復合結構界面粘接質量的非線性超聲檢測

江念,王召巴,金永,陳友興

(中北大學信息與通信工程學院,山西太原 030051）

復合結構界面粘接質量的非線性超聲檢測

江念,王召巴,金永,陳友興

(中北大學信息與通信工程學院,山西太原 030051）

為滿足評價復合結構界面粘接質量的需求,研究了一種測量粘接界面粘接強度的非線性超聲檢測系統。實驗中制作了3組有機玻璃/粘接劑/鋼結構的粘接試件,粘接劑采用環氧樹脂膠粘劑,以3種配比模擬不同的粘接強度。針對目前蘭姆波檢測方法中其模式的選擇相對復雜,脈沖反射回波法未能根據二次諧波激發效率判斷粘接狀態的問題,提出了一種單頻率大幅度超聲激勵作用下,表征界面超聲非線性程度的二次諧波幅值A2與反射基波幅值A21之比A2/A21的方法。實驗結果表明:非線性效應程度越大,界面粘接質量越差,可將非線性效應程度作為有效評價復合結構粘接質量的特征參數。

儀器儀表技術;非線性超聲;反射基波;二次諧波;復合結構;粘接質量

0 引言

復合結構廣泛應用于生產實際,現代飛機的機身、機翼、舵面等都大量采用粘接的金屬板結構[1]。在固體火箭發動機中為使絕熱層與推進劑粘接牢固,其殼體也采用多層復合粘接結構[2]。由于界面的粘接強度直接決定了復合粘接結構的可靠性與安全性,因此研究和評價復合結構中界面的粘接質量具有重要意義。現有的超聲無損檢測技術主要利用線性超聲波的時程、聲速,波的反射、散射,聲波能量吸收及衰減等信息。對于復合粘接結構在制造和使用過程中可能產生的,如脫粘、固體層裂紋、夾渣等缺陷檢測較為容易,已應用于工程實際。然而,由于聲阻抗原理的限制,常規超聲無損檢測方法對于粘接界面中存在的機械貼合類缺陷和不同粘接狀態極不敏感,無法對界面粘接質量做出定量評價。

力學、聲學和材料學領域的研究表明:超聲波在性能退化(機械貼合、弱粘接、塑性變形等)的材料中傳播時界面的反射和透射信號中伴隨著明顯的非線性行為[1]。Nagy[3]通過實驗證明可用超聲非線性系數表征材料的疲勞程度。Brotherhood等[4]對鋁塊粘接質量的檢測結果表明非線性超聲對粘接面缺陷的檢測具有很高的靈敏度。徐從元等[5]測量了不同疲勞損傷程度下LY-12鋁合金棒的聲速、衰減及非線性系數,指出由疲勞引起的聲速和衰減的變化遠小于非線性系數的變化。安志武等[6]對非線性超聲無損評價技術應用于粘接質量檢測進行了理論模型的探討,指出二次諧波是對層間脫粘較為敏感的聲學參量之一。鄧明晰等[7]利用蘭姆波二次諧波的應力波因子實現了對層狀固體結構表面性質的變化情況的準確定征,但是不同材料的板材、工作頻率和板厚以及入射角的改變都會得到不同模式的蘭姆波,這使得該方法變得較為復雜。郭怡等[8]采用脈沖反射回波法,將二次諧波激發效率作為特征,實現了對完全脫粘區、粘好區和弱粘接區3種特殊粘接狀態的區分,但尚未得出不同粘接質量與二次諧波激發效率之間的關系。

縱波在有機玻璃和鋼中的聲阻抗分別為3.51× 106kg/m2、47.2×106kg/m2,由于兩種材料聲阻抗相差很大,入射超聲波到達粘接界面時,一方面反射回波較大,可根據反射回波的強弱定性判斷界面的粘接狀態[9-10],另一方面粘接質量的不同會影響透射信號中二次諧波的產生效率,所以可將非線性超聲檢測技術應用于復合結構界面粘接質量的檢測,建立基于透射—反射式的非線性超聲檢測系統,研究透射二次諧波信號與反射基波信號平方比值和界面粘接質量之間的關系。

1 復合結構中的超聲非線性

由于固體介質材料存在非線性,所以復合結構的粘接基體和粘接界面都會使得單一頻率的超聲波產生畸變或者造成窄帶入射超聲波產生高次諧波。這些非線性效應導致傳統超聲中的應力σ和應變ε不再滿足胡克定律中描述的線性關系,而是需要引入更高次的彈性系數[11]

式中:k為波數,k=ω/c;x為傳播距離。由(2)式可知在保證回波信號不相互混疊的情況下應盡量增加波數和傳播距離,以便更加容易地觀察和測量二次諧波。

在復合粘接結構中,由部分接觸的粘接界面而導致的應力—應變行為中的非線性同樣會引起單一頻率的超聲波或者窄帶入射超聲波發生畸變。Biwa等[13]的研究理論表明,當超聲波作用在固體-固體粘接界面上時,基波和二次諧波存在如下關系:

式中:pa為超聲波穿過粘接界面的壓力;m和C為接觸模型中的正常數,在(4)式中K為粘接界面單位面積上的剛度。

由于非線性效應而產生的二次諧波幅值與復合結構界面的粘接情況密切相關,所以可利用連續超聲波在復合結構材料中傳播產生的波形畸變,對接收信號進行頻譜分析,通過諧波幅值計算非線性系數。該方法將超聲波與接觸界面相互作用的宏觀特性與接觸表面的微觀特性聯系起來,可以用來檢測材料內部如復合材料界面脫粘與分層等接觸型缺陷。因此實驗選擇比值A2/A21作為界面粘接質量的非線性聲學特征參數。

2 非線性超聲檢測系統與測量方法

如圖1所示給出了基于透射二次諧波信號與反射基波信號平方比值的非線性超聲檢測系統的示意圖。其中包括美國Ritec公司生產的RAM-SNAP系統、高能匹配電阻、衰減器、濾波器、信號取樣器、鈮酸鋰晶片換能器、粘接試件和夾具、示波器及計算機。

圖1 非線性超聲檢測系統示意圖Fig.1 The layout of experimental system ofnonlinear ultrasonic

RAM-SNAP系統輸出頻率為5 MHz的高能量正弦脈沖信號,經過匹配電阻、步進衰減器、低通濾波器等模塊后加載到標稱頻率5 MHz、直徑7 mm的窄帶縱波鈮酸鋰晶片上,脈沖信號經耦合劑垂直入射到待檢試件,在試件內粘接界面上的反射回波經信號取樣器進入RAM-SNAP系統CH1通道;穿過粘接界面的一部分透射波被固定在試件另一端面的標稱頻率10 MHz、直徑6 mm的窄帶縱波鈮酸鋰晶片R接收,經過10 MHz高通濾波器濾波后進入系統的CH2通道。通過改變衰減步進衰減器一方面用以檢驗非線性來源,另一方面將輸入電壓衰減到發射換能器的有效電壓值范圍內,低通濾波器的作用是濾除輸入信號中的高頻諧波分量,確保激勵發射換能器的信號為單一頻率的正弦波,高通濾波器用以濾除接收信號中的基頻信號。

本文研究有機玻璃和鋼的粘接質量,采用環氧樹脂膠粘劑作為粘接劑粘接有機玻璃和鋼。按照固化劑與環氧樹脂質量比為1∶1,5∶1,7∶1分別制作了編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的3組粘接試件。試件為750 mm× 250 mm的有機玻璃/粘接劑/鋼結構,第1層為2 mm厚的有機玻璃,中間為0.7 mm厚的粘接劑,第3層為6 mm厚的鋼。粘接結構如圖2所示。

考慮到檢測系統的軸向分辨力及激勵信號自身的頻率范圍,本實驗采用正弦脈沖串信號作為激勵信號。由于脈沖串周期越大,激勵信號頻帶越窄,所以在保證試件中能容納的不與接收信號混疊的前提下應盡量增加激勵脈沖串的個數。為了減少耦合劑可能帶來的諧波干擾,采用具有低熔點的水楊酸苯酯對鈮酸鋰晶片和待檢試件進行粘接耦合。

圖2 粘接試件結構示意圖Fig.2 Structural representation of composite adhesive specimen

圖3 信號處理過程Fig.3 The diagram of signal post-processing

界面粘接24 h后用上述非線性超聲檢測系統分別對3組試件進行檢測。圖3(a)為衰減60dB的7

周期激勵脈沖串,圖3(b)為超聲信號在I號試件粘接界面衰減40 dB的基頻反射回波信號,圖3(c)為前置放大器放大了20 dB二次諧波時域波形。對接收的基頻和二次諧波信號進行快速傅里葉變換(FFT),在5 MHz的頻率位置上得到基頻回波幅值A1,在二倍頻率10 MHz位置處得到透射二次諧波幅值A2,如圖3(d)所示。

3 實驗結果與分析

3.1 非線性來源的驗證

根據(2)式可知,若將激勵信號幅值衰減1 dB,相應基波信號衰減1 dB,二次諧波信號衰減2 dB.將激勵信號衰減依次增加1 dB、2 dB、4 dB,進行7 dB衰減。如圖4所示為相應二次諧波信號的衰減,從圖中可看出二次諧波隨著激勵信號的衰減依次衰減2 dB、4 dB、8 dB,共衰減了14 dB.實測接收信號衰減程度符合理論分析的衰減規律,表明本次實驗中的二次諧波信號來自于待測試樣的非線性聲學效應。

3.2 不同質量的非線性特征參數

采用電壓220 V、頻率5 MHz、20個周期的射頻脈沖串信號激勵探頭,分別測量Ⅰ號、Ⅱ號、Ⅲ號3種粘接試件。對每一個試件在一次測量中采集30組時域反射基波信號和二次諧波信號進行FFT,計算基波A1和二次諧波A2的幅值。如圖5所示根據上述實驗方法得到的A2/A21比值。

文獻[14-15]對固化劑含量對膠粘劑固化強度的研究結果表明:固化劑與環氧樹脂質量比為1∶1時粘接劑的粘接強度達到最大,隨著質量比的增加,粘接結構界面的拉伸剪切強度、彈性模量及聲能量的傳輸效率越低,粘接試件作為一個系統的非線性響應更加明顯。從圖5可以看出3種不同粘接狀態試件的非線性特征參數差異明顯,其變化區間互不重疊。

在以上實驗的基礎上,對3組試件的不同位置進行9次檢測,如表1所示。針對每一試件,按照上述步驟采集30組時域信號,計算各組的A2/A21比值,最終取其均值作為實驗測量結果。在各組試件不同位置測得的A2/A21,如圖6所示。從測量數據可以看出:在同一試件的不同位置上測得的非線性聲學特征參數相對穩定,重復性較好;不同試件的非線性聲學特征參數存在明顯差異,且其變化規律與參考文獻[14-15]中提到的粘接強度隨試件膠層不同質量比的變化規律一致。該方法對不同試件測量得到的非線性聲學特征參數值相對穩定,測量規律反映了試件界面的粘接質量,這表明利用本實驗系統,能有效評價界面的粘接質量。

表1 3種不同粘接狀態的非線性聲學特征參數值Tab.1 Characteristics of nonlinear acoustic parameters in three kinds of bond statesV-1

圖6 多次測量的非線性聲學特征參數Fig.6 Multiple measurement of characteristic parameters of nonlinear acoustic

4 結論

研究了一套由鈮酸鋰晶片、信號采樣器、衰減器、RAM-SNAP系統等構成的界面粘接質量非線性超聲檢測系統。利用該實驗系統測量了3組不同粘接狀態試件的非線性特征參數,測量結果表明:利用反射法測量基波幅值,透射法測量二次諧波信號幅值方法得到的A2/A21比值能夠明確區分3組試件的粘接狀態,其變化規律與參考文獻[14-15]中得到的結論相吻合,為工業生產中復合結構界面粘接質量的評價提供了指導意義。

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Measurement of Interface Bond Quality of Composite Structure Using Nonlinear Ultrasound

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,JIN Yong,CHEN You-xing
(School of Information and Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China)

A nonlinear ultrasonic test system is established to meet the needs of evaluating the interface bond quality of composite structure.Epoxy resin is chosen as adhesive to make three sets of specimens which are made up of synthetic glass/adhesive/steel so as to simulate the different bond strengths with three different rations of epoxy resin to curing agent.For the problem of the complexity to determine the mode of lamb using lamb wave approach and the situation of that bond states cant not be evaluated based on second harmonic exciting efficiency using pulse-echo ultrasonic techniques,a method is developed,in which the specimen is excited by a single-frequency ultrasound,and A2/A21(the ratio of second harmonic A2to fundamental wave A21)is used to characterize the degree of nonlinear ultrasonic response.The experimental results indicate that the interface bond quality reduces with the increase in the degree of nonlinearity,and thus it can effectively evaluate the interface bond quality.

apparatus and instruments technology;nonlinear ultrasonic;reversed fundamental-frequency echo;second harmonic;composite structure;bond quality

V 257;TB156

:A

1000-1093(2014)03-0398-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.016

2013-08-26

國家自然科學基金項目(61201412);山西省青年科技研究基金項目(2012021011-5)

江念(1988—),男,博士研究生。E-mail:jiang_nian@yeah.net;王召巴(1967—),男,教授,博士生導師。E-mail:wangzb@nuc.edu.cn