玻璃-聚氨酯-玻璃結構界面脫粘缺陷的超聲檢測

，

(西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

玻璃-聚氨酯-玻璃結構界面脫粘缺陷的超聲檢測

楊紅澤，楚瓏晟

(西南交通大學 材料科學與工程學院，成都 610031)

針對動車車窗界面脫粘問題，采用脈沖回波法探索了玻璃-聚氨酯-玻璃3種界面的多層結構所對應的波形特征。結果表明：基于脈沖回波的波峰位置和峰值衰減情況可以判斷缺陷的位置，粘接良好時48 mm和52 mm位置有明顯突起的波峰；一界面脫粘時有大量間隔8 mm的波峰且峰值較高，二界面脫粘時有少量間隔8 mm的波峰且峰值較低；在合理選取判斷基準的前提下，可以通過測長法和當量法對界面脫粘缺陷進行定量分析。

超聲檢測；界面脫粘缺陷；二界面回波；波峰

動車車窗的膠接部分具有玻璃-聚氨酯-玻璃3層結構，受環境和工藝的影響，其在生產過程中會出現缺膠、粘接面污染、不完全固化和部分粘接等缺陷；在服役過程中會出現老化、裂紋、粘附破壞和內聚破壞等問題，從而破壞粘接結構的完整性[1]。膠接結構中，界面脫粘缺陷的隱患最大，在外力作用和使用環境的影響下，可能出現力學性能劣化導致整體失效而引發的安全問題[2]，因此對動車車窗膠接部分的界面脫粘缺陷進行檢測就顯得十分必要。

對于玻璃-聚氨酯-玻璃結構的粘接缺陷，超聲檢測是一種有效的無損檢測手段[3]。目前，用于多層粘接結構的超聲檢測方法主要包括脈沖回波法、板波誘發法、聚焦探頭雙模式檢測法及漏隙Lamb波法等[1]，其中脈沖回波法最為有效。在非線性超聲檢測時，主要通過二次諧波信號與反射基波信號的平方比值和界面粘接質量之間的關系來評價粘接質量[4]。多層結構界面脫粘缺陷的定位研究[5-6]主要集中于復合材料[7-10]、多層金屬殼體[11-12]、金屬-橡膠[13]粘接結構件等層數多但厚度小和衰減小的殼體結構[14-18]，對于厚度大、衰減大的玻璃-聚氨酯-玻璃結構的相關研究則較少見。異種材料多層結構[19]中聲速差異導致波形圖變化的規律也未見報道，界面脫粘缺陷的定量問題尚處于研究階段[20-23]。筆者將使用脈沖回波法分析玻璃-聚氨酯-玻璃結構的界面脫粘缺陷的定位和定量檢測。

1 試驗方法

根據動車車窗的結構和尺寸設計了玻璃-聚氨酯-玻璃結構的試樣(見圖1)，試樣規格(長×寬×高)為(200 mm×30 mm×18 mm)，最上層和最下層為玻璃，陰影為聚氨酯粘接劑[24]，黑色區域為控制膠層厚度的橡膠墊塊，灰色區域為脫粘部分。由于橡膠墊塊附近的空膠現象，將虛框區域作為檢測區，其中設置了粘接良好、一界面脫粘、二界面脫粘3種膠接狀態，脫粘間隙大于0.1 mm。

圖1 玻璃-聚氨酯-玻璃試樣結構示意

表1為玻璃和聚氨酯的聲學和力學特性參數。在同一檢測條件下，兩種材料所反饋的波形特征受聲阻抗和延伸率的影響明顯不同，并且由于縱波聲速差異較大，波形位置也有一定的變化，故檢測參數必須足夠合理才能觀察到各界面回波。

表1 玻璃和聚氨酯的聲學和力學特性參數

使用漢威HS620超聲波探傷儀，以機油作為耦合劑，采用脈沖回波法對試樣進行檢測。檢測采取直探頭單側掃查的方式進行，保持探頭壓力[25]一致的同時記錄穩定后的檢測波形。通過對比，總結出合理的檢測參數為波速5 892 m·s-1，波形觀察范圍100 mm，增益 42 dB，探頭型號2.5P10，補償為0.5 dB。選取玻璃的聲速作為檢測聲速來簡化分析計算的過程；較大的增益和觀察范圍能保證波形的可識別度和精度；2.5 P 10型直探頭是常用探頭中唯一能夠準確檢測圖1所示試樣的探頭。

2 試驗結果與討論

2.1界面脫粘缺陷的定位

在試樣的粘接良好、一界面脫粘、二界面脫粘3種粘接狀態的位置分別得到3種不同的典型波形(見圖2)。

圖2 試樣的3種膠接狀態的典型波形

如圖2(a)所示，0～48 mm之間有多次一界面回波，其中最初幾次的波峰超出屏幕范圍；二界面回波(閘門位置)在48 mm處，三界面回波在52 mm位置處，與其實際深度14 mm和18 mm不符。這是因為試驗時以玻璃聲速5 892 m·s-1作為檢測聲速，遠大于聚氨酯層的聲速1 333 m·s-1，而超聲波探傷儀只以檢測聲速進行波峰定位，導致一界面回波定位準確，聚氨酯層后的二、三界面回波全部向后偏移，偏移量為

式中：x偏移為偏移量;v玻璃為玻璃聲速；d聚氨脂為聚氨脂厚度。

將玻璃、聚氨酯厚度設為s1，s2，衰減系數設為α1，α2；界面的透射率和反射率設為T和R(T+R=1)。當入射波的聲強為I0，一界面的一次回波聲強為：

二界面的一次回波聲強為：

三界面的一次回波聲強為：

I0，s為定值，R≈T。測得α1=0.05 dB·mm-1，α2=2.26 dB·mm-1，α2?α1，在指數的作用下使得I2-1?I1-1，I3-1?I1-1，因此當二、三界面回波峰值達到可識別計算的程度時，一界面最初的幾次回波已超出屏幕顯示范圍。縱波在介質中傳播時，質點振動方向與傳播方向一致，材料的粘滯性造成質點之間的內摩擦，使一部分聲能轉變為內能。同時，介質的熱傳導、稠密與稀疏部分進行熱交換、分子弛豫，造成聲能吸收損耗。這些都是聚氨酯材料對超聲波衰減大的原因。

理論上，一界面脫粘時，R1=1，超聲波不進入聚氨酯層，只會在玻璃層的上下界面來回反射，從而產生多次一界面回波，回波波峰應當每隔4 mm出現一次；根據上述公式，一界面的i次回波聲強為I1-i=I0exp(-4iα1s1)，那么i+1次回波與i次回波的比值為I1-i+1/I1-i=exp(-4α1s1)，其是一個定值，回波峰值應呈指數規律衰減，而實際檢測波形結果并沒有出現這樣的規律。如圖2(b)所示，波峰每隔8 mm出現一次(峰值分別為98.0%，89.6%，64.8%，56.1%，53.3%,…)，峰值比也不是一個定值，分別為0.91，0.72，0.87，0.95，在每一次波峰之間均有一處波高低于兩側波峰的小波峰。超聲探頭的近場區[26]公式為

式中：N為近場區長度；D為探頭直徑；λ為超聲波長。

計算得近場區長度N約為10 mm，遠大于一界面深度。超聲波在近場區內聲壓起伏較大，由于聲波的干涉效應，時而相互疊加出現波峰，時而相互疊加出現波谷，因此檢測結果出現圖2(b)中的特征。

圖2(c)所示的二界面脫粘的波形圖中，只有少量峰值較低的一界面回波，沒有出現理論上應該存在的二界面回波，這是因為聚氨酯層的界面脫粘缺陷不是光滑平整的。進一步使用掃描電鏡分析，聚氨酯界面的SEM形貌如圖3所示，粘接良好的聚氨酯界面除去少量雜質(白色亮點)、凹坑(黑色區域)和輕微褶皺(白色細線)外，基本是平整光滑的；脫粘處的聚氨酯界面不僅凹凸不平，而且存在大量由于撕裂、剪切、剝離等力學行為導致的大顆粒聚氨酯殘留物。因此，超聲波在缺陷處的漫反射使本就微弱的回波信號淹沒在雜波當中，從而無法觀測，同時聚氨酯層消耗近半聲能，因此一界面回波數量少、峰值低。

圖3 聚氨酯界面的SEM形貌

綜合比較3種膠接狀態的典型波形，利用波形特點可以判斷玻璃-聚氨酯-玻璃多層結構的粘接情況，并確定界面脫粘的位置。粘接良好時，48 mm和52 mm位置有明顯突起的波峰；一界面脫粘時，有大量間隔8 mm的波峰，且峰值較高；二界面脫粘時，有少量間隔8 mm的波峰，且峰值較低。

2.2界面脫粘缺陷的定量檢測

依據檢測波形判斷界面脫粘位置后，量化缺陷面積對于判斷結構的安全隱患十分必要。在金屬焊縫和超薄復合材料的定量超聲檢測中，測長法、底波峰值法和當量法最為常用。由于玻璃-聚氨酯-玻璃結構一界面深度太小，回波峰值的精度受到探頭近場區聲壓起伏和聲波干涉的影響，在使用這些方法計算和比較時，需要在合理的參數設定條件下稍作變化，其中測長法和當量法對玻璃-聚氨酯-玻璃結構的界面脫粘缺陷進行定量分析最有效。

2.2.1 測長法

對于缺陷大于波束截面的情況，可以用測長法測量脫粘缺陷面積。試驗采用半峰值法，將二界面回波峰值作為“基準”，沿脫粘缺陷長度方向移動探頭，以降低的dB值判定長度。半峰值法測長原理如圖4所示，當二界面回波峰值達到80%時為粘接良好；二界面回波峰值為一半時(40%)即確定脫粘缺陷的邊界，缺陷多為連續片狀。重復操作便能判定脫粘面積，合理地增加半峰值測量點可以提高定量精確度。

圖4 半峰值法測長原理示意

2.2.2 當量法

由于動車車窗尺寸的原因，缺陷面積大多小于波束截面，此時用當量法進行定量檢測更加準確。

計算法：二界面深度大于探頭近場區，規則反射體的回波聲壓變化規律基本滿足球面波擴散的變化規律，根據二界面回波峰值(dB值)，規則反射體的理論回波聲壓公式為

式中：a為與聲源點的距離；x為球面波在平面上反射后與反射面的距離；P0為探頭的起始聲壓。

從而通過計算可以確定界面脫粘缺陷面積。

曲線法：缺陷面積與二界面回波峰值密切相關，面積越大，峰值越低。據此，通過試塊預先作出“面積-峰值”當量曲線，再由實際檢測回波對比曲線確定脫粘面積。圖5為在42 dB增益時的一界面脫粘和二界面脫粘“面積-峰值”當量曲線，合理增加測量點可提高曲線精度，采用同樣的原理還可繪制“增益-缺陷尺寸-距離”曲線、“增益-面積-峰值”曲線等進行當量測定。

圖5 試樣在42 dB增益時的一界面和二界面脫粘“面積-峰值”當量曲線

如圖5(b)所示，二界面回波峰值隨二界面脫粘面積的增加逐漸降低。二界面脫粘時，一界面回波峰值保持不變，二界面回波峰值隨著脫粘面積的增加而減少，因此二界面脫粘的“面積-峰值”曲線與一界面脫粘的不同。

在圖5中，隨著一界面脫粘面積(探頭面積占比)的增加，二界面峰值(屏幕縱向占比)先降低后增加，在一定范圍內，一個峰值將對應兩個脫粘面積。這是由于一界面不完全脫粘時，波形圖中48 mm位置處的峰值是二界面回波與一界面回波的疊加，此時一界面回波峰值的影響遠大于二界面。當出現上述情況時，利用波形特征可以確定脫粘面積，相同峰值不同面積的波形對比如圖6所示，當48 mm處峰值均為62%時，脫粘面積大的波形更趨向于完全脫粘時的波形，反之亦然。

圖6 試樣相同峰值不同面積的波形對比

在工程應用中，將當量曲線輸入檢測設備中并設置報警閾值，可大大提高檢測效率。由于影響超聲探頭接收缺陷反射波的因素很多，以及動車車窗結構和材料的特殊性，以上定量方法都存在一定程度的誤差，精度還有待進一步提高。

3 結論

(1) 根據波形特征可以對玻璃-聚氨酯-玻璃3層結構界面脫粘缺陷進行判斷并定位。

(2) 測長法和當量法對界面脫粘缺陷面積進行量化要以二界面回波作為基準，檢測精度有待提高。

[1] 徐猛,徐彥霖, 王增勇,等. 粘接結構的超聲檢測技術及其進展[J]. 機械, 2007, 34(6):56-58.

[2] 王雷. 基于超聲測量的聚合物粘接界面表征方法研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2014.

[3] 吳德新, 黃通生. 不同被檢材料中不同缺陷超聲波檢測的波形識別[J]. 機電產品開發與創新, 2010, 23(2):142-143.

[4] 凡麗梅, 王從科, 趙付寶,等. 粘接結構件粘接質量無損檢測與信號處理技術研究[J]. 廣東化工, 2015, 42(21):103-105.

[5] 艾春安. 多層結構超聲檢測理論與技術[M].北京:國防工業出版社, 2014.

[6] 許遵言, 黃慶軍, 吳正彪. 超聲檢測中缺陷顯示長度的修正[J]. 無損檢測, 2016, 38(12):25-27.

[7] YI D, CHEN J H, GAO F Q, et al. Ultrasonic detection of debond in multi-layer adhesive structure based on wavelet-packet transform[C]//IEEE Conference on Industrial Electronics & Applications.[S.l.]:[s.n], 2009.

[8] MASSEREY B, RAEMY C, FROMME P. High-frequency guided ultrasonic waves for hidden defect detection in multi-layered aircraft structures[J]. Ultrasonics, 2014, 54(7):1720-1728.

[9] 傅天航, 劉松平. 淺談復合材料超聲手動掃描成像檢測[J]. 無損檢測, 2012, 34(8):50-54.

[10] 劉晶晶. 碳纖維增強樹脂基復合材料結構的超聲檢測[J]. 無損檢測, 2016, 38(10):64-66.

[11] 徐猛. 多層金屬粘接結構粘接質量的超聲檢測[D]. 綿陽：中國工程物理研究院, 2007.

[12] HAGGLUND F, MARTINSSON J, CARLSON J E. Ultrasonic imaging of thin layers within multi-layered structures[J]. Ultrasonics Symposium,2010,21(1):828-831.

[13] 余春華,齊杏林,任亮亮.金屬-橡膠多層粘接結構超聲檢測信號處理方法[J].信息技術,2011(8):169-172.

[14] LE M, KIM J, KIM S, et al. Nondestructive testing of pitting corrosion cracks in rivet of multilayer structures[J].International Journal of Precision Engineering & Manufacturing,2016,17(11):1433-1442.

[15] CALVEZ J L L, BRILL T M, KLIEBER C. Separation of leaky lamb modes for ultrasonic evaluation of multilayer structures[J].Physics Procedia,2015,70:305-308.

[16] 袁華, 王召巴.多界面脫粘檢測技術的研究[J]. 機械管理開發, 2008, 23(5):37-38.

[17] 袁紅梅. 粘結結構界面缺陷超聲檢測技術及其應用研究[D].北京:北京工業大學, 2009.

[18] 毛捷, 廉國選, 王小民,等. 玻璃鋼/多層橡膠粘接結構的脫粘檢測[C]// 中國聲學學會2002年全國聲學學術會議.[S.l.]:[s.n],2002.

[19] 張國強. 異種材料多層結構超聲波傳播特征及檢測方法研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2011.

[20] 陳友興. 多界面超聲脫粘檢測的方法研究及信號處理[D].太原:華北工學院, 2004.

[21] 王興義,程巍,常鑫,等.一種超聲波探傷缺陷定位測量裝置及其使用方法:中國,CN105277613A[P].2016-01-27.

[22] 苗雨升. 超聲檢測測量缺陷大小的方法介紹[J]. 科技視界, 2015(31):94-95.

[23] 敦怡, 師小紅, 徐章遂. 金屬-非金屬多層膠結結構中深層脫粘缺陷的檢測與定位[J]. 煤礦機械, 2006, 27(8):177-179.

[24] 秦曉哲, 李長新, 王軍田. 高鐵側窗粘接強度試驗裝置的研制與應用[J].黑龍江科技信息,2014(35):35-37.

[25] 肖峰, 俞衛權, 桂興亮. 超聲檢測時探頭壓力對缺陷尺寸評定的影響[J]. 無損檢測, 2015, 37(6):74-76.

[26] 邢耀淇, 高佳楠, 陳以方. 超聲近場導波在薄壁管檢測中的應用[J]. 無損檢測, 2016, 38(2):5-8.

UltrasonicTestingforInterfacialDebondingDefectofGlass-Polyurethane-GlassStructure

YANG Hongze, CHU Longsheng

(School of Material Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

The problem of interface debonding is a major hidden danger in operation of the vehicle. The experiment used longitudinal pulse-echo method, summarized the characteristics of three kinds of interface condition: there were obvious protruding crest at 48 mm and 52 mm when bonding well; when first-interface debond appeared, there was a large number of crest with 8 mm interval and high peak value; there was less crest with 8 mm interval and low peak when second-interface was of debond. Last, it was proven that length measurement and equivalent method as quantitative methods of interface debond defect was feasible when reasonable judgment benchmark was selected.

ultrasonic testing; interfacial debonding defect; second-interface echo; peak

2017-03-20

楊紅澤(1992-),男，碩士研究生，研究方向為多層結構的無損檢測， hongze_yang@yeah.net

楚瓏晟(1974-),男，博士，副教授，研究方向為功能材料、軌道交通關鍵材料，lshchu@swjtu.cn

10.11973/wsjc201711012

TB559；TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0053-05