黃江波，王文斌，張偉杰，陳麗華

（中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司 計(jì)量理化中心，襄陽(yáng) 441003）

1 問(wèn)題的提出

復(fù)合材料成型工藝完全不同于傳統(tǒng)材料的成型工藝，其中缺陷類型也有很大不同。用一種無(wú)損檢測(cè)方法很難檢測(cè)出所有類型的缺陷，往往需要多種方法相結(jié)合，特別是板／板的膠結(jié)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。

某噴管座是一種應(yīng)用在某動(dòng)力裝置上的金屬／橡膠的膠結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖1），它既有板／板結(jié)構(gòu)的一般特性，也有橡膠材料的特殊性；其外層是金屬材料，內(nèi)層粘接有絕熱橡膠（改性B302，三元乙丙橡膠）。如果沒(méi)有絕熱層，金屬層在進(jìn)入工作狀態(tài)后的0.4s內(nèi)就會(huì)燒穿；因此，絕熱層比較關(guān)鍵，其粘接質(zhì)量尤其重要。它存在的主要缺陷為空隙、脫粘等，筆者介紹了如何利用常規(guī)超聲檢測(cè)的方法對(duì)粘接層的粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 噴管座結(jié)構(gòu)示意

2 橡膠材料的聲學(xué)特征及金屬／橡膠粘接的檢測(cè)難點(diǎn)

2.1 橡膠材料的聲學(xué)特征

橡膠是高分子聚合物，屬于超聲彈性吸收材料。其在常溫下是固態(tài)，但某些聲學(xué)性能卻和固體金屬有明顯不同，而與高粘性液體相似；例如其彈性模量只是金屬?gòu)椥阅Ａ康膸资f(wàn)分之一，而與氣體數(shù)值的數(shù)量級(jí)相差不大。該材料內(nèi)阻尼也比金屬大，屬于弛豫過(guò)程吸收。但橡膠的彈性弛豫過(guò)程和氣體分子的熱弛豫過(guò)程在物理機(jī)理上有所不同。橡膠材料在聲波作用下發(fā)生形變時(shí)，由于材料的黏性內(nèi)摩擦作用和彈性弛豫過(guò)程的作用，聲能會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能而被消耗掉。常溫常壓下，材料的損耗系數(shù)在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)：玻璃約為0.002，橡膠一般為0.2左右。由此可見(jiàn)，橡膠的材料損耗系數(shù)是玻璃的100倍左右。

2.2 金屬／橡膠粘接質(zhì)量的檢測(cè)難點(diǎn)

超聲傳播時(shí)，在金屬／橡膠界面既有反射也有透射；這時(shí)，透射量對(duì)于反射量或入射量來(lái)說(shuō)是不可忽略的［1］。無(wú)論兩界面是否脫粘，都存在反射波。雖然脫粘界面（無(wú)透射）的反射波比非脫粘界面（有透射）的反射波強(qiáng)烈，但是，如何準(zhǔn)確地對(duì)比脫粘界面和非脫粘界面的超聲波反射差異，如何準(zhǔn)確地從反射波中分辨出脫粘缺陷，仍是檢測(cè)成敗的關(guān)鍵，也是檢測(cè)的難點(diǎn)所在。

3 檢測(cè)方法

3.1 超聲入射面的選擇

考慮到橡膠材料（如改性B302，三元乙丙橡膠）的聲學(xué)特征，超聲檢測(cè)時(shí)的入射面應(yīng)選擇在金屬材料一側(cè)，而不能選擇在橡膠層一側(cè)。如從橡膠層一側(cè)入射，由于橡膠的吸聲作用，聲波還沒(méi)有到達(dá)金屬／橡膠界面，絕大部分聲能就已經(jīng)消耗在橡膠介質(zhì)中而很難形成界面反射或穿透整個(gè)介質(zhì)［2］。以噴管座為例，如從絕熱層一側(cè)入射，經(jīng)過(guò)約3mm 的絕熱層后，大部分聲能被吸收，熒光屏上很難形成界面反射波。

同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，檢測(cè)時(shí)無(wú)論選擇從哪一側(cè)開(kāi)始入射，都不適合用穿透法檢測(cè)。

由于以上原因，檢測(cè)方法一般選擇從金屬層一側(cè)入射的脈沖反射法。從金屬層一側(cè)入射時(shí)，由于聲能在金屬中的消耗比在橡膠中的消耗低得多，聲波不難到達(dá)金屬／橡膠界面，且在兩種材質(zhì)界面會(huì)形成界面反射。

3.2 多次反射法

采用超聲脈沖反射法檢測(cè)時(shí)，為了能明顯分辨出兩種界面的顯示差異，故采用多次反射法。當(dāng)超聲波從金屬層一側(cè)進(jìn)行入射時(shí)，由于聲能在金屬中的消耗比在橡膠中低得多，且兩種材料的聲阻抗存在著較大差異，無(wú)論界面是否存在脫粘，都會(huì)在鋼／橡膠界面形成界面反射，但這種反射差異并不是特別明顯。

以噴管座的檢測(cè)為例，噴管座的鋼層4mm，橡膠層約3mm，屬于薄壁件板／板膠結(jié)結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用常規(guī)的接觸式脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于始波占寬的影響，4mm 的鋼層底反射波可能在盲區(qū)內(nèi)；即使能分辨出界面反射，但正常界面的一次反射與界面脫粘的一次反射的反射聲壓差別不是很大，加上操作、探頭接觸面、電噪聲等因素的影響，很難分辨出一次反射是由何種原因引起的。對(duì)于這兩種差異的大小，以對(duì)比試塊的金屬／橡膠界面為例，一次波在兩種情況（脫粘與粘接良好）下的界面反射差異并不大。如采用5 MHz，φ8mm 探頭檢測(cè)，人工脫粘缺陷直徑分別為φ4，φ7，φ10，φ15mm 時(shí)，脫粘面與粘接良好的情況下的反射量的差分別為2.0，2.0，1.5，0.8dB。

于是，為了正確分辨出正常界面反射與脫粘反射，需要把這兩種情況下的差異放大，故可采用多次反射法。這種方法不同于一般的2次反射、3 次反射，而是將深度旋鈕（或稱掃描范圍旋鈕）選在500mm檔或1 m 檔，經(jīng)過(guò)幾十次甚至上百次的反射，正常界面反射與脫粘反射的差異經(jīng)過(guò)多次反射積累，差別就可明顯反應(yīng)出來(lái)。

粘接正常時(shí)，聲波每一次在鋼／橡膠界面反射時(shí)，都會(huì)有一部分超聲波進(jìn)入橡膠中，聲能通過(guò)粘性內(nèi)摩擦作用和彈性弛豫過(guò)程的作用，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏幌脑谙鹉z材料中。而脫粘時(shí)，界面發(fā)生了變化，形成了鋼／空氣界面和空氣／橡膠界面；超聲從鋼層一側(cè)入射，在脫粘處形成的鋼／空氣界面上幾乎發(fā)生全反射。通過(guò)這種反射差異的多次積累，兩種情況在顯示屏上的超聲波反射幅度、水平距離及反射波的幅度包絡(luò)線都有明顯的不同。采用多次反射法還有一個(gè)好處，就是檢測(cè)時(shí)可擺脫近場(chǎng)區(qū)的影響。

3.3 試塊的設(shè)計(jì)和制作

由于復(fù)合材料的物理性質(zhì)存在較大的離散性，因此檢測(cè)用的對(duì)比試塊的表面狀態(tài)必須與受檢件的表面狀態(tài)盡可能一致，試塊的金屬層和橡膠絕熱層的材料、厚度或聲學(xué)性能盡可能與零件的材料、實(shí)際厚度或聲學(xué)性能一致；并滿足復(fù)合材料制作的最高質(zhì)量等級(jí)要求；試塊的膠結(jié)及固化工藝應(yīng)與零件的成形工藝一致；試塊的缺陷設(shè)置應(yīng)包括所要求檢測(cè)的缺陷最小尺寸和缺陷類型。

試塊的尺寸、外形及人工缺陷的類型和尺寸應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。圖2是針對(duì)噴管座設(shè)計(jì)的一款試塊?？紤]到噴管座的成型特征和設(shè)備條件，試塊缺陷設(shè)計(jì)成嵌入型，缺陷類似于脫粘，缺陷位置分布于金屬層和橡膠層之間，分布于不同的部位，缺陷大小設(shè)計(jì)成φ4，φ7，φ10mm，金屬層和橡膠層的厚度與零件的實(shí)際厚度一致。

圖2 噴管座超聲粘接面檢測(cè)對(duì)比試塊尺寸

3.4 靈敏度調(diào)整

根據(jù)噴管座的材質(zhì)和要求檢出的最小缺陷，將探頭置于與噴管座厚度相同或相近的對(duì)比試塊上，按要求檢測(cè)相應(yīng)的人工缺陷，調(diào)整超聲波檢測(cè)儀，使該人工缺陷的反射波高達(dá)到檢測(cè)儀器熒光屏滿刻度的60%，測(cè)出此時(shí)的分貝值（設(shè)為R1），并以此作為檢測(cè)靈敏度。

為了避免對(duì)比試塊膠結(jié)層和橡膠層的老化而引起R1值的變化，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度出現(xiàn)誤差，實(shí)際檢測(cè)時(shí)可使用有機(jī)玻璃參考試塊來(lái)調(diào)整檢測(cè)靈敏度。即在測(cè)出和記錄對(duì)比試塊上人工缺陷的反射波高達(dá)檢測(cè)儀熒光屏滿刻度60%時(shí)的分貝R1后；在同樣的條件下，測(cè)試和記錄有機(jī)玻璃參考試塊的底面回波達(dá)到檢測(cè)儀熒光屏滿刻度60%時(shí)的分貝值R2，計(jì)算并記錄分貝值之差ΔR（ΔR＝R1－R2）。

檢測(cè)時(shí)，根據(jù)噴管座檢測(cè)厚度和要求檢出的最小缺陷，首先查找對(duì)應(yīng)的ΔR，然后測(cè)試有機(jī)玻璃參考試塊的底面回波達(dá)到檢測(cè)儀熒光屏滿刻度60%時(shí)的分貝值R2′，以（R2′＋ΔR）作為檢測(cè)靈敏度。

3.5 顯示的觀察與判別

顯示的判別分為缺陷的定性和定量判別。對(duì)于金屬／橡膠粘接層的檢測(cè)，缺陷一般為脫粘；對(duì)脫粘面的定量，一般借助于對(duì)比試塊來(lái)分析。

如前所述，超聲波從金屬一側(cè)垂直入射到金屬／橡膠界面時(shí)，無(wú)論是否脫粘，都會(huì)有界面回波反射。要區(qū)別脫粘反射和正常的金屬／橡膠界面反射，需要通過(guò)對(duì)比試塊來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度，靈敏度的調(diào)節(jié)要能很好地分辨出脫粘顯示與膠結(jié)正常顯示，使兩者之間有明顯的差別，便于比對(duì)，便于判斷和處理，需要檢測(cè)人員具備一定的經(jīng)驗(yàn)。

圖3 膠結(jié)正常與脫粘面直徑為φ10mm情況下的多次反射圖

可從兩方面對(duì)兩者間的差別進(jìn)行分析，一是觀察不同情況下同一距離上的波幅變化，二是觀察多次反射中波幅隨距離的變化情況及反射波的幅度包絡(luò)線。圖3（a）是膠結(jié)正常情況下的多次反射圖，圖3（b）是脫粘情況下的多次反射圖，其深度旋鈕都控制在500mm 檔。

分析比較圖3可得出：粘接良好的情況下，超聲幅度隨著反射次數(shù)的增加而均勻下降，下降幅度明顯大于圖3（b）中的脫粘情況，反射次數(shù)相比脫粘情況下的反射次數(shù)，明顯要少得多；隨著反射次數(shù)的增多，同一水平距離上的反射幅度明顯不同；兩種情況在水平方向上的圖形顯示也明顯不同，粘接良好時(shí)顯示的水平距離窄，而脫粘情況下顯得較寬；從反射幅度的包絡(luò)線來(lái)看，粘接良好時(shí)，包絡(luò)線窄而陡，而脫粘時(shí)包絡(luò)線寬而平。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)金屬／橡膠膠結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其材料的聲學(xué)特征，介紹了該結(jié)構(gòu)膠結(jié)質(zhì)量的超聲檢測(cè)方法。以噴管座的粘結(jié)層的檢測(cè)為例，重點(diǎn)介紹了如何利用超聲多次反射法來(lái)檢測(cè)脫粘缺陷，并通過(guò)試塊制作和靈敏度調(diào)節(jié)等方法獲得缺陷顯示。試驗(yàn)證明，超聲多次反射法可為其它薄壁復(fù)合件、橡膠復(fù)合材料件的常規(guī)檢測(cè)提供借鑒和參考。

［1］史亦韋，何雙起，林猷文，等.超聲檢測(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］何祚墉，趙玉芳.聲學(xué)理論基礎(chǔ)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1981.