吳超，李劍，艾春安

(火箭軍工程大學(xué)導(dǎo)彈工程學(xué)院，西安 710025)

隨著黏接工藝在材料科學(xué)、化學(xué)和機(jī)械科學(xué)等領(lǐng)域不斷發(fā)展，黏接結(jié)構(gòu)的黏接質(zhì)量檢測(cè)也受到人們的關(guān)注[1-3]。緊貼型脫黏缺陷是一種常見的黏接結(jié)構(gòu)界面缺陷[4-5]，出現(xiàn)緊貼型缺陷時(shí)，黏接界面并未分離，但黏接結(jié)構(gòu)不能傳遞切向載荷。因此為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，開展針對(duì)緊貼型脫黏缺陷的檢測(cè)研究具有十分重要的意義。

超聲檢測(cè)技術(shù)相比于其他無損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)方便、安全且能夠反映材料力學(xué)性能等優(yōu)勢(shì)，被普遍用于黏接結(jié)構(gòu)缺陷的檢測(cè)[6-7]。超聲斜入射法與垂直入射法相比，在較低的檢測(cè)頻率下就可以實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度。目前，學(xué)者們利用超聲斜入射法檢測(cè)脫黏缺陷已得到一些研究成果。Rokhlin[8]引入薄黏彈性層的滑移邊界條件與焊接邊界條件，并利用超聲斜入射法對(duì)邊界條件進(jìn)行了合理性分析。Ricardo等[9]基于彈簧邊界條件建立了黏接模型，通過改變彈性常數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)黏接缺陷的模擬，并利用斜入射法對(duì)該模型進(jìn)行了理論研究。孫凱華等[10]基于斜入射法研究了黏接層界面黏附強(qiáng)度和內(nèi)聚強(qiáng)度對(duì)超聲波反射與透射系數(shù)的影響關(guān)系。韓贊東等[11]研究了斜入射非線性系數(shù)與陶瓷涂層結(jié)合質(zhì)量之間的關(guān)系。丁俊才等[12]、吳斌等[13]研究了在斜入射條件下不同的黏接材料對(duì)界面反射特性的影響，并針對(duì)弱黏接缺陷研究了斜入射反射系數(shù)的模隨著不同剛度比和入射角的變化規(guī)律。何存富等[14]基于斜入射法，通過有限元計(jì)算研究了反射/透射系數(shù)頻譜曲線分別與膠層內(nèi)聚弱化程度和黏接界面弱化程度之間的關(guān)系。針對(duì)斜入射條件下黏接界面的檢測(cè)，已有學(xué)者開展了一定的研究，但僅停留在對(duì)界面的理論推導(dǎo)和分析中，而在實(shí)際的檢測(cè)中，對(duì)于缺陷的尺寸大小的可視化表示和定量評(píng)估是十分重要的，為此，采用斜入射C-掃描成像的方式對(duì)緊貼型脫黏區(qū)域進(jìn)行成像顯示。

首先對(duì)黏接結(jié)構(gòu)建立的模型進(jìn)行了分類，基于超聲斜入射檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)了超聲斜入射法檢測(cè)黏接結(jié)構(gòu)C-掃實(shí)驗(yàn)，對(duì)黏接結(jié)構(gòu)界面進(jìn)行斜入射C-掃成像，最后對(duì)比分析了斜入射與垂直入射掃描圖像結(jié)果，驗(yàn)證超聲斜入射方法對(duì)于檢測(cè)緊貼型缺陷的優(yōu)勢(shì)和可靠性。

1 黏接結(jié)構(gòu)模型

基于超聲方法檢測(cè)黏接結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)可以分為3種不同的建模方式，為了簡化模型，只考慮超聲波一次入射到黏接結(jié)構(gòu)的情況，如圖1所示[15-16]。

ρ為膠層的密度；c為膠層中超聲波傳播速度

1.1 夾層模型

對(duì)于夾層模型，不考慮黏接界面黏接劑的黏附力，可以將黏接層簡化為密度ρA、波速cA的彈性或黏彈性膠層，其厚度x表示為0

u(0+)=u(0-),σ(0+)=σ(0-)

(1)

u(h+)=u(h-),σ(h+)=σ(h-)

(2)

式中：-、+分別表示在界面的左右兩側(cè)；h為膠層厚度；u和σ分別為位移和應(yīng)力。

研究厚膠層黏接結(jié)構(gòu)時(shí)，尤其對(duì)于膠層內(nèi)聚強(qiáng)度弱化或者膠層中存在氣泡、夾雜等缺陷時(shí)，一般建立夾層模型。

1.2 單界面模型

針對(duì)單界面模型，為了研究方便，不考慮膠層的厚度對(duì)研究的影響，將膠層視為單一黏接界面，該界面可以用彈簧模型代替。在x=0處，應(yīng)力邊界條件可表示為

σ(0+)=σ(0-)=KS[u(0+)-u(0-)]

(3)

式(3)中：KS為界面剛度，KS可以分為法向剛度KN和切向剛度KT，在黏接結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)理想界面、若黏接界面和緊貼型黏接界面3種不同的界面形式，對(duì)應(yīng)3種不同的邊界條件。

當(dāng)出現(xiàn)緊貼型界面時(shí)，KN→∞，KT=0，黏接結(jié)構(gòu)可以完全傳遞法向應(yīng)力，但不能傳遞切向應(yīng)力。單界面模型一般用于對(duì)薄膠層黏接界面缺陷的研究。

1.3 雙界面模型

雙界面模型同時(shí)考慮了膠層的厚度和界面對(duì)黏接結(jié)構(gòu)研究的影響，K1和K2分別為x=0和x=h處的界面剛度。當(dāng)K1,K2→∞時(shí)，雙界面模型和夾層模型可以等效，夾層模型的應(yīng)力邊界條件也適用于雙界面模型；當(dāng)膠層厚度h→0，|K1-K2|→0時(shí)，雙界面模型與單界面模型等效。雙界面模型多用于對(duì)多層黏接結(jié)構(gòu)的界面或膠層性質(zhì)的研究。

2 斜入射C掃描檢測(cè)原理

2.1 斜入射檢測(cè)原理

當(dāng)超聲波斜入射到兩種不同介質(zhì)時(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，根據(jù)Snell定律，超聲波會(huì)在界面上發(fā)生反射、透射和波形轉(zhuǎn)換，在固體介質(zhì)內(nèi)可以轉(zhuǎn)換成縱波和橫波。如圖2所示。入射波既可以是橫波也可以是縱波，通過改變?nèi)肷浣嵌?，可以選擇在介質(zhì)中轉(zhuǎn)換后的波形類型。由于橫波在界面處會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，所以橫波對(duì)于界面性質(zhì)發(fā)生的變化較敏感，用橫波斜入射法檢測(cè)黏接界面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

α為入射角；α′S為橫波反射角；α′L為縱波反射角；βS為橫波折射角；βL為縱波折射角

用斜入射法檢測(cè)黏接結(jié)構(gòu)主要研究超聲波反射系數(shù)，透射系數(shù)與入射角度之間的關(guān)系。由于斜入射反射波的聲壓和透射波的聲壓關(guān)系比較復(fù)雜，無法用簡單的公式進(jìn)行計(jì)算，但是已有研究表明反射系數(shù)和透射系數(shù)與介質(zhì)的聲阻抗、波速和入射角等參數(shù)存在關(guān)系[17-18]，可以利用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)斜入射法檢測(cè)黏接界面進(jìn)行研究。

2.2 超聲C-掃描系統(tǒng)

超聲C-掃描是一種可以沿垂直于聲速橫斷面方向進(jìn)行掃描，顯示被測(cè)試樣橫斷面情況的二維成像技術(shù)。在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波由超聲探頭發(fā)出，經(jīng)由耦合液進(jìn)入待測(cè)試件中，當(dāng)試件中存在缺陷時(shí)，部分聲能被反射，并被超聲探頭接收，反射的時(shí)域波形圖通過電子閘門選取特征值，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理，就可以呈現(xiàn)出直觀的二維圖像[19]。

所采用的斜入射C-掃描系統(tǒng)原理如圖3所示[2]，水浸聚焦超聲探頭由可變角度工裝夾持，改變超聲波的入射角度實(shí)現(xiàn)超聲波斜入射，超聲波由入射探頭發(fā)出，以一定角度斜入射到黏接結(jié)構(gòu)的黏接界面上，經(jīng)過界面反射，反射聲波被接收探頭接收，接收的超聲信號(hào)上傳到數(shù)字示波器和數(shù)據(jù)采集卡中進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和信號(hào)處理，另外，通過三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)超聲探頭的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)控制探頭的掃描路徑對(duì)試件進(jìn)行掃查。

圖3 超聲斜入射C-掃描系統(tǒng)原理圖

3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了模擬黏接結(jié)構(gòu)的緊貼型脫黏界面，設(shè)計(jì)制作緊貼型脫黏實(shí)驗(yàn)試件。試件基于單界面模型，采用薄膠層進(jìn)行黏接。介質(zhì)選用有機(jī)玻璃板，優(yōu)點(diǎn)在于能夠直觀觀察界面的黏接情況，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)；黏接劑選用有機(jī)玻璃膠，這種黏接劑具有固化時(shí)間短，固化完全后膠層薄等特點(diǎn)。

試件基本結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，有機(jī)玻璃板c尺寸：300 mm(長)×200 mm(寬)×5 mm(高)；有機(jī)玻璃板a、b尺寸：100 mm(長)×100 m(寬)×5 mm(高)。有機(jī)玻璃板c和有機(jī)玻璃板a用4個(gè)固定螺栓加以緊固，模擬緊貼型脫黏界面，定義為A區(qū)域；將有機(jī)玻璃板c和有機(jī)玻璃板b用黏接劑進(jìn)行黏接，模擬良好黏接界面，定義為B區(qū)域。試件實(shí)物如圖4(b)所示，試件除了兩處氣泡缺陷和邊緣缺陷，有機(jī)玻璃板b其余的區(qū)域都是黏接良好的。

圖4 試件示意圖

超聲探頭選用水浸聚焦探頭，直徑Φ為20 mm，焦距f為100 mm，標(biāo)稱頻率為5 MHz。將超聲探頭放在圖5所示的可調(diào)角度工裝上，通過角度旋鈕可對(duì)超聲波的入射角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，該工裝橫向配有位移旋鈕，可以對(duì)發(fā)射探頭和接收探頭的橫向距離進(jìn)行調(diào)節(jié)，位移標(biāo)尺的最小刻度為1 mm，單向最大調(diào)節(jié)距離為140 mm；角度標(biāo)尺的最小刻度為1°，調(diào)節(jié)范圍為0°～90°。

圖5 可調(diào)角度工裝

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了研究超聲斜入射法對(duì)緊貼型黏接界面檢測(cè)的特點(diǎn)，分別采用角度為10°～40°的斜入射法和垂直入射法對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)，圖6為檢測(cè)示意圖，圖6(a)為垂直入射法檢測(cè)示意圖，采用單探頭自發(fā)自收模式進(jìn)行檢測(cè)，圖6(b)為斜入射法檢測(cè)示意圖，采用雙探頭一發(fā)一收模式進(jìn)行檢測(cè)。

S、I和B分別為表面回波、界面回波和底面回波

3.2.1 緊貼型脫黏區(qū)域與黏接良好區(qū)域回波幅值分析

對(duì)黏接試件進(jìn)行A-掃實(shí)驗(yàn)，將垂直入射所得波形圖與20°斜入射所得波形圖(圖7)進(jìn)行對(duì)比。S、I和B分別為表面回波、界面回波和底面回波，3個(gè)界面的回波幅值如表1所示，具體回波波形如圖7所示。

圖7 A-掃波形圖

表1 不同界面回波幅值

從表1和圖7可以看出，采用垂直入射法時(shí)，在時(shí)域上A區(qū)域和B區(qū)域各界面回波信號(hào)差別不大且界面回波幅值較小，垂直入射法對(duì)緊貼型界面的檢測(cè)靈敏度差；采用20°斜入射法時(shí)，I、B界面回波幅值差別大，對(duì)緊貼型界面的檢測(cè)靈敏度差靈敏度較高。

3.2.2 緊貼型脫黏區(qū)域與黏接良好區(qū)域C-掃描圖像分析

對(duì)時(shí)域波形信號(hào)施加合適的電子閘門，得到C-掃圖像如圖8所示，可以看出，隨著入射角度的變化，斜入射法對(duì)兩個(gè)區(qū)域的檢測(cè)效果區(qū)分度更明顯，但在35°之后變差。為了表征不同入射角度C-掃圖像在不同區(qū)域界面的差異，采用式(4)定義的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度比w作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，w值越大，檢測(cè)效果越好，其計(jì)算公式為

x、y坐標(biāo)分別為C掃描檢測(cè)系統(tǒng)x、y軸方向的采樣點(diǎn)數(shù)

(4)

式(4)中：Ab為B區(qū)域界面回波平均幅值；Aa為A區(qū)域界面回波平均幅值；min為Aa、Ab做比較，取其中的最小值。

選取A或B區(qū)域界面C掃描圖像中間窗口內(nèi)m個(gè)采樣點(diǎn)，記這m個(gè)采樣點(diǎn)幅值依次為A1,A2,…,Ai,…,Am，因此窗口內(nèi)采樣點(diǎn)A可表示為

(5)

以垂直入射法A區(qū)域圖像為例，圖9為選取的窗口，x選取范圍為76～80，y選取范圍為141～145，m為25，因此Aa為0.515。同樣，可以計(jì)算出不同角度下Aa和Ab的值，具體數(shù)值如表2所示。

表2 不同角度Aa、Ab和w的值

圖9 窗口選取示意圖

由圖10所示，在0°～20°范圍內(nèi)，隨著角度的變大，w值不斷變大，檢測(cè)效果越來越好；在20°～25°范圍內(nèi)，w值逐漸減小，檢測(cè)效果也越來越差；在25°～35°范圍，曲線存在兩個(gè)極值點(diǎn)，其中極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為34.1°，與浸水有機(jī)玻璃板的第一臨界角相吻合；在35°～40°范圍內(nèi)，有機(jī)玻璃板中只存在橫波，此時(shí)，隨著檢測(cè)角度的增加，w值先減小后增大。因此以第一臨界角(水與第一層有機(jī)玻璃之間)附近進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)緊貼型缺陷的檢測(cè)效果最好。

圖10 w隨角度變化的關(guān)系

3.2.3 不同入射角度對(duì)氣泡缺陷檢測(cè)靈敏度分析

為了表征不同斜入射角度對(duì)界面存在的氣泡缺陷的檢測(cè)性能，將圖4中的氣泡用圓表示，如圖11(a)所示，5個(gè)圓的直徑從小到大依次為0.91、1.30、1.35、2.60、3.55 mm，可以計(jì)算出氣泡缺陷實(shí)際總面積為74.05 mm2。

圖11 氣泡缺陷

對(duì)不同角度斜入射C-掃圖像的氣泡缺陷面積進(jìn)行定量研究，已有文獻(xiàn)[18]可用閾值法對(duì)C-掃圖像缺陷面積進(jìn)行計(jì)算。由于每次掃描過程都是相同的且掃描參數(shù)已知，因此圖像上的單個(gè)像素點(diǎn)的面積可計(jì)算且相同。圖11(b)為采用垂直入射法氣泡缺陷區(qū)域C-掃圖像，圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的實(shí)際面積是0.66 mm2，假設(shè)B區(qū)域界面幅值A(chǔ)q

表3 不同角度Am的值

為了表征不同斜入射角度對(duì)氣泡缺陷檢測(cè)效果，引入式(6)定義的強(qiáng)度比c作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(6)

式(6)中：max為Am、Ab做比較，取其中的最大值；min為Am、Ab做比較，取其中的最小值。

通過比較強(qiáng)度比c的值，分析不同入射角度與氣泡缺陷檢測(cè)靈敏度的關(guān)系，c值越小，檢測(cè)效果越差。由圖(12)可以看出，隨著入射角度不斷變大，強(qiáng)度比c不斷減小，對(duì)氣泡缺陷的檢測(cè)靈敏度不斷降低。說明，垂直入射(0°)氣泡型脫黏缺陷有更好的靈敏度。

圖12 c值隨角度變化的關(guān)系

4 結(jié)論

針對(duì)厚度為5 mm的有機(jī)玻璃板黏接試樣存在的緊貼型缺陷，采用0°～40°范圍不同入射角度對(duì)其進(jìn)行斜入射檢測(cè)試驗(yàn)研究，分析了入射角度對(duì)C-掃描檢測(cè)結(jié)果的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)對(duì)于緊貼型缺陷，采用超聲斜入射法檢測(cè)黏接結(jié)構(gòu)緊貼型界面較于垂直入射法有明顯的優(yōu)勢(shì)，且不同的角度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大，在0°～40°范圍內(nèi)，以第一臨界角(34°)附近進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，緊貼型界面不能傳遞切應(yīng)力，C-掃描成像效果最好。

(2)對(duì)于黏接界面存在的氣泡缺陷，隨著斜入射角度的逐漸變大，檢測(cè)效果越來越差，垂直入射檢測(cè)時(shí)，C-掃描成像效果最好。