喷管座粘接层的超声检测

2014-01-10黄江波王文斌张伟杰陈丽华

无损检测 2014年8期

黄江波，王文斌，张伟杰，陈丽华

（中航工业航宇救生装备有限公司计量理化中心，襄阳 441003）

1 问题的提出

复合材料成型工艺完全不同于传统材料的成型工艺，其中缺陷类型也有很大不同。用一种无损检测方法很难检测出所有类型的缺陷，往往需要多种方法相结合，特别是板／板的胶结结构的检测。

某喷管座是一种应用在某动力装置上的金属／橡胶的胶结复合结构（图1），它既有板／板结构的一般特性，也有橡胶材料的特殊性；其外层是金属材料，内层粘接有绝热橡胶（改性B302，三元乙丙橡胶）。如果没有绝热层，金属层在进入工作状态后的0.4s内就会烧穿；因此，绝热层比较关键，其粘接质量尤其重要。它存在的主要缺陷为空隙、脱粘等，笔者介绍了如何利用常规超声检测的方法对粘接层的粘接质量进行检测。

图1 喷管座结构示意

2 橡胶材料的声学特征及金属／橡胶粘接的检测难点

2.1 橡胶材料的声学特征

橡胶是高分子聚合物，属于超声弹性吸收材料。其在常温下是固态，但某些声学性能却和固体金属有明显不同，而与高粘性液体相似；例如其弹性模量只是金属弹性模量的几十万分之一，而与气体数值的数量级相差不大。该材料内阻尼也比金属大，属于弛豫过程吸收。但橡胶的弹性弛豫过程和气体分子的热弛豫过程在物理机理上有所不同。橡胶材料在声波作用下发生形变时，由于材料的黏性内摩擦作用和弹性弛豫过程的作用，声能会转变成热能而被消耗掉。常温常压下，材料的损耗系数在相当大的频率范围内与频率无关：玻璃约为0.002，橡胶一般为0.2左右。由此可见，橡胶的材料损耗系数是玻璃的100倍左右。

2.2 金属／橡胶粘接质量的检测难点

超声传播时，在金属／橡胶界面既有反射也有透射；这时，透射量对于反射量或入射量来说是不可忽略的［1］。无论两界面是否脱粘，都存在反射波。虽然脱粘界面（无透射）的反射波比非脱粘界面（有透射）的反射波强烈，但是，如何准确地对比脱粘界面和非脱粘界面的超声波反射差异，如何准确地从反射波中分辨出脱粘缺陷，仍是检测成败的关键，也是检测的难点所在。

3 检测方法

3.1 超声入射面的选择

考虑到橡胶材料（如改性B302，三元乙丙橡胶）的声学特征，超声检测时的入射面应选择在金属材料一侧，而不能选择在橡胶层一侧。如从橡胶层一侧入射，由于橡胶的吸声作用，声波还没有到达金属／橡胶界面，绝大部分声能就已经消耗在橡胶介质中而很难形成界面反射或穿透整个介质［2］。以喷管座为例，如从绝热层一侧入射，经过约3mm 的绝热层后，大部分声能被吸收，荧光屏上很难形成界面反射波。

同时由于该结构的结构特点，检测时无论选择从哪一侧开始入射，都不适合用穿透法检测。

由于以上原因，检测方法一般选择从金属层一侧入射的脉冲反射法。从金属层一侧入射时，由于声能在金属中的消耗比在橡胶中的消耗低得多，声波不难到达金属／橡胶界面，且在两种材质界面会形成界面反射。

3.2 多次反射法

采用超声脉冲反射法检测时，为了能明显分辨出两种界面的显示差异，故采用多次反射法。当超声波从金属层一侧进行入射时，由于声能在金属中的消耗比在橡胶中低得多，且两种材料的声阻抗存在着较大差异，无论界面是否存在脱粘，都会在钢／橡胶界面形成界面反射，但这种反射差异并不是特别明显。

以喷管座的检测为例，喷管座的钢层4mm，橡胶层约3mm，属于薄壁件板／板胶结结构。当采用常规的接触式脉冲反射法进行检测时，由于始波占宽的影响，4mm 的钢层底反射波可能在盲区内；即使能分辨出界面反射，但正常界面的一次反射与界面脱粘的一次反射的反射声压差别不是很大，加上操作、探头接触面、电噪声等因素的影响，很难分辨出一次反射是由何种原因引起的。对于这两种差异的大小，以对比试块的金属／橡胶界面为例，一次波在两种情况（脱粘与粘接良好）下的界面反射差异并不大。如采用5 MHz，φ8mm 探头检测，人工脱粘缺陷直径分别为φ4，φ7，φ10，φ15mm 时，脱粘面与粘接良好的情况下的反射量的差分别为2.0，2.0，1.5，0.8dB。

于是，为了正确分辨出正常界面反射与脱粘反射，需要把这两种情况下的差异放大，故可采用多次反射法。这种方法不同于一般的2次反射、3 次反射，而是将深度旋钮（或称扫描范围旋钮）选在500mm档或1 m 档，经过几十次甚至上百次的反射，正常界面反射与脱粘反射的差异经过多次反射积累，差别就可明显反应出来。

粘接正常时，声波每一次在钢／橡胶界面反射时，都会有一部分超声波进入橡胶中，声能通过粘性内摩擦作用和弹性弛豫过程的作用，转变为热能而被消耗在橡胶材料中。而脱粘时，界面发生了变化，形成了钢／空气界面和空气／橡胶界面；超声从钢层一侧入射，在脱粘处形成的钢／空气界面上几乎发生全反射。通过这种反射差异的多次积累，两种情况在显示屏上的超声波反射幅度、水平距离及反射波的幅度包络线都有明显的不同。采用多次反射法还有一个好处，就是检测时可摆脱近场区的影响。

3.3 试块的设计和制作

由于复合材料的物理性质存在较大的离散性，因此检测用的对比试块的表面状态必须与受检件的表面状态尽可能一致，试块的金属层和橡胶绝热层的材料、厚度或声学性能尽可能与零件的材料、实际厚度或声学性能一致；并满足复合材料制作的最高质量等级要求；试块的胶结及固化工艺应与零件的成形工艺一致；试块的缺陷设置应包括所要求检测的缺陷最小尺寸和缺陷类型。

试块的尺寸、外形及人工缺陷的类型和尺寸应根据实际需要设计。图2是针对喷管座设计的一款试块。考虑到喷管座的成型特征和设备条件，试块缺陷设计成嵌入型，缺陷类似于脱粘，缺陷位置分布于金属层和橡胶层之间，分布于不同的部位，缺陷大小设计成φ4，φ7，φ10mm，金属层和橡胶层的厚度与零件的实际厚度一致。

图2 喷管座超声粘接面检测对比试块尺寸

3.4 灵敏度调整

根据喷管座的材质和要求检出的最小缺陷，将探头置于与喷管座厚度相同或相近的对比试块上，按要求检测相应的人工缺陷，调整超声波检测仪，使该人工缺陷的反射波高达到检测仪器荧光屏满刻度的60%，测出此时的分贝值（设为R1），并以此作为检测灵敏度。

为了避免对比试块胶结层和橡胶层的老化而引起R1值的变化，导致检测灵敏度出现误差，实际检测时可使用有机玻璃参考试块来调整检测灵敏度。即在测出和记录对比试块上人工缺陷的反射波高达检测仪荧光屏满刻度60%时的分贝R1后；在同样的条件下，测试和记录有机玻璃参考试块的底面回波达到检测仪荧光屏满刻度60%时的分贝值R2，计算并记录分贝值之差ΔR（ΔR＝R1－R2）。

检测时，根据喷管座检测厚度和要求检出的最小缺陷，首先查找对应的ΔR，然后测试有机玻璃参考试块的底面回波达到检测仪荧光屏满刻度60%时的分贝值R2′，以（R2′＋ΔR）作为检测灵敏度。

3.5 显示的观察与判别

显示的判别分为缺陷的定性和定量判别。对于金属／橡胶粘接层的检测，缺陷一般为脱粘；对脱粘面的定量，一般借助于对比试块来分析。

如前所述，超声波从金属一侧垂直入射到金属／橡胶界面时，无论是否脱粘，都会有界面回波反射。要区别脱粘反射和正常的金属／橡胶界面反射，需要通过对比试块来调节检测灵敏度，灵敏度的调节要能很好地分辨出脱粘显示与胶结正常显示，使两者之间有明显的差别，便于比对，便于判断和处理，需要检测人员具备一定的经验。

图3 胶结正常与脱粘面直径为φ10mm情况下的多次反射图

可从两方面对两者间的差别进行分析，一是观察不同情况下同一距离上的波幅变化，二是观察多次反射中波幅随距离的变化情况及反射波的幅度包络线。图3（a）是胶结正常情况下的多次反射图，图3（b）是脱粘情况下的多次反射图，其深度旋钮都控制在500mm 档。

分析比较图3可得出：粘接良好的情况下，超声幅度随着反射次数的增加而均匀下降，下降幅度明显大于图3（b）中的脱粘情况，反射次数相比脱粘情况下的反射次数，明显要少得多；随着反射次数的增多，同一水平距离上的反射幅度明显不同；两种情况在水平方向上的图形显示也明显不同，粘接良好时显示的水平距离窄，而脱粘情况下显得较宽；从反射幅度的包络线来看，粘接良好时，包络线窄而陡，而脱粘时包络线宽而平。