激光激發(fā)干涉儀檢測涂層/基底的黏結(jié)特性

孫 建,靳 偉,韓慶邦

(1. 西安郵電大學 理學院,西安 710121; 2. 河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院,江蘇 常州 213022)

激光激發(fā)干涉儀檢測涂層/基底的黏結(jié)特性

孫 建1,靳 偉1,韓慶邦2

(1. 西安郵電大學 理學院,西安 710121; 2. 河海大學 物聯(lián)網(wǎng)工程學院,江蘇 常州 213022)

將脈沖激光器產(chǎn)生的激光直接照射到環(huán)氧涂層/鋁基底的界面激發(fā)聲波,并在鋁基底的后表面上利用光學干涉儀對位移進行檢測. 實驗結(jié)果表明,直達波和反射波的幅度比值與界面黏結(jié)質(zhì)量相關(guān),利用該方法可對類似結(jié)構(gòu)的黏結(jié)質(zhì)量進行評價分析.

超聲檢測； 激光超聲； 涂層/基底； 黏結(jié)質(zhì)量

黏結(jié)是一種把材料連接在一起而形成組件的方法. 通過黏結(jié)形成的組件具有無應(yīng)力集中、 耐疲勞性能好、 結(jié)構(gòu)輕、 可避免金屬連接發(fā)生電化學反應(yīng)和可連接形狀復(fù)雜的物體等優(yōu)點[1-3],在航空航天、 電子、 醫(yī)療器械、 木材和建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛. 涂層/基底是一種常用的黏結(jié)結(jié)構(gòu)[4-6],表面涂層工藝是指通過一定的工藝方法使材料產(chǎn)生交聯(lián)聚合,從而在工作表面上形成具有一定厚度的涂層,具有保護、 裝飾和絕緣等作用[7-8]. 但由于涂層太薄而不易檢測該結(jié)構(gòu)的黏結(jié)質(zhì)量,其中壓電超聲存在耦合和頻率低等問題而不適于該結(jié)構(gòu)檢測[9-11].

激光超聲利用激光照射物體表面或界面,通過材料迅速熱膨脹激發(fā)聲波,利用光學干涉儀檢測表面或界面的位移變化而獲得聲波信號,具有較高的分辨率,若材料為透明介質(zhì),則光可透射材料進行激發(fā)或檢測[12-13],且激發(fā)與檢測具有非接觸、 寬帶、 高靈敏度和理想的高重復(fù)率源等特性. 本文利用激光超聲方法,直接在涂層/基底黏結(jié)結(jié)構(gòu)的界面上激發(fā)超聲波,并通過兩種透射波的幅度比檢測黏結(jié)質(zhì)量.

1 測量原理

圖1 透明涂層/基底界面激光熱彈激勵聲波的傳播示意圖Fig.1 Schematic diagram for waves between epoxy coating and substrate

透明涂層/基底界面激光熱彈激勵聲波的傳播示意圖如圖1所示,其中標號1和2分別表示基底和涂層,x表示界面方向,z表示垂直界面方向,+z表示向下,-z表示向上,涂層厚度為h. 一束不會引起涂層或基底破壞的小能量點狀脈沖激光透過透明的涂層直接照射在基底界面上(圖中的o點),一部分激光被基底反射,另一部分被基底吸收轉(zhuǎn)化為熱能(熱應(yīng)力),激發(fā)的聲波可在界面上下兩側(cè)介質(zhì)傳播. 一部分聲波沿+z軸傳播,聲脈沖標記為L1,另一部分沿-z軸傳播的聲脈沖在涂層表面被反射,并透過界面沿+z軸傳播,標記為L2,聲脈沖經(jīng)多次反射沿-z軸傳播,形成L3和L4等多次回波,但幅度明顯減小. 實際上所有波均在x=0處疊加,但為了易于理解,將圖中的示意波畫成了斜入射及反射波.

界面黏結(jié)處有無缺陷或缺陷大小將直接影響各反射波的波幅. 若有缺陷,則缺陷反射使得進入+z方向的波能量增大,即L1的幅度增大,發(fā)射波L2,L3,L4等的幅度相對減小.

定義描述黏結(jié)質(zhì)量的指標函數(shù)M為L2波幅度與L1波幅度的比值,即

其中AM表示波幅度.M越小,則表明缺陷越大,黏結(jié)的質(zhì)量越差. 由于L3和L4的波幅很小,因此本文僅只考慮L1和L2的波幅.

2 光學激發(fā)及檢測系統(tǒng)

圖2 中心位移檢測實驗裝置Fig.2 Experimental setup for detecting the normal displacement at the epicenter

激光超聲技術(shù)利用短脈沖激光輻照在樣品表面,樣品吸收光后轉(zhuǎn)化為熱能,產(chǎn)生熱應(yīng)力,并以波動的形式進行傳播[14],通過干涉儀測量樣品的表面位移,使用適當?shù)男盘柼幚矸椒?獲得超聲波在樣品中傳播時所攜帶的介質(zhì)物理信息. 實驗原理如圖2所示,由脈沖激光器(名稱： Quantel,美國； 型號： Brilliant； 脈沖重復(fù)頻率： 10 Hz； 波長： 532 nm； 脈寬： 4.2 ns)發(fā)出的一束小能量激光先經(jīng)過一個半透鏡,一部分激光反射到光電二極管上作為采集的觸發(fā)信號,另一部分激光經(jīng)聚焦后在能量低于樣品損傷域值條件下,通過透明的環(huán)氧樹脂涂層后垂直輻照在樣品的黏結(jié)界面,激發(fā)出聲波. 在樣品的另一側(cè)利用干涉儀(名稱： Bossa Nova Technologies,美國； 型號： TEMPO FS200； 波長： 532 nm； 帶寬： 350 Hz～120 MHz; 輸出阻抗： 50 Ω; 直流耦合)檢測光與脈沖激光在同一條直線上,該方法稱為背中心檢測. 將樣品固定在二維平臺(名稱： Newport,美國； 型號： MM4006)上,在水平和豎直方向上移動平臺,由計算機控制激光脈沖激發(fā)和二維平臺移動. 干涉儀采集的信號由示波器(名稱： Tektronix,美國; 型號： TDS3032B; 雙通道; 實時采樣頻率: 300 MHz)存儲并顯示,最后傳輸?shù)接嬎銠C進行數(shù)據(jù)處理. 實驗時對樣品進行二維掃描測量,在掃描過程中,干涉儀和脈沖激光器的位置保持不變,通過移動樣品實現(xiàn)掃描.

樣品采用透明環(huán)氧層作為涂層,通過噴涂工藝,控制環(huán)氧層的厚度為0.4 mm,鋁作為基底,厚度約為4.6 mm,預(yù)先設(shè)置涂層和鋁在中間處的黏結(jié)質(zhì)量較好,在兩個角的黏結(jié)質(zhì)量較差.

3 結(jié)果與討論

兩個不同位置處采集的信號如圖3所示. 由圖3可見,指標函數(shù)M值較大的表明黏結(jié)質(zhì)量較好.

按照上述設(shè)計實驗組裝后進行測量,干涉儀采集典型的檢測信號如圖4所示. 由圖4可見: 檢測信號存在較多的反射波峰,其中直達縱波L1和在環(huán)氧樹脂層內(nèi)的一次反射縱波L2相對幅度較大,多次反射波的幅度相對較小；L1和L2的極性相反,這是因為L2在涂層上表面被反射回來時發(fā)生了半波損失所致.

對樣品尺寸為6 mm×6 mm的區(qū)域以0.5 mm×0.5 mm寬度進行二維掃描測量,將各掃描點的M值用灰度圖表示,如圖5所示. 顏色越白,則表明M值越大,即黏結(jié)質(zhì)量越好. 由圖5可見,左下角和右上角的M值較小,表明黏結(jié)的質(zhì)量較差,與樣品預(yù)設(shè)情況一致,即該檢測方法可行.

圖4 典型的干涉儀檢測信號Fig.4 Typical waveform collected from the experiment arrangement

圖5 樣品掃描M值結(jié)果灰度圖Fig.5 Grey-scale image of M obtained from experimental data

綜上,本文通過實驗研究了一種利用激光超聲進行涂層/基底結(jié)構(gòu)黏結(jié)質(zhì)量評價的方法. 將脈沖激光照射到環(huán)氧涂層/鋁基底黏結(jié)結(jié)構(gòu)的界面上,樣品迅速熱膨脹激發(fā)出超聲波,在基底背面利用干涉儀檢測直達波L2和一次反射波L1,二者的比值可反映界面的黏結(jié)質(zhì)量. 并對樣品進行掃描測量,將各掃描點的M值用灰度圖表示的結(jié)果與樣品預(yù)設(shè)情況一致,表明該檢測方法可行.

[1]Pociu A V. 黏接與膠黏劑技術(shù)導論 [M]. 潘順龍,趙飛,許關(guān)利,譯. 2版. 北京： 化學工業(yè)出版社,2004. (Pociu A V. Introduction to Bonding Technology and Adhesives [M]. Translated by PAN Shunlong,ZHAO Fei,XU Guanli. 2nd ed. Beijing: Chemistry Industry Press,2004.)

[2]Spaggiari A,Dragoni E. Regularization of Torsional Stresses in Tubular Lap Bonded Joints by Means of Functionally Graded Adhesives [J]. International Journal of Adhesion and Adhesives,2014,53: 23-28.

[3]Homayouni S M,Vasili M R,Hong T S. Bonding Technologies in Manufacturing Engineering [J]. Comprehensive Materials Processing,2014,6: 237-246.

[4]王榕,索紅莉,程艷玲,等. 化學溶液法制備涂層導體過渡層La2Zr2O7厚膜的研究 [J]. 人工晶體學報,2010,39(2): 396-400. (WANG Rong,SUO Hongli,CHENG Yanling,et al. Fabrication of La2Zr2O7Thick Layers by Chemical Solution Deposition for Coated Conductors [J]. Journal of Synthetic Crystals,2010,39(2): 396-400.)

[5]Schmid S H S,Eisenmenger-Sittner C. A Method for Uniformly Coating Powdery Substrates by Magnetron Sputtering [J]. Surface and Coatings Technology,2013,236: 353-360.

[6]WANG Shengmin,HE Mingyi,ZHAO Xiaojun. Bonding Mechanism of Mechanically Deposited Coating/Substrate [J]. Physics Procedia,2013,50: 315-321.

[7]Markatos D N,Tserpes K I,Rau E,et al. The Effects of Manufacturing-Induced and in-Service Related Bonding Quality Reduction on the Mode-Ⅰ Fracture Toughness of Composite Bonded Joints for Aeronautical Use [J]. Composites Part B: Engineering,2013,45(1): 556-564.

[8]鄒德榮,宋銘,張宇馳,等. 提高界面粘接強度的工藝試驗 [J]. 粘接,2008,29(2): 48-50. (ZHOU Derong,SONG Ming,ZHANG Yuchi,et al. Engineering Test of Increasing Interface Bonding Strength [J]. Adhesion in China,2008,29(2): 48-50.)

[9]Lavrentyev A I,Beals J T. Ultrasonic Measurement of the Diffusion Bond Strength [J]. Ultrasonics,2000,38: 513-516.

[10]欒桂冬,張金鐸,王仁乾. 壓電換能器和換能器陣 [M]. 北京： 北京大學出版社,1990. (LUAN Guidong,ZHANG Jinduo,WANG Renqian. Piezoelectric Transducer and Transducer Array [M]. Beijing： Peking University Press,1990.)

[11]吳迪,李明軒,王小民,等. 橫波直探頭的輻射聲場 [J]. 聲學學報. 2007,32(4): 304-309. (WU Di,LI Mingxuan,WANG Xiaomin,et al. The Ultrasonic Transient Field Radiated by a Normal Shear Wave Probe [J]. Acta Acustica,2007,32(4): 304-309.)

[12]韓慶邦,錢夢騄,朱昌平. 激光超聲方法研究固-固界面波傳播特性 [J]. 物理學報,2007,56(1): 313-320. (HAN Qingbang,QIAN Menglu,ZHU Changping. Study on Solid-Solid Interface Waves with Laser Ultrasonics [J]. Acta Physica Sinica,2007,56(1): 313-320.)

[13]WANG Hao,HAN Qingbang,QIAN Menglu. Leaky Interface Wave Measurement at a Solid-Solid Interface with Laser Ultrasonics [J]. Chin Phys Lett,2012,29(10): 104304.

[14]程曦,徐曉東,劉曉峻. 利用激光超聲研究功能梯度材料中聲表面波的傳播特性 [J]. 聲學學報， 2011,36(2)： 145-149. (CHENG Xi， XU Xiaodong， LIU Xiaojun. Studying the Propagating Properties of Surface Acoustic Wave Traveling in Functional Gradient Materials by Laser Ultrasonics [J]. Acta Acustica,2011,36(2)： 145-149.)

(責任編輯： 王 健)

DetectionoftheCoating/SubstrateBondingPropertieswithLaserExcitationandInterferometerTest

SUN Jian1,JIN Wei1,HAN Qingbang2
(1.SchoolofScience,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China;
2.CollegeofIOTEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022,JiangsuProvince,China)

The pulse laser was used to produce laser beam that directly irradiates on the interface between the epoxy coat and aluminum substrate to excite the acoustic waves,an optical interferometer was applied to detecting displacement on the rear epicenter of the aluminum substrate. The results of this experiment show that the amplitude ratio of direct wave and reflected wave is directly related with the interfacial bonding characteristics. The described method could be used to evaluate bonding quality for similar structure.

ultrasonic test; laser ultrasonics; coating/substrate; bonding quality

rear epicenter signals of Al on the centre (A) and on two horns (B)

2013-10-09.

孫 建(1972—),男,漢族,講師,從事超聲檢測實驗的研究,E-mail: hello_sunjian@163.com. 通信作者: 韓慶邦(1965—),男,漢族,博士， 教授,從事超聲檢測及聲信號處理的研究,E-mail: hqb0092@163.com.

國家自然科學基金(批準號: 11274091).

O426.9

A

1671-5489(2014)05-1027-04