遲大釗，郭濤，張閏琦，張濤，申浩

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001；2.國(guó)家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心,青島,266000)

0 序言

膠接結(jié)構(gòu)是一種連接效率高、可以將所受載荷均勻分布的連接方式，常用于復(fù)合材料連接.由于具有較高的比強(qiáng)度和較好的疲勞性能，復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)、汽車、航空航天及芯片領(lǐng)域被大量應(yīng)用[1-2].膠接結(jié)構(gòu)在輔助點(diǎn)焊以及釬焊中也有相關(guān)研究及應(yīng)用.趙磊等人[3]對(duì)石英纖維復(fù)合材料與因瓦合金的膠接輔助釬焊連接進(jìn)行了研究，通過表面涂覆活性膠改性的方法，實(shí)現(xiàn)了石英纖維復(fù)合材料與因瓦合金的膠接輔助釬焊連接；王銘茂等人[4]針對(duì)激光膠接復(fù)合點(diǎn)焊工藝特性進(jìn)行了研究，解決不同粘度膠粘劑的膠焊工藝缺陷問題，擴(kuò)大激光膠接復(fù)合點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用范圍.膠結(jié)結(jié)構(gòu)往往是整個(gè)構(gòu)建的薄弱環(huán)節(jié)，是應(yīng)力集中的區(qū)域，容易產(chǎn)生脫粘、分層等缺陷，降低結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能.因此，對(duì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)連接質(zhì)量的無損檢測(cè)是非常重要的.針對(duì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)，王強(qiáng)等人[5]提出一種利用載頻信息增強(qiáng)特征信號(hào)能量的諧振超聲編碼檢測(cè)方法.Latifa等人[6]采用超聲導(dǎo)波對(duì)金屬/膠粘劑/碳-環(huán)氧復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)研究，結(jié)果表明通過蘭姆波色散曲線可以確定樣品的粘接質(zhì)量.Bengisu 等人[7]采用高頻、高分辨率聲學(xué)顯微鏡評(píng)估了復(fù)合材料膠接結(jié)構(gòu)中的粘接質(zhì)量.結(jié)果表明，聲學(xué)顯微鏡中使用的高頻聚焦換能器可以對(duì)粘接質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)估.通過數(shù)據(jù)的后處理，可以識(shí)別膠接結(jié)構(gòu)中的弱結(jié)合缺陷.

聲阻法是一種不需要使用耦合劑的無損檢測(cè)方法，在膠接結(jié)構(gòu)檢測(cè)中得到了應(yīng)用.Cawley[8-9]對(duì)聲阻法檢測(cè)原理、方法、檢測(cè)精度進(jìn)行了深入研究.Koleva 等人[10]為了表征不飽和聚酯樹脂的固化過程，對(duì)樹脂試件進(jìn)行了機(jī)械阻抗測(cè)量.試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)粘度在較寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，機(jī)械阻抗譜法具有很好的分辨率.有人也研究了蜂窩結(jié)構(gòu)的聲阻法檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)脫粘會(huì)使結(jié)構(gòu)固有頻率減小的現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)中缺陷的檢測(cè)[11-12].

聲阻法商用設(shè)備所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)一般為被測(cè)結(jié)構(gòu)上單點(diǎn)的一維振動(dòng)信號(hào)，獲取的缺陷信息量有限，難以有效對(duì)缺陷整體形貌進(jìn)行評(píng)定.為了得到更為全面、直觀的缺陷信息，文中構(gòu)建了基于聲阻法的實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng).對(duì)鋁合金/環(huán)氧樹脂/鋁合金三明治復(fù)合膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，并和常規(guī)超聲C 掃描檢測(cè)方法進(jìn)行了對(duì)比.

1 聲阻法檢測(cè)原理

聲阻法是振動(dòng)檢測(cè)法的一種，即利用被檢測(cè)物體的振動(dòng)特性，來檢測(cè)物體內(nèi)部的缺陷.聲阻法探頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示.由于缺陷部位和非缺陷部位的振動(dòng)狀態(tài)不同，其發(fā)出的聲音也會(huì)不同.其原因是缺陷部位和非缺陷部位的振幅、振動(dòng)頻率及振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間不同.將探頭接觸工件，發(fā)射晶片會(huì)發(fā)出振動(dòng)信號(hào)，使被檢測(cè)工件產(chǎn)生振動(dòng).工件振動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)阻抗會(huì)對(duì)探頭的接收晶片產(chǎn)生一個(gè)反作用，從而作為換能器的負(fù)載.當(dāng)換能器負(fù)載狀態(tài)改變時(shí)，負(fù)載阻抗的變化將引起換能器的總阻抗的變化，從而產(chǎn)生換能器的共振頻率、頻率位相等頻率以及固定頻率下輸出電壓幅值等特性的改變.通過對(duì)換能器狀態(tài)變化的測(cè)量來判斷被檢測(cè)結(jié)構(gòu)本身阻抗的變化，從而達(dá)到缺陷識(shí)別的目的.聲阻法不需要使用耦合劑，且因探頭與工件接觸點(diǎn)小而適于不規(guī)則工件或曲面材料的檢測(cè)，對(duì)脫膠、內(nèi)部變形和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷檢測(cè)效果好.

圖1 聲阻法探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Transducer for acoustic impedance method

2 聲阻法成像檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 聲阻法檢測(cè)儀

文中所采用的檢測(cè)儀器為Sonic BondMasterTM聲學(xué)綜合檢測(cè)儀，主要用于檢測(cè)多種類型的材料例如石墨、沖積土、玻璃纖維、硼、金屬、環(huán)氧樹脂等結(jié)構(gòu)組件結(jié)合處的聲振檢測(cè)，對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的分層、脫粘及脫膠等缺陷可以實(shí)現(xiàn)快速、可靠的點(diǎn)式檢測(cè).采用聲學(xué)綜合檢測(cè)儀的機(jī)械阻抗分析模式.在檢測(cè)前對(duì)探頭進(jìn)行設(shè)置，探頭頻率從2.5 到70 kHz之間連續(xù)掃描，并確定合適的工作頻率.設(shè)定此固定頻率為探頭的工作頻率，并進(jìn)行掃查檢測(cè).儀器采用坐標(biāo)方式同時(shí)顯示幅度與相位，從而能在測(cè)定不連續(xù)大小的同時(shí)區(qū)分其深度.完好區(qū)信號(hào)幅度大于缺陷區(qū)，即選擇的工作頻率接近完好區(qū)的諧振頻率，因而當(dāng)探頭在完好區(qū)域移動(dòng)時(shí)，信號(hào)幅值較高；當(dāng)遇到缺陷時(shí)，信號(hào)幅值降低.適當(dāng)調(diào)節(jié)報(bào)警閘門的位置和大小，即可進(jìn)行檢測(cè).

2.2 實(shí)時(shí)成像檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

為了獲取膠接結(jié)構(gòu)聲阻法檢測(cè)二維圖像，文中設(shè)計(jì)了一種基于雙編碼器的手持式成像掃查器.掃查器外觀如圖2 所示.掃查器前端安裝探頭，后端兩輪的設(shè)計(jì)，采用手推的方式移動(dòng)小車，移動(dòng)小車使探頭的移動(dòng)軌跡遍布整個(gè)檢測(cè)區(qū)域，就可以繪制出對(duì)應(yīng)檢測(cè)區(qū)域的檢測(cè)圖像.

圖2 手持式掃查器Fig.2 Handheld scanner

手持式掃查器成像檢測(cè)的工作原理如圖3 所示.雙編碼器在檢測(cè)小車車輪驅(qū)動(dòng)下，實(shí)時(shí)記錄小車與被檢測(cè)體的相對(duì)位置.利用檢測(cè)小車車輪與探頭的固定位置關(guān)系，實(shí)時(shí)給出探頭和被檢測(cè)工件的相對(duì)位置坐標(biāo).

圖3 手持式掃查器工作原理Fig.3 Working principle of the scanner

假設(shè)經(jīng)歷時(shí)間Δt后，小車?yán)@軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)了θ角度，則有

式中：小車兩輪的速度分別由兩部分組成，一部分是小車平移的速度，另一部分是小車轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度.為左輪的速度，為右輪的速度，為左輪平移速度在x軸的分量，y˙L為左輪平移速度在y軸的分量，為右輪平移速度在x軸的分量，為右輪平移速度在y軸的分量.當(dāng)獲得與的值以及角度θ后，兩方程聯(lián)立，可以解出轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 θ˙以及平動(dòng)的速度然后進(jìn)行積分可以獲得探頭的位移和位置坐標(biāo).每經(jīng)過一個(gè)短暫的時(shí)間間隔，在當(dāng)前位置繪制一個(gè)像素點(diǎn)，當(dāng)有沒有探頭經(jīng)過的位置，可以將小車移動(dòng)到該位置繼續(xù)掃查，直到將區(qū)域全部掃查完畢.

2.3 成像檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示.缺陷聲阻信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡來獲得.數(shù)據(jù)采集卡一端與聲阻檢測(cè)儀的輸出接口連接，另一端與計(jì)算機(jī)連接.聲阻檢測(cè)儀的輸出接口為I/O 接口，其輸出的是基于TTL 電平的模擬信號(hào).輸出的模擬信號(hào)通過采集卡實(shí)現(xiàn)A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即電壓值，并導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中.計(jì)算機(jī)將缺陷信號(hào)與位置信號(hào)進(jìn)行結(jié)合，形成缺陷的二維圖像.基于C++編寫了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及成像系統(tǒng).數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將脈沖采集模塊所檢測(cè)到的脈沖信號(hào)和數(shù)據(jù)采集卡獲得的電壓信號(hào)進(jìn)行接收，并進(jìn)行處理獲得缺陷信息以及位置信息.之后將缺陷信息與位置信息結(jié)合并以圖像的形式呈現(xiàn)出來.

圖4 聲阻法成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure for acoustic impedance method

程序流程如圖5 所示，按下程序開關(guān)鍵，首先程序會(huì)檢測(cè)是否已經(jīng)將采集卡連接到計(jì)算機(jī).當(dāng)采集卡連接到計(jì)算機(jī)后，程序會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得此時(shí)刻的位置坐標(biāo)，然后程序檢測(cè)此時(shí)探頭的電壓值，并進(jìn)行判定.如果電壓值高于4 V，即探頭報(bào)警，表明該位置有缺陷，則在此位置畫一紅色像素點(diǎn)，如果電壓值低于4 V，則探頭未報(bào)警，表明該位置是完好的，沒有缺陷，就畫一個(gè)綠色的點(diǎn).然后程序過20 ms 后繼續(xù)執(zhí)行這個(gè)循環(huán)，直到接收到停止檢測(cè)的指令，就停止檢測(cè).完好區(qū)的波形幅值小于缺陷區(qū)的波形幅值.通過波形幅值可以區(qū)分完好區(qū)和缺陷區(qū).

圖5 成像檢測(cè)流程圖Fig.5 Flow chart of imaging procedure

3 膠接結(jié)構(gòu)試件檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 膠接結(jié)構(gòu)試件及檢測(cè)方法

試件為鋁合金/環(huán)氧樹脂/鋁合金三明治膠接結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為厚度1 mm 的鋁合金板，中間為厚度0.5 mm 的環(huán)氧樹脂粘接材料，如圖6 所示.該類膠接結(jié)構(gòu)缺陷主要為兩種，一種是環(huán)氧樹脂粘接材料填充不滿，另一種是粘接材料與鋁合金表面脫粘.三層結(jié)構(gòu)形成兩個(gè)界面，脫粘缺陷經(jīng)常在界面處分布，填充不足缺陷在整個(gè)環(huán)氧樹脂厚度方向可均有分布.分別采用常規(guī)超聲C 掃描成像檢測(cè)方法及文中開發(fā)的聲阻成像檢測(cè)方法對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)，并將結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比.由于環(huán)氧樹脂聲學(xué)檢測(cè)特性較差，分別采用兩側(cè)入射的方法(即A 面、B 面檢測(cè))對(duì)雙界面進(jìn)行成像檢測(cè).

圖6 膠結(jié)結(jié)構(gòu)測(cè)試件示意圖Fig.6 Schematic of the test block

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

首先對(duì)膠接結(jié)構(gòu)試件的脫粘缺陷進(jìn)行了聲阻法檢測(cè)，采用不同增益對(duì)試件進(jìn)行了檢測(cè)，得出的完好區(qū)與缺陷區(qū)的信號(hào)成像底層數(shù)據(jù)如圖7 所示.聲阻檢測(cè)儀采用橫縱坐標(biāo)的形式顯示探頭檢測(cè)信號(hào)的幅度與相位，橫坐標(biāo)表示信號(hào)的幅度，縱坐標(biāo)表示信號(hào)的相位，圖中黑色矩形表示探頭所檢測(cè)到的信號(hào)幅值與相位信息.探頭處于完好區(qū)與缺陷區(qū)時(shí)，接收到的信號(hào)幅度會(huì)有較為明顯的差別，如圖7 所示.信號(hào)是否進(jìn)入閘門內(nèi)，即圖7 中下方框內(nèi)，會(huì)使聲阻檢測(cè)儀的輸出信號(hào)產(chǎn)生差異.當(dāng)探頭處于缺陷區(qū)域時(shí)，信號(hào)處于閘門內(nèi)，輸出為高電平，電壓值為4 V 以上，當(dāng)探頭處于完好區(qū)域時(shí)，信號(hào)處于閘門外，輸出低電平，電壓值為4 V 以下，通常為1-2 V.完好區(qū)和缺陷區(qū)聲阻信號(hào)幅值差距較大，輸出的電壓值差別也較大，可有效進(jìn)行分辨.對(duì)膠接結(jié)構(gòu)試件缺陷進(jìn)行了超聲C 掃描檢測(cè)，并獲得了缺陷區(qū)的成像底層數(shù)據(jù)A 掃信號(hào)，如圖8 所示.工件兩側(cè)鋁板和填充環(huán)氧樹脂形成兩個(gè)異質(zhì)界面，超聲波經(jīng)過各界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射及透射.同時(shí)，由于各物質(zhì)層厚度低于1 mm，聲波在各界面處會(huì)發(fā)生多次反射現(xiàn)象，所得到的A 掃描信號(hào)呈現(xiàn)的波形復(fù)雜，工件上表面波與底面反射波之間存在多界面多反射波峰，不利于界面信號(hào)的提取與檢測(cè)參數(shù)設(shè)定.對(duì)于脫粘缺陷而言，完好區(qū)的界面為鋁合金/環(huán)氧樹脂界面，缺陷區(qū)的界面為鋁合金/空氣，從信號(hào)波幅上看，前者要小于后者.對(duì)于波形幅值高于完好區(qū)的的區(qū)域，幅值比完好區(qū)的幅值高0.2 V 以上時(shí)，則判定為缺陷信號(hào)，幅值與完好區(qū)幅值之差低于0.2 V 時(shí)，則判定為非缺陷信號(hào).通過波形幅值判讀，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)反射體檢測(cè)靈敏度，可以初步區(qū)分完好區(qū)和缺陷區(qū)，并設(shè)定檢測(cè)參數(shù).

圖7 聲阻法成像底層數(shù)據(jù)Fig.7 Data for acoustic impedance imaging method.(a) defect area;(b) non-defect area

圖8 超聲C 掃描成像底層數(shù)據(jù)Fig.8 Data for ultrasonic C-scan

采用聲阻法及超聲水浸聚焦式C 掃描方法，分別從實(shí)際膠接結(jié)構(gòu)的A、B 兩面進(jìn)行成像檢測(cè).聲阻法檢測(cè)條件：聲阻檢測(cè)儀探頭直徑為6.46 mm，掃查的頻率為4.64 kHz，增益為19.5 dB.檢測(cè)儀檢測(cè)所得典型缺陷圖像見圖9.對(duì)于聲阻法檢測(cè)，A、B 兩面檢測(cè)結(jié)果圖像具有較好的對(duì)稱性，且缺陷輪廓具有較好的一致性.說明聲阻法對(duì)膠接缺陷檢測(cè)具有較好的可靠性，檢測(cè)效果受多層、多界面結(jié)構(gòu)影響小，單面檢測(cè)即可滿足復(fù)合膠接結(jié)構(gòu)缺陷的無損表征需求.超聲水浸聚焦式C 掃描檢測(cè)條件：檢測(cè)探頭頻率為15 MHz，焦柱尺寸為0.5 mm，增益為35 dB.在聲阻法檢測(cè)的相同部位獲得的超聲C 掃描圖像見圖10.對(duì)于超聲C 掃描檢測(cè)，A、B 兩面檢測(cè)結(jié)果圖像相差很大，缺陷識(shí)別及缺陷輪廓一致性差.說明超聲C 掃描法在檢測(cè)多層、多界面膠接結(jié)構(gòu)缺陷時(shí)，檢測(cè)效果各層厚度及界面數(shù)量影響大；在檢測(cè)參數(shù)設(shè)置時(shí)，對(duì)電子閘門設(shè)定精度要求高，成像底層數(shù)據(jù)采集狀態(tài)對(duì)檢測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大影響；同時(shí)，當(dāng)缺陷處于某一界面處時(shí)，兩側(cè)入射聲波的聲程、與缺陷體作用的聲能量均存在一定的差異，這也是超聲C 掃描兩面掃查得到缺陷圖像存在差異的另一原因.

圖9 聲阻法檢測(cè)圖像Fig.9 Images collected by acoustic impedance method.(a) A side;(b) B side

圖10 超聲C 掃描圖像Fig.10 Ultrasonic C-scan image.(a) A side;(b) B side

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)并制造了基于雙編碼器定位的聲阻法成像檢測(cè)掃查器.建立雙編碼器信息交互的探頭定位的數(shù)學(xué)模型，并給出了探頭定位算法.

(2) 建立了基于聲阻法的膠接結(jié)構(gòu)缺陷實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)，主要包括聲學(xué)信號(hào)采集、聲學(xué)探頭定位、數(shù)據(jù)處理及繪圖三部分.系統(tǒng)操作方便，具有很好的適應(yīng)性及靈活性.

(3) 相對(duì)于水浸聚焦式超聲C 掃描檢測(cè)，聲阻成像檢測(cè)系統(tǒng)能更有效識(shí)別多層多界面復(fù)合膠接結(jié)構(gòu)缺陷，且單面檢測(cè)即可滿足缺陷表征需求.