基于電磁超聲的金屬/橡膠復合結構黏接質量評價方法

董方旭,陳建偉,凡麗梅,孫 巖,段 劍,湯振鶴,孫良文

(1.中國兵器工業集團 第五三研究所,山東 濟南 250031;2.齊魯工業大學(山東省科學院) 激光研究所,山東 濟南 250100)

隨著經濟和科學技術的蓬勃發展,金屬黏接結構因具有較好的綜合性能被廣泛應用于許多領域,如汽車、發動機、油氣管道、航天軍工等[1-3]。在實際工程應用中,金屬/非金屬黏接結構的黏接質量要求較高,但是在材料生產加工和黏接的過程中,由于被黏物表面不干凈、被黏接的兩表面之間配合不嚴、黏接劑的內部存在氣體、灰塵等原因,使得黏接結構中出現氣泡、脫黏、黏接強度下降、耐久性和可靠性降低等,將會造成產品質量下降、服役過程易脫黏甚至會造成嚴重的安全事故[4-5],因此對金屬/非金屬黏接結構的黏接質量評價具有重要意義。

國內外對于黏接結構的無損檢測方法已經做了大量的研究,主要有射線技術、紅外熱像技術、聲發射技術、散斑干涉技術及超聲波技術等,每一種方法都有一定的適用范圍和適用對象[6-9]。其中超聲檢測法因具有穿透力強、指向性好的特點而被廣泛應用,傳統超聲的壓電探頭與被測物件之間需要耦合劑,因此難以應用在不規則和粗糙表面的檢測環境。電磁超聲檢測技術是無損檢測領域出現的新技術,具有無需耦合介質、對被測體表面無要求、檢測費用低等優勢,成為近些年來無損檢測領域的熱門研究方向[10-11],對于金屬/非金屬黏接結構的檢測應用具有很大的潛力。

許多學者已經對基于電磁超聲技術的金屬/非金屬脫黏檢測方法進行了研究,解放軍部隊的穆洪彬等基于電磁超聲橫波技術實現了對D14 mm平面脫黏區域的識別[12],陳玉基于電磁超聲橫波技術對金屬/橡膠界面約20 mm×30 mm的平面脫黏區域實現了檢測成像[13],Koodalil等基于電磁超聲SH波實現了對鋁黏接界面的黏接質量評價[14]。基于電磁超聲的金屬/非金屬脫黏檢測研究,已報道的多是針對平面較大區域的識別,本文基于研制的小型電磁超聲傳感器,系統地研究了電磁超聲工作頻率、提離距離對于檢測效果的影響,實現了對圓柱面D8 mm、D10 mm及D12 mm脫黏區域的識別成像。

1 理論分析

當超聲波垂直入射于兩種聲阻抗不同的介質界面上時,反射波以與入射波方向相反的路徑返回,且有部分超聲波透過界面射入第二介質。如圖1所示,以鋼和橡膠兩種介質為例,平面界面上入射聲壓為P0,反射聲壓為Pr,透射聲壓為Pt。若聲束一側介質鋼的聲阻抗為Z1,透射一側介質黏接層(橡膠)聲阻抗為Z2,根據界面上聲壓連續和振速連續的原則,則可以分別得到式(1)聲壓反射系數γp和式(2)透射系數τp[13]:

γp=pr/p0=(Z2-Z1)/(Z1+Z2)

(1)

τp=pt/p0=2Z2/(Z1+Z2)

(2)

當存在脫黏情況時,鋼與橡膠之間的介質為空氣,聲波在此界面發生近似全反射,電磁超聲傳感器接收到的回波能量較高,因此可以利用對回波信號的時域分析對脫黏情況進行判斷。

圖1 鋼/橡膠脫黏檢測模型

采用電磁超聲進行信號激勵接收時,脫黏與否對激勵過程無影響,只考慮接收過程。當超聲波傳播到電磁超聲傳感器(EMATs)的接收線圈處時,運動的帶電粒子在外加偏置磁場作用下產生動態電流,其電流密度(JL)見式(3)。

JL=σv×B0

(3)

式中:v代表帶電粒子的振動速度,動態電流密度會在其周圍產生動態磁場,處于此動態磁場中的EMATs接收線圈會產生感應電動勢,即為線圈的接收信號;σ代表材料的電導率;B0代表永磁鐵提供的靜態磁場強度。

在線圈接收信號的過程中,求解區域的磁場由渦流密度和線圈中的源電流密度共同提供。一般而言,接收線圈為開路狀態,其總電流為零。則接收線圈和被測試樣各區域所滿足的控制方程見式(4)。

(4)

式中:A代表質量磁位;σ代表材料的電導率;μ為磁導率;t為時間;s為有效面積;Ωc為目標積分區域;JL為電流密度;

在求解式(4)得到各區域的矢量磁位后,進而要計算接收線圈的感應電動勢(E)。線圈導體內的感應電場見式(5)。

(5)

線圈中某點導體的電動勢(Vpout)可通過對電場強度進行線積分獲得,見式(6)。

(6)

則線圈的輸出電壓(Vout)可通過對線圈所包含的點導體電動勢求取平均獲得,見式(7)。

(7)

因此,電磁超聲的接收電壓與粒子振動速度成正比,同時超聲場中任一點的聲壓(P)與該處質點振動速度(v)關系見式(8)。

P=ρcv

(8)

式中:ρ為介質密度;c為介質聲速。因此可得幅值信號(Vout)與聲壓成正比,見式(9)。

Vout∝v∝P

(9)

(10)

假設不脫黏情況下鋼與橡膠界面聲壓反射系數為γp1,發生脫黏時鋼與空氣界面聲壓反射系數為γp2,已知鋼的聲阻抗為4.53×106g/(cm2·s),空氣的聲阻抗為40 g/(cm2·s),橡膠黏接層的聲阻抗約為3×105g/(cm2·s),則可得γp1≈-0.876,γp2≈-1,因此空氣界面時回波信號衰減很小,而不脫黏時回波信號呈梯度下降,此特征作為黏接質量評價的理論依據。系數γp1和γp2相差較小,為了更清晰地反映脫黏情況,采用多次回波系數建立黏接表征系數(d),見式(11)。

(11)

n越大則黏接表征系數d越大,且正常黏接與脫黏區域的系數差別越大,所以信號的信噪比越好,能夠得到的回波次數越多,越能夠更好地對界面黏接質量進行評價。

為了便于評價電磁超聲檢測系統的脫黏檢測能力,即系統對脫黏和非脫黏區域的識別區分能力,建立系統脫黏檢測能力表征系數t,見式(12)。

(12)

式中:P01、Pr1表示在正常黏接時的入射聲壓和反射聲壓,P02、Pr2表示在脫黏區域的入射聲壓和反射聲壓,因此t值越大表明系統的脫黏檢測能力越強。

2 實驗部分

2.1 試樣制備

本文針對實際的檢測需求,以圖2所示零件為研究對象進行試樣制備。如圖2所示,脫黏位置外側鋼管的直徑約為105 mm,制備了三個脫黏區域,直徑分別為8 mm、10 mm和12 mm。其中,外側材料為鋼,內側材料為橡膠,具體的材料聲阻抗值如表1所示。

圖2 脫黏試件制備示意圖

表1 材料聲阻抗

2.2 傳感器研制

為了提高檢測分辨率,需要傳感器具有較好的聲場指向性,設計了如圖3所示的橫波電磁超聲傳感器。其中,線圈采用蝶形線圈,工作區域大小為5.5 mm×5.5 mm,磁鐵采用N52釹鐵硼永磁鐵,直徑為12 mm、厚度為10 mm,封裝后的傳感器尺寸為D17 mm×15 mm,該傳感器具有體積小聲場指向性好的特點。

圖3 橫波電磁超聲傳感器

2.3 實驗裝置

利用Ritec聲發射系統、電磁超聲傳感器和制備好的試樣搭建電磁超聲檢測系統,實驗裝置如圖4所示,主要包括Ritec RAM-5000聲發射系統、50Ω負載、雙工器、傳感器和示波器。本實驗中傳感器的工作方式為自發自收,Ritec RAM-5000聲發射系統通過一個50Ω的負載和雙工器為EMAT提供高頻交變電流,EMAT在試件中激勵的超聲橫波沿其厚度方向傳播,到達鋼/橡膠界面后發生反射,反射波被傳感器接收后進入Ritec RAM-5000系統,通過該系統處理后的信號電壓顯示在示波器上。

圖4 基于電磁超聲的金屬/橡膠脫黏檢測系統

3 結果與討論

3.1 工作頻率對脫黏檢測影響的研究

采用圖4所示的裝置對試件進行測試,脫黏區域的典型信號如圖5所示,正常黏接位置的典型信號如圖6所示。從圖5和圖6可以看出,脫黏區域的回波信號強度明顯大于正常黏接區域,且脫黏區域的信號衰減速度慢,這與理論研究結論相一致,可以根據此現象進行黏接情況的評價。

t/s圖5 典型脫黏信號

t/s圖6 正常黏接信號

隨著回波次數的增加信號強度逐漸減小,如圖6所示,當信號強度達到較低水平時,其衰減規律會明顯失真,因此研究信號的衰減規律時應取信號強度較大的回波作為研究對象。根據圖6中的信號衰減情況,本文中取1～4次回波用于研究信號的衰減規律。

為了研究工作頻率對于系統脫黏檢測能力的影響,選定脫黏和正常黏接位置作為研究對象,分別取2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz、6 MHz、7 MHz和8 MHz工作頻率下的回波信號,得到不同頻率下回波次數(n)與系統脫黏檢測能力表征系數t的關系規律,如圖7所示。

n圖7 不同工作頻率下n和系統脫黏檢測能力t的關系規律

通過圖7可以看出,頻率越高,取的n越大,系統的脫黏檢測能力越強,因此選用8 MHz的工作頻率,用第一和第四次回波的比值進行黏接情況評價。

3.2 提離距離對于脫黏檢測的影響

隨著提離距離的增加,電磁超聲的信號呈指數規律衰減,為了研究提離距離對于脫黏檢測效果的影響,選定脫黏和正常黏接位置作為研究對象,取0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm和0.8 mm四種提離距離下的回波信號,得到不同提離距離下n與系統脫黏檢測能力t的關系規律,如圖8所示。由圖8可以看出,選用0.4 mm的提離且采用第4次回波時,系統的脫黏檢測能力最強。其中,0.6 mm和0.8 mm提離時,因為回波信號很弱,所以導致了衰減規律性失真,比較0.2 mm和0.4 mm提離時的規律可得,在保證系統回波信號質量較好的條件下,傳感器應采用更大的提離距離和更多的n。

回波次數(n)圖8 不同提離距離下n和系統脫黏檢測能力t的關系規律

3.3 鋼/橡膠黏接面成像

采用本文的實驗測試系統,工作頻率采用8 MHz,傳感器的工作提離距離為0.4 mm,對如圖9所示區域進行掃描,此區域寬度約為32 mm,傳感器直徑為17 mm,兩側盲區各為8.5 mm,實際掃描寬度為15 mm。

圖9 掃描方法示意圖

將圓柱面展開成矩形掃描,掃描長度為282 mm(可包含三個缺陷),坐標原點位置如圖9所示。坐標點為傳感器工作區域中心的位置,x和y方向步進均為3 mm,共掃描570個點,掃描成像結果如圖10所示。從圖10可得,成像顯示的脫黏區域與實際脫黏位置相吻合。對直徑為12 mm脫黏區域采用的步進為1.5 mm進行掃描,成像結果如圖11所示,通過對圖10和圖11的比較可以看出,提高掃描精度后成像精度顯著提高。

x/mm圖10 鋼/橡膠界面黏接情況成像結果

x/mm圖11 鋼/橡膠界面D12 mm脫黏區域精確成像結果

4 結 論

針對金屬橡膠復合結構黏接質量的評價需求,結合電磁超聲檢測技術,建立了金屬與非金屬脫黏檢測模型,搭建了電磁超聲檢測系統。理論分析和實驗研究結果表明,在保證回波信號質量的條件下,工作頻率和傳感器提離距離越大,電磁超聲系統的脫黏檢測能力越強;實現了對圓柱面最小為D8 mm脫黏區域的識別,掃描成像顯示的脫黏位置與實際脫黏區域一致,若進一步提高掃描精度可以提高對脫黏區域形狀的成像精度。