复合结构界面粘接质量的非线性超声检测

江念,王召巴,金永,陈友兴

(中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051）

复合结构界面粘接质量的非线性超声检测

江念,王召巴,金永,陈友兴

(中北大学信息与通信工程学院,山西太原 030051）

为满足评价复合结构界面粘接质量的需求,研究了一种测量粘接界面粘接强度的非线性超声检测系统。实验中制作了3组有机玻璃/粘接剂/钢结构的粘接试件,粘接剂采用环氧树脂胶粘剂,以3种配比模拟不同的粘接强度。针对目前兰姆波检测方法中其模式的选择相对复杂,脉冲反射回波法未能根据二次谐波激发效率判断粘接状态的问题,提出了一种单频率大幅度超声激励作用下,表征界面超声非线性程度的二次谐波幅值A2与反射基波幅值A21之比A2/A21的方法。实验结果表明:非线性效应程度越大,界面粘接质量越差,可将非线性效应程度作为有效评价复合结构粘接质量的特征参数。

仪器仪表技术;非线性超声;反射基波;二次谐波;复合结构;粘接质量

0 引言

复合结构广泛应用于生产实际,现代飞机的机身、机翼、舵面等都大量采用粘接的金属板结构[1]。在固体火箭发动机中为使绝热层与推进剂粘接牢固,其壳体也采用多层复合粘接结构[2]。由于界面的粘接强度直接决定了复合粘接结构的可靠性与安全性,因此研究和评价复合结构中界面的粘接质量具有重要意义。现有的超声无损检测技术主要利用线性超声波的时程、声速,波的反射、散射,声波能量吸收及衰减等信息。对于复合粘接结构在制造和使用过程中可能产生的,如脱粘、固体层裂纹、夹渣等缺陷检测较为容易,已应用于工程实际。然而,由于声阻抗原理的限制,常规超声无损检测方法对于粘接界面中存在的机械贴合类缺陷和不同粘接状态极不敏感,无法对界面粘接质量做出定量评价。

力学、声学和材料学领域的研究表明:超声波在性能退化(机械贴合、弱粘接、塑性变形等)的材料中传播时界面的反射和透射信号中伴随着明显的非线性行为[1]。Nagy[3]通过实验证明可用超声非线性系数表征材料的疲劳程度。Brotherhood等[4]对铝块粘接质量的检测结果表明非线性超声对粘接面缺陷的检测具有很高的灵敏度。徐从元等[5]测量了不同疲劳损伤程度下LY-12铝合金棒的声速、衰减及非线性系数,指出由疲劳引起的声速和衰减的变化远小于非线性系数的变化。安志武等[6]对非线性超声无损评价技术应用于粘接质量检测进行了理论模型的探讨,指出二次谐波是对层间脱粘较为敏感的声学参量之一。邓明晰等[7]利用兰姆波二次谐波的应力波因子实现了对层状固体结构表面性质的变化情况的准确定征,但是不同材料的板材、工作频率和板厚以及入射角的改变都会得到不同模式的兰姆波,这使得该方法变得较为复杂。郭怡等[8]采用脉冲反射回波法,将二次谐波激发效率作为特征,实现了对完全脱粘区、粘好区和弱粘接区3种特殊粘接状态的区分,但尚未得出不同粘接质量与二次谐波激发效率之间的关系。

纵波在有机玻璃和钢中的声阻抗分别为3.51× 106kg/m2、47.2×106kg/m2,由于两种材料声阻抗相差很大,入射超声波到达粘接界面时,一方面反射回波较大,可根据反射回波的强弱定性判断界面的粘接状态[9-10],另一方面粘接质量的不同会影响透射信号中二次谐波的产生效率,所以可将非线性超声检测技术应用于复合结构界面粘接质量的检测,建立基于透射—反射式的非线性超声检测系统,研究透射二次谐波信号与反射基波信号平方比值和界面粘接质量之间的关系。

1 复合结构中的超声非线性

由于固体介质材料存在非线性,所以复合结构的粘接基体和粘接界面都会使得单一频率的超声波产生畸变或者造成窄带入射超声波产生高次谐波。这些非线性效应导致传统超声中的应力σ和应变ε不再满足胡克定律中描述的线性关系,而是需要引入更高次的弹性系数[11]

式中:k为波数,k=ω/c;x为传播距离。由(2)式可知在保证回波信号不相互混叠的情况下应尽量增加波数和传播距离,以便更加容易地观察和测量二次谐波。

在复合粘接结构中,由部分接触的粘接界面而导致的应力—应变行为中的非线性同样会引起单一频率的超声波或者窄带入射超声波发生畸变。Biwa等[13]的研究理论表明,当超声波作用在固体-固体粘接界面上时,基波和二次谐波存在如下关系:

式中:pa为超声波穿过粘接界面的压力;m和C为接触模型中的正常数,在(4)式中K为粘接界面单位面积上的刚度。

由于非线性效应而产生的二次谐波幅值与复合结构界面的粘接情况密切相关,所以可利用连续超声波在复合结构材料中传播产生的波形畸变,对接收信号进行频谱分析,通过谐波幅值计算非线性系数。该方法将超声波与接触界面相互作用的宏观特性与接触表面的微观特性联系起来,可以用来检测材料内部如复合材料界面脱粘与分层等接触型缺陷。因此实验选择比值A2/A21作为界面粘接质量的非线性声学特征参数。

2 非线性超声检测系统与测量方法

如图1所示给出了基于透射二次谐波信号与反射基波信号平方比值的非线性超声检测系统的示意图。其中包括美国Ritec公司生产的RAM-SNAP系统、高能匹配电阻、衰减器、滤波器、信号取样器、铌酸锂晶片换能器、粘接试件和夹具、示波器及计算机。

图1 非线性超声检测系统示意图Fig.1 The layout of experimental system ofnonlinear ultrasonic

RAM-SNAP系统输出频率为5 MHz的高能量正弦脉冲信号,经过匹配电阻、步进衰减器、低通滤波器等模块后加载到标称频率5 MHz、直径7 mm的窄带纵波铌酸锂晶片上,脉冲信号经耦合剂垂直入射到待检试件,在试件内粘接界面上的反射回波经信号取样器进入RAM-SNAP系统CH1通道;穿过粘接界面的一部分透射波被固定在试件另一端面的标称频率10 MHz、直径6 mm的窄带纵波铌酸锂晶片R接收,经过10 MHz高通滤波器滤波后进入系统的CH2通道。通过改变衰减步进衰减器一方面用以检验非线性来源,另一方面将输入电压衰减到发射换能器的有效电压值范围内,低通滤波器的作用是滤除输入信号中的高频谐波分量,确保激励发射换能器的信号为单一频率的正弦波,高通滤波器用以滤除接收信号中的基频信号。

本文研究有机玻璃和钢的粘接质量,采用环氧树脂胶粘剂作为粘接剂粘接有机玻璃和钢。按照固化剂与环氧树脂质量比为1∶1,5∶1,7∶1分别制作了编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的3组粘接试件。试件为750 mm× 250 mm的有机玻璃/粘接剂/钢结构,第1层为2 mm厚的有机玻璃,中间为0.7 mm厚的粘接剂,第3层为6 mm厚的钢。粘接结构如图2所示。

考虑到检测系统的轴向分辨力及激励信号自身的频率范围,本实验采用正弦脉冲串信号作为激励信号。由于脉冲串周期越大,激励信号频带越窄,所以在保证试件中能容纳的不与接收信号混叠的前提下应尽量增加激励脉冲串的个数。为了减少耦合剂可能带来的谐波干扰,采用具有低熔点的水杨酸苯酯对铌酸锂晶片和待检试件进行粘接耦合。

图2 粘接试件结构示意图Fig.2 Structural representation of composite adhesive specimen

图3 信号处理过程Fig.3 The diagram of signal post-processing

界面粘接24 h后用上述非线性超声检测系统分别对3组试件进行检测。图3(a)为衰减60dB的7

周期激励脉冲串,图3(b)为超声信号在I号试件粘接界面衰减40 dB的基频反射回波信号,图3(c)为前置放大器放大了20 dB二次谐波时域波形。对接收的基频和二次谐波信号进行快速傅里叶变换(FFT),在5 MHz的频率位置上得到基频回波幅值A1,在二倍频率10 MHz位置处得到透射二次谐波幅值A2,如图3(d)所示。

3 实验结果与分析

3.1 非线性来源的验证

根据(2)式可知,若将激励信号幅值衰减1 dB,相应基波信号衰减1 dB,二次谐波信号衰减2 dB.将激励信号衰减依次增加1 dB、2 dB、4 dB,进行7 dB衰减。如图4所示为相应二次谐波信号的衰减,从图中可看出二次谐波随着激励信号的衰减依次衰减2 dB、4 dB、8 dB,共衰减了14 dB.实测接收信号衰减程度符合理论分析的衰减规律,表明本次实验中的二次谐波信号来自于待测试样的非线性声学效应。

3.2 不同质量的非线性特征参数

采用电压220 V、频率5 MHz、20个周期的射频脉冲串信号激励探头,分别测量Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号3种粘接试件。对每一个试件在一次测量中采集30组时域反射基波信号和二次谐波信号进行FFT,计算基波A1和二次谐波A2的幅值。如图5所示根据上述实验方法得到的A2/A21比值。

文献[14-15]对固化剂含量对胶粘剂固化强度的研究结果表明:固化剂与环氧树脂质量比为1∶1时粘接剂的粘接强度达到最大,随着质量比的增加,粘接结构界面的拉伸剪切强度、弹性模量及声能量的传输效率越低,粘接试件作为一个系统的非线性响应更加明显。从图5可以看出3种不同粘接状态试件的非线性特征参数差异明显,其变化区间互不重叠。

在以上实验的基础上,对3组试件的不同位置进行9次检测,如表1所示。针对每一试件,按照上述步骤采集30组时域信号,计算各组的A2/A21比值,最终取其均值作为实验测量结果。在各组试件不同位置测得的A2/A21,如图6所示。从测量数据可以看出:在同一试件的不同位置上测得的非线性声学特征参数相对稳定,重复性较好;不同试件的非线性声学特征参数存在明显差异,且其变化规律与参考文献[14-15]中提到的粘接强度随试件胶层不同质量比的变化规律一致。该方法对不同试件测量得到的非线性声学特征参数值相对稳定,测量规律反映了试件界面的粘接质量,这表明利用本实验系统,能有效评价界面的粘接质量。

表1 3种不同粘接状态的非线性声学特征参数值Tab.1 Characteristics of nonlinear acoustic parameters in three kinds of bond statesV-1

图6 多次测量的非线性声学特征参数Fig.6 Multiple measurement of characteristic parameters of nonlinear acoustic

4 结论

研究了一套由铌酸锂晶片、信号采样器、衰减器、RAM-SNAP系统等构成的界面粘接质量非线性超声检测系统。利用该实验系统测量了3组不同粘接状态试件的非线性特征参数,测量结果表明:利用反射法测量基波幅值,透射法测量二次谐波信号幅值方法得到的A2/A21比值能够明确区分3组试件的粘接状态,其变化规律与参考文献[14-15]中得到的结论相吻合,为工业生产中复合结构界面粘接质量的评价提供了指导意义。

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Measurement of Interface Bond Quality of Composite Structure Using Nonlinear Ultrasound

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,JIN Yong,CHEN You-xing
(School of Information and Communication Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China)

A nonlinear ultrasonic test system is established to meet the needs of evaluating the interface bond quality of composite structure.Epoxy resin is chosen as adhesive to make three sets of specimens which are made up of synthetic glass/adhesive/steel so as to simulate the different bond strengths with three different rations of epoxy resin to curing agent.For the problem of the complexity to determine the mode of lamb using lamb wave approach and the situation of that bond states cant not be evaluated based on second harmonic exciting efficiency using pulse-echo ultrasonic techniques,a method is developed,in which the specimen is excited by a single-frequency ultrasound,and A2/A21(the ratio of second harmonic A2to fundamental wave A21)is used to characterize the degree of nonlinear ultrasonic response.The experimental results indicate that the interface bond quality reduces with the increase in the degree of nonlinearity,and thus it can effectively evaluate the interface bond quality.

apparatus and instruments technology;nonlinear ultrasonic;reversed fundamental-frequency echo;second harmonic;composite structure;bond quality

V 257;TB156

:A

1000-1093(2014)03-0398-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.03.016

2013-08-26

国家自然科学基金项目(61201412);山西省青年科技研究基金项目(2012021011-5)

江念(1988—),男,博士研究生。E-mail:jiang_nian@yeah.net;王召巴(1967—),男,教授,博士生导师。E-mail:wangzb@nuc.edu.cn