張國(guó)旺,魏培欣,龔明達(dá),宗 艷,丁 柏,曾 強(qiáng),王海濤

(1.南京中車浦鎮(zhèn)城軌車輛有限責(zé)任公司，南京 210031;2.南京工程學(xué)院，南京 211167; 3.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

0 引言

隨著軌道交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)的高鐵和動(dòng)車組有了很大的發(fā)展空間和潛力，而列車在運(yùn)行中的安全性也成為了日益關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。車窗是動(dòng)車的重要組成部分，其通過(guò)粘接與車體保持齊平，來(lái)減小列車運(yùn)行過(guò)程中的阻力，所以車窗的粘結(jié)質(zhì)量對(duì)于車輛的安全運(yùn)行有著直接關(guān)系，粘結(jié)質(zhì)量不高將會(huì)直接導(dǎo)致車窗開膠甚至脫落，對(duì)行車安全構(gòu)成極大的威脅。膠粘汽車車窗的粘接接頭主要由玻璃、聚氨酯膠粘劑和鋁合金車身組成。受環(huán)境和技術(shù)因素影響，在生產(chǎn)過(guò)程中容易出現(xiàn)缺膠、固化不完全、部分粘結(jié)等缺陷；在列車使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)老化、開裂、內(nèi)聚失效等問(wèn)題，會(huì)破壞粘接結(jié)構(gòu)的完整性。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些缺陷和準(zhǔn)確判斷缺陷的危害性，將會(huì)導(dǎo)致巨大的損失。因此對(duì)粘接結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測(cè)就顯得十分有意義。

目前，對(duì)于動(dòng)車車窗膠接結(jié)構(gòu)的粘接缺陷，超聲檢測(cè)是一種有效的無(wú)損檢測(cè)手段，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、操作簡(jiǎn)易、設(shè)備成本不高。超聲檢測(cè)法進(jìn)一步又分為超聲透射法、超聲脈沖回波法和超聲導(dǎo)波法等，其中脈沖回波法最為有效。文獻(xiàn)[8]等通過(guò)脈沖回波法研究了玻璃-聚氨酯-玻璃多層粘接結(jié)構(gòu)的界面缺陷，并根據(jù)測(cè)長(zhǎng)法和當(dāng)量法對(duì)界面脫粘缺陷進(jìn)行了定量分析；文獻(xiàn)[9]研究了超聲波在多層粘接結(jié)構(gòu)中的傳播模型，通過(guò)仿真模擬了超聲波在多層結(jié)構(gòu)中一界面和二界面的傳播規(guī)律，最后通過(guò)超聲特征掃描成像的手段實(shí)現(xiàn)了界面脫粘缺陷的檢出；鄭善樸開展了多參量的脫粘缺陷超聲檢測(cè)方法，選擇半方波和調(diào)制連續(xù)波激勵(lì)的超聲脈沖反射法檢測(cè)多層粘接結(jié)構(gòu)脫粘缺陷，同時(shí)選擇能反應(yīng)缺陷位置、尺寸和類型的參量來(lái)評(píng)估缺陷。雖然超聲脈沖回波法在粘接結(jié)構(gòu)中有了一定的研究，但都是針對(duì)多層結(jié)構(gòu)的粘接界面，而實(shí)際中動(dòng)車車窗膠接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且在車窗未拆除的情況下難以實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的檢測(cè)，故需要在聚氨酯膠層處來(lái)對(duì)缺陷進(jìn)行檢出和定量，因此研究超聲回波在聚氨酯這類聲速低、聲衰減大的材料中的傳播情況以及與缺陷的相互作用規(guī)律具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 超聲檢測(cè)方法

本文先利用有限元軟件COMSOL建立了車窗膠接結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行數(shù)值分析，模擬了脫粘檢測(cè)中超聲波的發(fā)射、傳播和接收過(guò)程，接著研究了不同超聲探頭頻率在聚氨酯中的聲場(chǎng)情況進(jìn)而選取檢測(cè)頻率，同時(shí)在該檢測(cè)頻率下分析了超聲波與聚氨酯內(nèi)不同脫粘長(zhǎng)度缺陷的相互作用規(guī)律，建立了回波幅值與脫粘長(zhǎng)度的關(guān)系模型；最后制作含不同尺寸缺陷的聚氨酯模擬試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析采集到的不同長(zhǎng)度缺陷回波信號(hào)，驗(yàn)證了仿真模型以及回波幅值與脫粘長(zhǎng)度的關(guān)系模型的正確性和有效性，為車窗膠接結(jié)構(gòu)脫粘檢測(cè)定量評(píng)估和解決未拆除檢測(cè)的難題提供了理論依據(jù)，具有一定的實(shí)際意義。

1 車窗膠粘結(jié)構(gòu)有限元仿真模型建立

超聲檢測(cè)的方法有很多種，主要分為脈沖反射法、衍射時(shí)差法、穿透法和共振法。超聲波探頭發(fā)射脈沖波到被檢工件內(nèi)，通過(guò)觀察來(lái)自內(nèi)部或工件底面反射波的情況來(lái)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的方法稱為脈沖反射法，脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法；衍射時(shí)差法是利用缺陷部位的衍射波信號(hào)來(lái)檢測(cè)和測(cè)定缺陷尺寸的一種超聲檢測(cè)方法，通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式，TOFD檢測(cè)一般通過(guò)判斷A掃信號(hào)和TOFD圖像來(lái)判斷缺陷；穿透法是采用一發(fā)一收雙探頭分別放置于工件相對(duì)的兩端面，根據(jù)脈沖波或連續(xù)波穿透工件之后的能量變化來(lái)檢測(cè)工件缺陷的方法；共振法根據(jù)工件的共振特性來(lái)判斷缺陷情況和工件厚度變化，現(xiàn)已很少使用共振法來(lái)測(cè)厚。對(duì)缺陷的超聲檢測(cè)方法如圖1所示。

在對(duì)車窗膠粘結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)前，需對(duì)材料和結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿真模擬以觀察信號(hào)特征，方便后續(xù)缺陷檢測(cè)與信號(hào)分析。

動(dòng)車車窗膠接結(jié)構(gòu)的截面圖如圖2所示，圖標(biāo)記區(qū)域?yàn)榫郯滨ツz結(jié)層，兩側(cè)分別為玻璃和鋁合金車體，在未拆除車窗情況下，其檢測(cè)區(qū)域有限，僅在膠層處能進(jìn)行檢測(cè)。故需要對(duì)聚氨酯膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，通過(guò)仿真分析來(lái)確定檢測(cè)參數(shù)。

圖2 膠接結(jié)構(gòu)截面圖

1.1 膠接模型建立與材料參數(shù)

受限于聚氨酯膠接結(jié)構(gòu)尺寸和位置等因素，實(shí)際的檢測(cè)區(qū)域?qū)挾戎挥?0 mm，而深度在25 mm左右，聚氨酯材料聲速低，聲衰減大，這就要求在COMSOL軟件中建立聚氨酯簡(jiǎn)化模型如圖3所示，模型大小為30 mm×25 mm，在距離表面21 mm處設(shè)置了矩形狀的空氣間隙模擬實(shí)際缺陷進(jìn)行仿真，激勵(lì)點(diǎn)位于試塊上表面，分別對(duì)聚氨酯膠接結(jié)構(gòu)內(nèi)超聲波傳播規(guī)律和超聲波與模擬缺陷相互作用規(guī)律進(jìn)行仿真，聚氨酯的材料及聲學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 聚氨酯仿真簡(jiǎn)化模型

表1 聚氨酯材料及聲學(xué)參數(shù)

1.2 網(wǎng)格劃分、時(shí)間步長(zhǎng)及激勵(lì)源設(shè)置

仿真模擬過(guò)程中，模型中網(wǎng)格的尺寸對(duì)求解影響較大，決定求解的精度及收斂速度。由于超聲波在材料中傳播時(shí)波長(zhǎng)在某一個(gè)范圍內(nèi)，所以模型網(wǎng)格的尺寸應(yīng)根據(jù)此進(jìn)行設(shè)定。一般設(shè)定網(wǎng)格步長(zhǎng)為超聲波長(zhǎng)的六分之一或者八分之一，為了更高的計(jì)算精度可以選擇網(wǎng)格尺寸為最大波長(zhǎng)的十分之一，仿真中常選擇三角形網(wǎng)格劃分。而根據(jù)所采用的激勵(lì)頻率不一樣，則網(wǎng)格的最大尺寸單元

L

應(yīng)滿足公式(1)：

(1)

在模型組件中的求解需要設(shè)置計(jì)算的起始時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間總長(zhǎng)度。為了減小計(jì)算誤差，時(shí)間步長(zhǎng)要小于超聲波在網(wǎng)格尺寸傳播的時(shí)間，應(yīng)滿足式(2)，而時(shí)間總長(zhǎng)要大于模型中超聲波傳播到底面在返回接收器所需的時(shí)間。

(2)

激勵(lì)源中頻率和周期數(shù)根據(jù)研究需要而設(shè)置不同的參數(shù)。仿真中常用的是3個(gè)周期經(jīng)過(guò)漢寧窗調(diào)制過(guò)的余弦信號(hào)如圖4所示。

圖4 仿真激勵(lì)信號(hào)

(3)

1.3 聚氨酯結(jié)構(gòu)內(nèi)部信號(hào)模態(tài)分析

激勵(lì)信號(hào)頻率是超聲檢測(cè)中一個(gè)重要的參數(shù)，超聲場(chǎng)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、檢測(cè)靈敏度和分辨力均與探頭中心頻率有關(guān)，為研究激勵(lì)信號(hào)頻率對(duì)檢測(cè)的影響，使用不同頻率的激勵(lì)信號(hào)對(duì)仿真模型試樣進(jìn)行研究。圖5為使用不同激勵(lì)頻率仿真得到的超聲波波場(chǎng)傳播圖像，可以看到，在聚氨酯材料中產(chǎn)生了超聲縱波和超聲橫波。隨著激勵(lì)頻率的改變發(fā)現(xiàn)，超聲波的波場(chǎng)產(chǎn)生了紊亂，不利于缺陷的檢測(cè)，其次，在接收點(diǎn)處接收到的信號(hào)也會(huì)受到干擾。為了進(jìn)一步分析不同頻率在聚氨酯中的檢測(cè)情況，提取距離激勵(lì)點(diǎn)1 mm位置處的超聲回波信號(hào)。

圖5 不同頻率下波傳播圖

圖6為不同頻率下提取的超聲回波信號(hào)，因?yàn)槭亲园l(fā)自收的方式，所以在5 μs以內(nèi)出現(xiàn)了始波信號(hào)，而且隨著激勵(lì)頻率的增加，始波信號(hào)的幅值是變小的；其次從5 MHz和7.5 MHz信號(hào)中可以看到，在始波信號(hào)之后出現(xiàn)了一些波紋草狀信號(hào)，與波場(chǎng)圖一致，這些信號(hào)會(huì)極大地干擾到缺陷回波信號(hào)的判斷；最后在信號(hào)末端出現(xiàn)了底面回波信號(hào)，可以看出，低頻率的底面回波信號(hào)幅值最大且清晰，而高頻率的底面回波信號(hào)幾乎很微弱。雖然在信號(hào)周期數(shù)相同的情況下，頻率越大，信號(hào)持續(xù)的時(shí)間越短，缺陷的分辨能力越強(qiáng)，但低頻率的信號(hào)幅值大，且雜波信號(hào)較少，足以能對(duì)聚氨酯材料中的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，所以采用2.5 MHz作為檢測(cè)的激勵(lì)頻率。

圖6 不同頻率下回波信號(hào)

圖7為超聲波在聚氨酯中與大小為：3 mm×2 mm，深度為21 mm內(nèi)部缺陷相互作用的傳播規(guī)律。首先在激勵(lì)作用下，聚氨酯內(nèi)部產(chǎn)生了超聲縱波和超聲橫波，隨著時(shí)間的推移，縱波率先與缺陷發(fā)生響應(yīng)，經(jīng)過(guò)缺陷的反射產(chǎn)生了缺陷反射波信號(hào)，而繼續(xù)向底部傳播的縱波信號(hào)能量受到衰減，色帶變淺，在到達(dá)底部后，經(jīng)底部反射形成底面回波，在返回的過(guò)程中會(huì)再次經(jīng)過(guò)缺陷，進(jìn)一步衰減。為了進(jìn)一步分析縱波與缺陷的作用情況，提取有缺陷的超聲信號(hào)與無(wú)缺陷時(shí)的超聲信號(hào)進(jìn)行比較。

圖7 深度21 mm時(shí)超聲縱波與缺陷作用規(guī)律

圖8為有缺陷與無(wú)缺陷超聲信號(hào)，從圖中可以看到有缺陷與無(wú)缺陷的始波信號(hào)都是一致的，在31.69 μs的時(shí)候接收到了從缺陷處反射的回波信號(hào)，在37.65 μs時(shí)都接受到了底面回波信號(hào)，在缺陷處聲波傳播的距離為42 mm，通過(guò)計(jì)算可知縱波的波速為1325.4 m/s與理論上是一致的。在有缺陷的模型中，底面回波信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)多次的衰減，因而比無(wú)缺陷時(shí)的底波信號(hào)幅值要低，如圖中黑色方框所示，這與圖7中超聲波與缺陷作用云圖的規(guī)律是一致的。

圖8 有缺陷與無(wú)缺陷超聲信號(hào)對(duì)比

圖9為寬度2 mm，深度為21 mm，不同長(zhǎng)度缺陷的超聲信號(hào)，可以看到始波信號(hào)都是一致的，而在缺陷回波信號(hào)的幅值會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度的增大而增大，而底波回波信號(hào)的幅值則會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度增大而減小，這樣的變化規(guī)律在一定程度上反應(yīng)了聚氨酯中缺陷的情況，進(jìn)而可用來(lái)實(shí)現(xiàn)聚氨酯內(nèi)部缺陷的量化。同時(shí)進(jìn)一步提取不同長(zhǎng)度缺陷信號(hào)的回波幅值繪制得到圖10缺陷幅值與缺陷長(zhǎng)度的關(guān)系，建立了回波幅值與脫粘長(zhǎng)度的關(guān)系模型。

圖9 不同長(zhǎng)度缺陷信號(hào)對(duì)比

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 試樣設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)車車窗膠接結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)了聚氨酯膠層的試樣如圖11所示，試樣規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為(90 mm×90 mm×25 mm)，其中灰色區(qū)域?yàn)榫郯滨フ辰觿?，黑色區(qū)域?yàn)轭A(yù)埋的缺陷用以模擬脫粘缺陷，大小(長(zhǎng)×寬)分別為1 mm×2 mm、1.5 mm×2 mm、2 mm×2 mm、3 mm×2 mm、5 mm×2 mm，如表2所示，其中10 mm處缺陷位置較淺，尺寸較大，設(shè)置其目的是同其他缺陷信號(hào)作對(duì)比，同時(shí)保證互不干擾的情況下增加檢測(cè)缺陷的類型。

圖10 缺陷信號(hào)幅值曲線

圖11 試樣結(jié)構(gòu)示意

表2 缺陷參數(shù)

2.2 聚氨酯膠層的超聲檢測(cè)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及調(diào)試

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)包括超聲激勵(lì)與接收模塊、信號(hào)采集模塊、檢測(cè)探頭、PC控制與顯示模塊、待檢測(cè)工件，工作過(guò)程為：超聲激勵(lì)發(fā)出超聲波作用于待檢測(cè)工件，而后信號(hào)采集模塊從信號(hào)接收模塊采集超聲信號(hào)傳輸?shù)絇C上位機(jī)進(jìn)行顯示，通過(guò)分析波形可得出材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷情況。檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖12所示。

圖12 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用的是三豐電子科技有限公司的多通道數(shù)字超聲波探傷儀，包含信號(hào)激勵(lì)、接收、信號(hào)采集模塊，具有8個(gè)專用探傷通道，工作頻率在0～15 MHz，信號(hào)顯示為A掃信號(hào)，垂直線性度和垂直線性度分別≤1%和3%，分辨率大于30 dB，波形采樣率為100 MHz，增益總量為100 dB，探傷儀的超聲脈沖的激勵(lì)電壓調(diào)制為400 V，脈沖寬度為40 ns，檢波方式為射頻檢波。縱波超聲換能器采用的是汕頭超聲研制的TGD942型2.5P6縱波直探頭，頻率為2.5 MHz，耦合劑為超聲波探傷耦合劑，由于工件在加工時(shí)受到加工工藝的影響，所以聲速可能和理論聲速存在一定差別，在做缺陷檢測(cè)前需對(duì)試塊的波速和聲程進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)的方式有兩種，一種是先將縱波直探頭放置在模擬試塊中無(wú)預(yù)埋缺陷處，觀察探傷儀上出現(xiàn)的較大回波峰值的波即是底面回波，同時(shí)在儀器上調(diào)節(jié)回波聲速和聲程的值讓底面回波的位置與試塊的高度一致，第二種是通過(guò)可視缺陷的位置來(lái)校準(zhǔn)聲速和聲程，主要步驟和第一種類似，但不是觀察探傷儀底波而是觀察膠粘檢測(cè)儀上的缺陷回波位置調(diào)整聲速，前一種方式普遍適用于缺陷檢測(cè)的校準(zhǔn)，后一種主要應(yīng)用于底波回波不明顯、聲衰減大、厚度大的材料，由于聚氨酯材料聲衰減大、聲速低并且底波幅值低，所以采用第二種方式對(duì)檢測(cè)儀器進(jìn)行聲速和聲程校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的回波聲速為1 330 m/s、聲程為31 mm即為該模擬試塊中超聲縱波的波速和傳播聲程，實(shí)驗(yàn)波速與理論波速大致相同，證明了仿真模型的正確性。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在缺陷位置、大小已知的情況下，先在大缺陷位置處(大小為5 mm×2 mm)進(jìn)行檢測(cè)以觀測(cè)缺陷回波信號(hào)與底面回波信號(hào)，得到如圖13所示的聲程-幅值曲線圖，縱坐標(biāo)為幅值，橫坐標(biāo)為距離檢測(cè)表面距離即聲程。從圖中首先可看到較明顯的始波信號(hào)，因?yàn)槭且话l(fā)一收的形式，始波信號(hào)最快返回探頭，其次在聲程2～4 mm之間出現(xiàn)了一些極大極小值的波形區(qū)域，通過(guò)探頭參數(shù)計(jì)算可得近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度

N

為2.82 mm，因此在該區(qū)域的為近場(chǎng)區(qū)干擾信號(hào)；接著在聲程11～12 mm處接收到了缺陷回波，與預(yù)埋位置大致相同；最后出現(xiàn)的為底面回波信號(hào)，由于超聲波傳播過(guò)程中經(jīng)過(guò)有缺陷的位置，所以底面回波信號(hào)的幅值有所減小。

圖13 長(zhǎng)度為5 mm，深度為10 mm缺陷超聲信號(hào)

為了進(jìn)一步分析超聲波與聚氨酯膠層中不同大小缺陷的響應(yīng)情況，分別對(duì)預(yù)埋的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，得到預(yù)埋位置深度為21 mm的缺陷超聲信號(hào)，如圖14所示。同樣地，缺陷尺寸不會(huì)影響始波信號(hào)，所以不同大小脫粘缺陷的始波信號(hào)是一致的，而且也會(huì)存在探頭近場(chǎng)區(qū)干擾信號(hào)，而缺陷回波信號(hào)的幅值則會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度的增加而增加，而底波回波信號(hào)的幅值則會(huì)隨著缺陷長(zhǎng)度增大而減小，也反映了回波幅值隨脫粘長(zhǎng)度的變化規(guī)律，與仿真結(jié)果相一致，表明了仿真模型的有效性和真實(shí)性。在此規(guī)律下我們同樣可建立回波幅值與脫粘長(zhǎng)度的量化關(guān)系模型如圖15所示，這與仿真結(jié)果中得到的關(guān)系是一致的，因此我們可依據(jù)這種變化規(guī)律來(lái)對(duì)車窗膠接結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的脫粘缺陷進(jìn)行定量分析。

圖14 相同深度，不同長(zhǎng)度缺陷超聲響應(yīng)信號(hào)

圖15 回波幅值與脫粘長(zhǎng)度關(guān)系模型

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用仿真與超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，先建立了車窗膠接結(jié)構(gòu)有限元仿真模型，研究脫粘檢測(cè)中超聲的傳播以及超聲波與缺陷相互作用的規(guī)律，分析了超聲波與不同脫粘長(zhǎng)度缺陷的相互作用規(guī)律，然后搭建超聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)含有深度在10 mm和21 mm，長(zhǎng)度從1 mm、1.5 mm、2 mm、3 mm、5 mm長(zhǎng)度的缺陷模擬試塊進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超聲缺陷回波幅值會(huì)隨著脫粘長(zhǎng)度的增加和增大，兩者之間直接存在關(guān)系，同時(shí)底波會(huì)隨著缺陷的增大而減小，可以依據(jù)此關(guān)系來(lái)進(jìn)行脫粘檢測(cè)定量分析，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真模型的正確性和可靠性，為動(dòng)車車窗膠接結(jié)構(gòu)的量化分析提供了理論依據(jù)。