

147

Перепеченный

Брак

0,949

147

Перепеченный

Брак

0,949

150

Сгоревший

Брак

0,949

150

Сгоревший

Брак

0,949

150

Сгоревший

Брак

Для изделий, идентифицируемых как «качественные», средняя энергия разрушения (MFE) при-

нимает значение не менее 380 Дж. Так же важным критерием годности изделий является плот-

ность, которая должна быть не менее 0,9395 г/см³. Толщина исследуемых образцов составляет

8 мм, т.к. они были вырезаны из одной серии изготовленных емкостей.

Дефектоскопия

№ 11

2021

Р.С. Гайсин, В.Ю. Тюканько, А. В. Демьяненко

Рис.1. Образцы для ультразвукового контроля:

а — недопеченный образец; б — нормально спеченный образец; в — перепеченный образец; г — сгоревший образец.

В исследовании ультразвуковой дефектоскопией образцов (рис. 1) определяли следующие

характеристики: скорость распространения ультразвуковой волны, амплитуду донного сигнала.

Анализ осуществлялся с помощью ультразвукового контактного преобразователя 2,5-К12 на

универсальном ультразвуковом дефектоскопе УСД-60.

Метод проведения эксперимента заключался в том, что пьезоэлектрический преобразователь

2,5-К12 устанавливался на поверхность изделия с предварительно нанесенным глицерином для

эффективности прохождения сигнала. Во избежании погрешностей, вызванных разным давлени-

ем, оказываемым на пьезометрический преобразователь, исследование проводили при установке

на преобразователь груза массой 100 г (рис. 2).

Рис.2. Схематическое изображение проведенного эксперимента:

1 — образец; 2 — пьезометрический преобразователь; 3 — груз; 4 — слой глицерина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ

Для определения скорости ультразвука были использованы образцы разной степени пропечен-

ности и плотности (см. табл. 1). Скорость распространения продольной ультразвуковой волны

(ПУВ) во всех образцах составляет — 2330±10 м/с. Скорость распространения ПУВ не зависит от

степени качества/пропеченности материала и плотности полиэтилена.

Дефектоскопия

№ 11

2021

Разработка метода ультразвукового контроля качества пластиковых изделий...

ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ОБРАЗЦОВ НА ЗАТУХАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО

СИГНАЛА

Для проведения эксперимента была подготовлена серия образцов с различной шероховатостью

(Rа₁= 2,5 мкм; Rа₂= 5 мкм;Rа₃= 20 мкм). Затухание ультразвукового сигнала оценивали по вели-

чине амплитуды донного сигнала; были обработаны поверхности образцов № 1, № 4, № 7, № 10

наждачной бумагой. Исследования проводились при рабочей частоте 2,5 МГц.

Установлено, что чем больше значение шероховатости поверхности образца, тем меньше

амплитуда (Aa) донного сигнала (рис. 3). Также было выяснено, что недопеченный образец № 1

идентифицируется по низкому значению амплитуды донного сигнала Аа (от -6,0 до -15,0 МГц).

7,5

2,5

7,5

12,5

17,5

22,5

-2,5

-5

-7,5

-10

-12,5

-15

Значения шероховатости (Ra), мкм

Образец 1 (нормальный)

Образец 4 (сгоревший)

Образец 7 (перепеченный)

Образец 10 (недопеченный)

Рис. 3. Зависимость амплитуды донного сигнала от значения шероховатости поверхности образцов (при частоте 2,5 МГц).

ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ОБРАЗЦОВ НА ЗАТУХАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СИГНАЛА

В исследовании по выявлению зависимости амплитуды от плотности изделий были подготов-

лены образцы толщиной 8 мм (табл. 2). Затухание ультразвукового сигнала оценивали по величине

амплитуды донного сигнала, величина которой зависела от плотности образцов. Исследования

проводились при рабочей частоте 2,5 МГц.

Таблица

№ образца

ρ, г/см³

Степень пропеченности изделия

Годность изделия

0,934

Недопеченный

Брак

0,940

Нормальный

Годен

0,941

Нормальный

Годен

0,942

Нормальный

Годен

0,944

Нормальный

Годен

0,946

Нормальный

Годен

0,947

Нормальный

Годен

0,948

Нормальный

Годен

0,949

Перепеченный

Брак

Дефектоскопия

№ 11

2021

Р.С. Гайсин, В.Ю. Тюканько, А. В. Демьяненко

Зона бракованных изделий

Зона годных изделий

7,5

2,5

0,930

0,935

0,940

0,945

0,950

-2,5

-5

-7,5

-10

-12,5

Плотность ρ, г/см³

Рис. 4. Влияние плотности на амплитуду донного сигнала (при частоте 2,5 МГц).

По мере увеличения плотности образцов из полиэтилена с 0,934 до 0,948 г/см³амплитуда дон-

ного сигнала увеличивается. При плотности свыше 0,944 г/см³наблюдается стабилизация ампли-

туды донного сигнала (рис. 4). Критерием годности образцов предлагается использовать значение

амплитуды донного сигнала в промежутке от -5,0 дБ и больше. В ходе экспериментов был выявлен

эталонный образец ρ = 0,942 г/см³, амплитуда донного сигнала образца составляет 0 дБ при рабо-

чей частоте 2,5 МГц. Критерий годности изделий рекомендуется использовать только после кали-

бровки ультразвукового дефектоскопа по образцу-эталону. Амплитуда донного сигнала перепечен-

ного образца от нормального не различается.

ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ СИГНАЛА НА ОБРАЗЦЫ С РАЗНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ

Для проведения эксперимента была подготовлена серия образцов с различной плотностью

(см. табл. 2). Затухание ультразвукового сигнала оценивали по величине амплитуды донного сиг-

нал. Исследования проводились при рабочей частоте в диапазоне от 0,5 до 30 МГц (рис. 5).

10,0

5,0

0,0

–5,0

-10,0

-15,0-

20,0

-25,0

-30,0

ρ = 0,934 г/см³

ρ = 0,940 г/см³

ρ = 0,941 г/см³

ρ = 0,942 г/см³

ρ = 0,944 г/см³

ρ = 0,947 г/см³

ρ = 0,949 г/см³

Рис. 5. Влияние частоты сигнала и плотности образцов на амплитуду донного сигнала (при частоте 2,5 МГц).

Дефектоскопия

№ 11

2021

Разработка метода ультразвукового контроля качества пластиковых изделий...

По мере увеличения частоты сигнала от 0,5 до 2,5 МГц амплитуда донного сигнала увеличива-

ется на всех образцах вне зависимости от плотности. При частоте свыше 2,5 МГц амплитуда дон-

ного сигнала уменьшается. Недопеченный образец легко выявляется относительно других, имея

самую низкую амплитуду донного сигнала (ρ = 0,934 г/см³). Перепеченные и нормально спеченные

образцы имеют практически одинаковые параметры амплитуды донного сигнала.

ВЫВОДЫ

1) Скорость распространения продольной ультразвуковой волны в изделиях, полученных мето-

дом ротационного формования, не зависит от степени качества (пропеченности) изделия и состав-

ляет 2330±10 м/с.

2) При увеличении параметра шероховатости образцов Ra (c 2,5 до 20 мкм) амплитуда донного

сигнала уменьшается. Недопеченные образцы, имеющие плотность меньше 0,9395 г/см³, легко

идентифицировать по отрицательному значению амплитуды донного сигнала.

3) Выявлена зависимость между плотностью образцов и амплитудой (А) донного сигнала. При

увеличении плотности график А= f (ρ) имеет два участка. Первый участок позволяет идентифици-

ровать недопеченные изделия (имеющие низкую плотность и ударную вязкость). Второй участок

показывает стабилизацию амплитуды донного сигнала, которая имеет одинаковые параметры в

перепеченных и нормально спеченных изделиях.

4) Установлено влияние частоты сигнала на амплитуду донного сигнала. В диапазоне частот от

0,5 до 2,5 МГц амплитуда донного сигнала увеличивалась, а при частоте свыше 2,5 МГц уменьша-

лась вне зависимости от плотности образцов.

5) Результаты данных исследований рекомендуются для дальнейшего внедрения в промышлен-

ность для контроля качества емкостей (изготовленных методом ротационного формования).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Gibson Ian, Shi Dongping. Material properties and fabrication parameters in selective laser sintering

process // Rapid Prototyping Journal. Dec. 1997. V. 3 (4). P. 129—136.

2. Kontopoulou M., Vlachopoulos J. Bubble dissolution in molten polymers and its role in rotational

molding // Polymer Engineering & Science. Jul. 1999 V. 39 (7). P. 1189—1198.

3. Spence A.G., Crawford R.J. The effffect of processing variables on the formation and removal of

bubbles in rotationally molded products // Polymer Engineering & Science. Apr. 1996. V. 36 (7).

P. 993—1009.

4. Epacher E. Processing stability of high density polyethylene: effect of adsorbed and dissolved oxygen

// Polymer. Nov. 2000. V. 41 (23). P. 8401—8408.

5. Chaudhary Bharat Indu, Takács Elizabeth, Vlachopoulos John. Processing enhancers for rotational

molding of polyethylene // Polymer Engineering & Science. Oct. 2001. V. 41 (10). P. 1731—1742.

6. Tavares Andreia C., Gulmine Joseane V., Lepienski Carlos M., Akcelrud Leni. The effffect of accelerated

aging on the surface mechanical properties of polyethylene // Polymer Degradation and Stability. Jan. 2003.

V. 81 (2). P. 367—373.

7. Saifullah Abu, Thomas Ben, Cripps Robert, Tabeshfar Kamran,Wang Lei, Muryn Christopher. Fracture

toughness of rotationally molded polyethylene and polypropylene // Polymer Engineering & Science. Jan.

2018. V. 58 (1). P. 63—73.

8. Mendes A.A., Cunha A.M., Bernardo C.A. Study of the degradation mechanisms of polyethylene during

reprocessing // Polymer Degradation and Stability. Jun. 2011. V. 96 (6). P. 1125—1133,

9. Cuadri A.A., Martín-Alfonso J.E. The effffect of thermal and thermo-oxidative degradation conditions

on rheological, chemical and thermal properties of HDPE // Polymer Degradation and Stability. Jul. 2017.

V. 141. P. 11—18.

10. Gulmine J.V., Janissek P.R., Heise H.M., Akcelrud L. Degradation profifile of polyethylene after

artifificial accelerated weathering // Polymer Degradation and Stability. 2003. V. 79 (3). P. 385—397.

11. Cramez Maria Clara, Oliveira Maria Jovita, Fakirov Stoyko, Crawford Robert James,

Apostolov Anton Atanassov, Krumova Marina. Rotationally molded polyethylene: Structural

characterization by x-ray and microhardness measurements // Advances in Polymer Technology. 2001.

V. 20 (2). P. 116—124.

12. Hiejima Yusuke, Kida Takumitsu, Takeda Kento, Igarashi Toshio, Nitta Koh-hei. Microscopic structural

changes during photodegradation of low-density polyethylene detected by Raman spectroscopy // Polymer

Degradation and Stability. Apr. 2018. V. 150. P. 67—72.

13. Bray Don E., Vela John, Al-Zubi Raed S. Stress and Temperature Effffects on Ultrasonic Properties

in Cross-Linked and High Density Polyethylene // Journal of Pressure Vessel Technology. 2005. V. 127 (3).

P. 220.

Дефектоскопия

№ 11

2021