多層粘接材料深層界面脫粘的超聲諧振檢測(cè)方法

徐先純， 郝 娟， 郭燦志， 肖定國(guó)

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081; 2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

多層粘接材料在制造成型和服役狀態(tài)期間容易產(chǎn)生大面積的脫粘現(xiàn)象，進(jìn)而造成部件功能的失效以及產(chǎn)生極大的安全隱患，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷，將會(huì)帶來(lái)巨大的損失。因此，材料層間脫粘缺陷的無(wú)損檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。目前多層粘接材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)的主要聲學(xué)檢測(cè)方法包括脈沖超聲反射、脈沖超聲穿透、聲阻、聲諧振、超聲導(dǎo)波以及敲擊等。當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)的聲衰減較高或只允許在一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲反射和透射、超聲導(dǎo)波、光學(xué)以及紅外熱波等檢測(cè)技術(shù)方法難以得到應(yīng)用。超聲諧振檢測(cè)技術(shù)能夠克服這些問(wèn)題且有較高的檢測(cè)靈敏度，因此具有較好的應(yīng)用前景[4]。

針對(duì)多層粘接材料界面聲波傳遞理論模型，Thomson[5]和Brekhoviskikh[6]等將多層材料簡(jiǎn)化為半無(wú)限大的物體，利用斜入射法研究了反射透射與諧振頻率之間的變化關(guān)系。王小民[7]等基于膠接結(jié)構(gòu)的超聲反射頻譜的低頻特征，使用分層系統(tǒng)的諧振率漂移量反演出膠結(jié)層厚度并對(duì)膠結(jié)層內(nèi)聚強(qiáng)度做出評(píng)價(jià)。安志武[8]等建立了“鋁-膠-鋁”等厚粘接件的超聲反射譜低頻特征，指出了諧振頻率的右峰漂移量反演粘接情況的膠層勁度系數(shù)的可能性。Yang[9]等建立了聲波在多層介質(zhì)中傳播的頻域模型，研究了層狀碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)在空隙內(nèi)的超聲脈沖信號(hào)共振特征。陳穎[10]等，利用等效的機(jī)電網(wǎng)絡(luò)圖分析了超聲諧振檢測(cè)技術(shù)原理，對(duì)編織石英/酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料粘接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)技術(shù)研究。Dominguez[11-12]利用時(shí)頻分析技術(shù)分析缺陷對(duì)超聲共振的影響，并確定缺陷的位置。

目前關(guān)于聲諧振檢測(cè)技術(shù)主要集中于理論研究，在實(shí)際的檢測(cè)應(yīng)用中，也主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)。本文通過(guò)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)分析了聲諧振檢測(cè)的基本原理，并使用有限元軟件建立多層材料深層界面脫粘檢測(cè)的簡(jiǎn)化模型，分析了脫粘和粘接良好兩種情況下的時(shí)域和頻域特性。對(duì)含有人工脫粘缺陷的某圓柱構(gòu)件進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到了典型頻率下的A掃檢測(cè)信號(hào)，使用機(jī)械手平臺(tái)對(duì)人工缺陷樣件進(jìn)行了自動(dòng)化C掃查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的可靠性，為多層粘接材料深層界面脫粘的研究提供了有效手段。根據(jù)一些學(xué)者[13-14]提出的缺陷信息量化表征方法，本文也提出了幾種用于聲諧振檢測(cè)缺陷信號(hào)量化判別的方法，并由此得出了該構(gòu)件的最優(yōu)檢測(cè)頻率參數(shù)。

1 超聲諧振檢測(cè)理論基礎(chǔ)

聲諧振檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型可模擬為具有阻尼的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)單自由度結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。當(dāng)激勵(lì)力為F0sinωt時(shí)，該振動(dòng)屬受迫簡(jiǎn)諧振動(dòng)。若給予系統(tǒng)的為一脈沖激勵(lì)，可以將其模擬為一個(gè)具有初始位移或初始速度的自由振動(dòng)，從而使脈沖激勵(lì)響應(yīng)具有與自由振動(dòng)相同的形式。

圖1 單自由度系統(tǒng)彈簧質(zhì)量模型及典型頻響曲線(xiàn)

在正弦力的作用下，圖1 所示的單自由度結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程為：

φ—起始相位，決定于起始條件。

倘若ζ很小，式（2）可以簡(jiǎn)化為：

單自由度系統(tǒng)的典型頻率響應(yīng)如圖1所示。在輸入頻率作用下，被檢結(jié)構(gòu)作為換能器的負(fù)載，其聲阻抗率的變化必然會(huì)改變換能器電信號(hào)輸出的某些特性，如振幅、相位、諧振頻率等。因而，測(cè)量換能器的振幅、頻率或相位就能評(píng)定結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。

當(dāng)被檢測(cè)試件的厚度為λ/2[15]（λ 為波長(zhǎng)）的整數(shù)倍時(shí)，試件下面的反射波與入射波互相疊加而形成駐波時(shí)，試件會(huì)在厚度方向產(chǎn)生諧振。由此可得被測(cè)件的厚度與諧振頻率之間的關(guān)系：

式中：c— 被檢測(cè)材料的聲速；

fn— 聲波諧振頻率；

d —試件的厚度；

n— 半波長(zhǎng)的倍數(shù)。

當(dāng)n=1時(shí)， f1為所得的為基本諧振頻率，即諧振發(fā)生在半波長(zhǎng)的時(shí)候；當(dāng) n=2，3，4，···時(shí)，諧振發(fā)生在半波長(zhǎng)的n 倍，n一般優(yōu)先取較小值。

2 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

本文利用有限元軟件COMSOL Multiphysics的固體力學(xué)模塊建立了某構(gòu)件的二界面脫粘低頻諧振檢測(cè)有限元模型。該構(gòu)件主要由三層不同的材料組成，其中第一層為高強(qiáng)度鋼，厚度2 mm；第二層為橡膠，厚度5 mm；第三層為藥劑，直徑為90 mm。考慮到模型的對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維的問(wèn)題進(jìn)行研究，從而極大降低了計(jì)算量。簡(jiǎn)化后的二維模型如圖2所示。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，選取有限的區(qū)域進(jìn)行仿真，在圖中的黃色區(qū)域設(shè)置了低反射邊界以模擬半無(wú)限大的材料延伸。將構(gòu)件的外輪廓設(shè)置成自由邊界，在特定位置設(shè)置直徑20 mm的超聲檢測(cè)探頭激勵(lì)源，在時(shí)域模式下的激勵(lì)設(shè)置為1個(gè)周期的正弦信號(hào)，頻率模式下的激勵(lì)設(shè)置為固定位移。為模擬脫粘條件，在二界面處剪切適當(dāng)尺寸的區(qū)域。并在探頭與構(gòu)件接觸的中心位置插入二維點(diǎn)作為信號(hào)采集的參考點(diǎn)。

圖2 COMSOL環(huán)境下二界面脫粘聲諧振檢測(cè)模型

2.2 缺陷尺寸時(shí)域波形比較

為了研究脫粘缺陷尺寸對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，使用該有限元模型分別對(duì)無(wú)脫粘缺陷，脫粘缺陷尺寸10 mm、20 mm、30 mm的情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。并得到了相應(yīng)的時(shí)域檢測(cè)波形，如圖3（激勵(lì)頻率0.5 MHz）所示。根據(jù)圖示比較，我們能夠明顯得出無(wú)脫粘缺陷的信號(hào)的整體幅值較小，證明其衰減程度較大，因此能夠根據(jù)這一特點(diǎn)辨別出脫粘和無(wú)脫粘的情況。脫粘粘缺陷的尺寸對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響并不顯著，無(wú)法直觀(guān)辨別其差別。

圖3 0.5 MHz激勵(lì)源下不同大小缺陷檢測(cè)信號(hào)仿真結(jié)果

2.3 諧振頻率仿真分析

為探究檢測(cè)頻率對(duì)脫粘檢測(cè)效果的影響，在頻域下對(duì)無(wú)脫粘和有脫粘缺陷（缺陷尺寸20 mm）的模型進(jìn)行仿真分析。根據(jù)式（4）可得該構(gòu)件第一層（d=2 mm，v=5 200 m/s）的基本諧振頻率理論值f11=1.3 MHz，第二層（d=5 mm，v=1 130 m/s）的基本諧振頻率理論值f21=0.113 MHz。優(yōu)先取第二層一階諧振頻率，同時(shí)也應(yīng)避開(kāi)第一層金屬殼體的諧振頻率，因此仿真選取的求解頻率范圍為0.01～1 MHz。根據(jù)圖4中頻率曲線(xiàn)可以看出，模型在0.1 MHz、0.5 MHz、0.7 MHz等幾個(gè)頻率附近出現(xiàn)了諧振峰值。根據(jù)理論分析，0.1 MHz接近橡膠層的基本諧振頻率，其他均為高階諧振頻率。

圖4 無(wú)脫粘和有脫粘缺陷的低頻響應(yīng)

分別在瞬態(tài)模式下計(jì)算0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz 3個(gè)典型頻率激勵(lì)情況下不同粘接情況下的時(shí)域波形。為更加直觀(guān)地分辨信號(hào)之間的差別，分別對(duì)各波形信號(hào)取上包絡(luò)曲線(xiàn)，以反映其接收信號(hào)的能量強(qiáng)度。如圖5所示，根據(jù)仿真結(jié)果的對(duì)比可知，在0.1 MHz頻率激勵(lì)下，無(wú)脫粘和脫粘部位檢測(cè)信號(hào)能量大小對(duì)比最為明顯，在0.5 MHz和0.25 MHz正弦信號(hào)激勵(lì)下，也能夠明顯辨別出無(wú)脫粘和脫粘的檢測(cè)信號(hào)。

圖5 典型頻率激勵(lì)下脫粘缺陷檢測(cè)信號(hào)對(duì)比

根據(jù)圖5觀(guān)察相同激勵(lì)下不同尺寸脫粘的檢測(cè)信號(hào)趨勢(shì)較為接近，無(wú)法直觀(guān)辨別。為反映預(yù)制脫粘缺陷尺寸對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，由仿真模型計(jì)算得出信號(hào)總能量隨缺陷尺寸變化的曲線(xiàn)，如圖6所示。由此可見(jiàn)在仿真條件下，當(dāng)缺陷出現(xiàn)時(shí)，局部剛度產(chǎn)生突變，隨著脫粘面積的進(jìn)一步擴(kuò)大，其影響逐漸趨于平穩(wěn)。

圖6 典型頻率激勵(lì)下信號(hào)能量隨缺陷尺寸變化的曲線(xiàn)

3 超聲諧振檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

3.1 超聲諧振檢測(cè)系統(tǒng)及被測(cè)試件

為了驗(yàn)證超聲諧振法對(duì)二界面脫粘檢測(cè)的可靠性，按照某一型號(hào)構(gòu)件制作了含有人工缺陷的樣件，人工缺陷位于橡膠層和藥劑粘接的二界面。人工缺陷一共4組（沿該構(gòu)件圓周方向分布），每組中人工缺陷沿軸向分布，人工缺陷的尺寸大小分別為5 mm×5 mm、10 mm×10 mm、15 mm×15 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm，其分布如圖7(a)所示，對(duì)缺陷進(jìn)行編號(hào)，共有10個(gè)脫粘缺陷。

使用自研的超聲諧振檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行A掃實(shí)驗(yàn)，如圖7(b)所示，該系統(tǒng)由超聲收發(fā)儀和超聲換能器組成，超聲收發(fā)儀負(fù)責(zé)對(duì)超聲換能器進(jìn)行激勵(lì)，激發(fā)換能器產(chǎn)生超聲聲束。換能器使用奧林巴斯公司的Videoscan縱波平探頭系列產(chǎn)品，探頭的中心頻率為 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz，帶寬均大于65%。采用手持的方法，將探頭置于缺陷樣件外表面，并用耦合劑耦合好；采用自收自發(fā)的模式進(jìn)行檢測(cè)。

圖7 多層粘接材料深層界面脫粘超聲諧振A掃實(shí)驗(yàn)

3.2 典型頻率下的A掃信號(hào)及其FFT波形

通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)得到無(wú)脫粘部分、人工脫粘缺陷部位典型信號(hào)波形如圖8所示。由于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示，脫粘尺寸對(duì)A掃信號(hào)幅值影響并不顯著，因此后續(xù)均使用脫粘20 mm×20 mm缺陷處的檢測(cè)結(jié)果作為參考值。由圖示檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)樣件二界面含有人工缺陷時(shí)，A掃檢測(cè)信號(hào)與無(wú)脫粘缺陷時(shí)的A掃信號(hào)發(fā)生了明顯的不同，尾波的能量均大于無(wú)脫粘時(shí)尾部的能量。可以觀(guān)察到在時(shí)間120～125 μs處，存在微弱的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行時(shí)域計(jì)算分析可知，該特征為圓柱構(gòu)件徑向?qū)Χ诉吔绲姆瓷湫盘?hào)。當(dāng)出現(xiàn)該特征時(shí)，證明接觸探頭法向入射且接觸良好，檢測(cè)信號(hào)較為可靠。

圖8 不同激勵(lì)下粘接良好與脫粘缺陷處的A掃波形

通過(guò)對(duì)上述 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz檢測(cè)頻率下的A掃描信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）得到圖9所示的頻譜圖，同一頻率下對(duì)比粘接良好與脫粘缺陷信號(hào)的頻譜，總體上頻率曲線(xiàn)幅度有脫粘缺陷的較粘接良好的大。其中，得到頻譜峰值點(diǎn)（0.266，0.362），（0.112，0.976）；（0.18，0.386），（0.113，0.692）；（0.304，0.343），（0.311，0.672）。對(duì)比各組峰值數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)有脫粘缺陷時(shí)頻譜的峰值較粘接良好的明顯增大。

圖9 不同激勵(lì)下粘接良好與脫粘缺陷處的A掃波形FFT頻譜

3.3 脫粘檢測(cè)的對(duì)比度分析與對(duì)比

超聲諧振檢測(cè)主要是通過(guò)對(duì)比脫粘區(qū)域信號(hào)與正常粘接區(qū)域的信號(hào)的區(qū)別來(lái)判斷缺陷的。當(dāng)信號(hào)的區(qū)別越大時(shí)，證明檢測(cè)的效果越好。因此，為進(jìn)一步量化檢測(cè)效果，在此處定義檢測(cè)信號(hào)的區(qū)分度=（脫粘值–粘接良好值）/脫粘值。在表1中，分別通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)信號(hào)取幅值積分，取上包絡(luò)線(xiàn)積分，信號(hào)FFT峰值，以及信號(hào)的總能量四種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較不同頻率下信號(hào)的區(qū)分度。從表中可以看出，幾種方法均能夠分辨出脫粘區(qū)域信號(hào)。其中，信號(hào)能量的區(qū)分度最高，信號(hào)上包絡(luò)積分能夠更好地反映A掃波形的總體趨勢(shì)，信號(hào)FFT峰值更加直觀(guān)，都具有較好的效果。

表1 不同頻率下信號(hào)的區(qū)分度的比較（脫粘20 mm×20 mm）

圖10為 0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz 3個(gè)典型頻率下檢測(cè)效果的實(shí)驗(yàn)值和仿真值，該對(duì)比度值均為求信號(hào)上包絡(luò)積分得到。通過(guò)圖10分析可知，由于0.1 MHz更加接近橡膠層的基本諧振頻率，因此其檢測(cè)效果最好。其對(duì)比度超過(guò)0.6。仿真值與實(shí)驗(yàn)值接近，總體規(guī)律也一致，仿真模型在一定程度上具備可靠性。

圖10 3個(gè)典型頻率下實(shí)驗(yàn)值與仿真值的對(duì)比度

3.4 脫粘缺陷的機(jī)械手超聲諧振檢測(cè)

基于機(jī)械手的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)是一種通用的多自由度柔性檢測(cè)平臺(tái)，適合復(fù)雜表面構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)，該平臺(tái)可以搭載接觸式耦合劑超聲、水浸耦合超聲、噴水耦合超聲、空氣耦合超聲、激光超聲、電磁與渦流、熱波檢測(cè)、磁粉或滲透、圖像光學(xué)測(cè)量、射線(xiàn)穿透等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在航空航天、兵器、船舶等領(lǐng)域的大型復(fù)雜構(gòu)件自動(dòng)化檢測(cè)中具備極高的應(yīng)用價(jià)值。

如圖11所示，使用機(jī)械手平臺(tái)搭載超聲諧振檢測(cè)儀對(duì)人工脫粘缺陷樣件進(jìn)行自動(dòng)化C掃描檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)探頭的中心頻率為0.1 MHz。檢測(cè)前需要將耦合劑均勻涂抹在待檢測(cè)表面，并通過(guò)專(zhuān)用的超聲探頭夾具使探頭和工件表面具備一定的預(yù)緊接觸力，保證接觸面耦合良好。

圖11 機(jī)械手超聲諧振檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖12為人工脫粘缺陷樣件的C掃描結(jié)果，從圖中可以觀(guān)察到，一共4組，編號(hào)1～10的10個(gè)二界面脫粘缺陷中，除8號(hào)缺陷未檢測(cè)出，其余的缺陷均有較好的檢測(cè)效果。

圖12 人工脫粘缺陷的C掃結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)彈簧質(zhì)量模型分析了多層粘接材料聲諧振檢測(cè)的基本原理。脫粘缺陷的存在會(huì)顯著改變構(gòu)件的聲阻抗率，必然會(huì)改變換能器電信號(hào)輸出的某些特性，如振幅、相位、諧振頻率等。因而，可通過(guò)換能器的該特性來(lái)評(píng)定檢測(cè)部位是否存在缺陷。本文的主要研究工作如下：

1）基于有限元軟件的固體力學(xué)模塊建立了某多層粘接材料二界面脫粘的聲諧振檢測(cè)有限元模型。計(jì)算得出模型的諧振頻率曲線(xiàn)，通過(guò)時(shí)域仿真結(jié)果顯示，在 0.5 MHz、0.25 MHz、0.1 MHz諧振頻率的激勵(lì)下，含有脫粘缺陷模型的檢測(cè)信號(hào)能量強(qiáng)于無(wú)脫粘模型的檢測(cè)信號(hào)能量。其中，0.1 MHz激勵(lì)下，總體的檢測(cè)信號(hào)幅值較大，檢測(cè)信號(hào)能量幅度對(duì)比也較為明顯。

2）使用了自研的低頻超聲諧振檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)含有人工缺陷的某一型號(hào)構(gòu)件樣件進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。使用0.1 MHz、0.25 MHz、0.5 MHz探頭得到了無(wú)脫粘部分、人工缺陷部分的檢測(cè)信號(hào)波形。通過(guò)引入對(duì)比度這一概念量化檢測(cè)效果，并分別通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)取幅值積分，取信號(hào)上包絡(luò)線(xiàn)積分，信號(hào)FFT峰值，以及信號(hào)的總能量4種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較區(qū)分度，其中取信號(hào)的總能量的方法效果較好。通過(guò)對(duì)比可知，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果具有較高的一致性。在0.1 MHz檢測(cè)頻率下的效果較好。因此，對(duì)于多層材料界面脫粘檢測(cè)時(shí)，因優(yōu)先選擇接近脫粘層的基本諧振頻率作為檢測(cè)頻率。

3）使用機(jī)械手平臺(tái)搭載超聲諧振檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)人工缺陷樣件進(jìn)行了自動(dòng)化掃查。C掃結(jié)果顯示，1～10號(hào)缺陷中，除8號(hào)缺陷外其余缺陷均能夠較好的檢測(cè)出。因此，該系統(tǒng)能夠檢測(cè)出Φ5 mm以上的脫粘缺陷。