黏接结构紧贴型缺陷超声斜入射法检测

2022-02-28吴超李剑艾春安

科学技术与工程 2022年4期

吴超，李剑，艾春安

(火箭军工程大学导弹工程学院，西安 710025)

随着黏接工艺在材料科学、化学和机械科学等领域不断发展，黏接结构的黏接质量检测也受到人们的关注[1-3]。紧贴型脱黏缺陷是一种常见的黏接结构界面缺陷[4-5]，出现紧贴型缺陷时，黏接界面并未分离，但黏接结构不能传递切向载荷。因此为了保证结构的安全性，开展针对紧贴型脱黏缺陷的检测研究具有十分重要的意义。

超声检测技术相比于其他无损检测技术具有检测方便、安全且能够反映材料力学性能等优势，被普遍用于黏接结构缺陷的检测[6-7]。超声斜入射法与垂直入射法相比，在较低的检测频率下就可以实现较高的灵敏度。目前，学者们利用超声斜入射法检测脱黏缺陷已得到一些研究成果。Rokhlin[8]引入薄黏弹性层的滑移边界条件与焊接边界条件，并利用超声斜入射法对边界条件进行了合理性分析。Ricardo等[9]基于弹簧边界条件建立了黏接模型，通过改变弹性常数实现对黏接缺陷的模拟，并利用斜入射法对该模型进行了理论研究。孙凯华等[10]基于斜入射法研究了黏接层界面黏附强度和内聚强度对超声波反射与透射系数的影响关系。韩赞东等[11]研究了斜入射非线性系数与陶瓷涂层结合质量之间的关系。丁俊才等[12]、吴斌等[13]研究了在斜入射条件下不同的黏接材料对界面反射特性的影响，并针对弱黏接缺陷研究了斜入射反射系数的模随着不同刚度比和入射角的变化规律。何存富等[14]基于斜入射法，通过有限元计算研究了反射/透射系数频谱曲线分别与胶层内聚弱化程度和黏接界面弱化程度之间的关系。针对斜入射条件下黏接界面的检测，已有学者开展了一定的研究，但仅停留在对界面的理论推导和分析中，而在实际的检测中，对于缺陷的尺寸大小的可视化表示和定量评估是十分重要的，为此，采用斜入射C-扫描成像的方式对紧贴型脱黏区域进行成像显示。

首先对黏接结构建立的模型进行了分类，基于超声斜入射检测原理，设计了超声斜入射法检测黏接结构C-扫实验，对黏接结构界面进行斜入射C-扫成像，最后对比分析了斜入射与垂直入射扫描图像结果，验证超声斜入射方法对于检测紧贴型缺陷的优势和可靠性。

1 黏接结构模型

基于超声方法检测黏接结构，按照结构的特点可以分为3种不同的建模方式，为了简化模型，只考虑超声波一次入射到黏接结构的情况，如图1所示[15-16]。

ρ为胶层的密度；c为胶层中超声波传播速度

1.1 夹层模型

对于夹层模型，不考虑黏接界面黏接剂的黏附力，可以将黏接层简化为密度ρA、波速cA的弹性或黏弹性胶层，其厚度x表示为0

u(0+)=u(0-),σ(0+)=σ(0-)

(1)

u(h+)=u(h-),σ(h+)=σ(h-)

(2)

式中：-、+分别表示在界面的左右两侧；h为胶层厚度；u和σ分别为位移和应力。

研究厚胶层黏接结构时，尤其对于胶层内聚强度弱化或者胶层中存在气泡、夹杂等缺陷时，一般建立夹层模型。

1.2 单界面模型

针对单界面模型，为了研究方便，不考虑胶层的厚度对研究的影响，将胶层视为单一黏接界面，该界面可以用弹簧模型代替。在x=0处，应力边界条件可表示为

σ(0+)=σ(0-)=KS[u(0+)-u(0-)]

(3)

式(3)中：KS为界面刚度，KS可以分为法向刚度KN和切向刚度KT，在黏接结构中，可能出现理想界面、若黏接界面和紧贴型黏接界面3种不同的界面形式，对应3种不同的边界条件。

当出现紧贴型界面时，KN→∞，KT=0，黏接结构可以完全传递法向应力，但不能传递切向应力。单界面模型一般用于对薄胶层黏接界面缺陷的研究。

1.3 双界面模型

双界面模型同时考虑了胶层的厚度和界面对黏接结构研究的影响，K1和K2分别为x=0和x=h处的界面刚度。当K1,K2→∞时，双界面模型和夹层模型可以等效，夹层模型的应力边界条件也适用于双界面模型；当胶层厚度h→0，|K1-K2|→0时，双界面模型与单界面模型等效。双界面模型多用于对多层黏接结构的界面或胶层性质的研究。

2 斜入射C扫描检测原理

2.1 斜入射检测原理

当超声波斜入射到两种不同介质时，如果两种介质的声阻抗不同，根据Snell定律，超声波会在界面上发生反射、透射和波形转换，在固体介质内可以转换成纵波和横波。如图2所示。入射波既可以是横波也可以是纵波，通过改变入射角度，可以选择在介质中转换后的波形类型。由于横波在界面处会产生切应力，所以横波对于界面性质发生的变化较敏感，用横波斜入射法检测黏接界面具有一定的优势。

α为入射角；α′S为横波反射角；α′L为纵波反射角；βS为横波折射角；βL为纵波折射角

用斜入射法检测黏接结构主要研究超声波反射系数，透射系数与入射角度之间的关系。由于斜入射反射波的声压和透射波的声压关系比较复杂，无法用简单的公式进行计算，但是已有研究表明反射系数和透射系数与介质的声阻抗、波速和入射角等参数存在关系[17-18]，可以利用实验的方法对斜入射法检测黏接界面进行研究。

2.2 超声C-扫描系统

超声C-扫描是一种可以沿垂直于声速横断面方向进行扫描，显示被测试样横断面情况的二维成像技术。在进行检测时，超声波由超声探头发出，经由耦合液进入待测试件中，当试件中存在缺陷时，部分声能被反射，并被超声探头接收，反射的时域波形图通过电子闸门选取特征值，再经过计算机的处理，就可以呈现出直观的二维图像[19]。

所采用的斜入射C-扫描系统原理如图3所示[2]，水浸聚焦超声探头由可变角度工装夹持，改变超声波的入射角度实现超声波斜入射，超声波由入射探头发出，以一定角度斜入射到黏接结构的黏接界面上，经过界面反射，反射声波被接收探头接收，接收的超声信号上传到数字示波器和数据采集卡中进行实时成像和信号处理，另外，通过三轴运动机构对超声探头的位置进行调节，计算机控制探头的扫描路径对试件进行扫查。

图3 超声斜入射C-扫描系统原理图

3 设计实验与结果分析

3.1 实验准备

为了模拟黏接结构的紧贴型脱黏界面，设计制作紧贴型脱黏实验试件。试件基于单界面模型，采用薄胶层进行黏接。介质选用有机玻璃板，优点在于能够直观观察界面的黏接情况，与实验结果进行比对；黏接剂选用有机玻璃胶，这种黏接剂具有固化时间短，固化完全后胶层薄等特点。

试件基本结构如图4(a)所示，有机玻璃板c尺寸：300 mm(长)×200 mm(宽)×5 mm(高)；有机玻璃板a、b尺寸：100 mm(长)×100 m(宽)×5 mm(高)。有机玻璃板c和有机玻璃板a用4个固定螺栓加以紧固，模拟紧贴型脱黏界面，定义为A区域；将有机玻璃板c和有机玻璃板b用黏接剂进行黏接，模拟良好黏接界面，定义为B区域。试件实物如图4(b)所示，试件除了两处气泡缺陷和边缘缺陷，有机玻璃板b其余的区域都是黏接良好的。

图4 试件示意图

超声探头选用水浸聚焦探头，直径Φ为20 mm，焦距f为100 mm，标称频率为5 MHz。将超声探头放在图5所示的可调角度工装上，通过角度旋钮可对超声波的入射角度进行调节，该工装横向配有位移旋钮，可以对发射探头和接收探头的横向距离进行调节，位移标尺的最小刻度为1 mm，单向最大调节距离为140 mm；角度标尺的最小刻度为1°，调节范围为0°～90°。

图5 可调角度工装

3.2 实验结果及分析

为了研究超声斜入射法对紧贴型黏接界面检测的特点，分别采用角度为10°～40°的斜入射法和垂直入射法对试件进行检测，图6为检测示意图，图6(a)为垂直入射法检测示意图，采用单探头自发自收模式进行检测，图6(b)为斜入射法检测示意图，采用双探头一发一收模式进行检测。

S、I和B分别为表面回波、界面回波和底面回波

3.2.1 紧贴型脱黏区域与黏接良好区域回波幅值分析

对黏接试件进行A-扫实验，将垂直入射所得波形图与20°斜入射所得波形图(图7)进行对比。S、I和B分别为表面回波、界面回波和底面回波，3个界面的回波幅值如表1所示，具体回波波形如图7所示。

图7 A-扫波形图

表1 不同界面回波幅值

从表1和图7可以看出，采用垂直入射法时，在时域上A区域和B区域各界面回波信号差别不大且界面回波幅值较小，垂直入射法对紧贴型界面的检测灵敏度差；采用20°斜入射法时，I、B界面回波幅值差别大，对紧贴型界面的检测灵敏度差灵敏度较高。

3.2.2 紧贴型脱黏区域与黏接良好区域C-扫描图像分析

对时域波形信号施加合适的电子闸门，得到C-扫图像如图8所示，可以看出，随着入射角度的变化，斜入射法对两个区域的检测效果区分度更明显，但在35°之后变差。为了表征不同入射角度C-扫图像在不同区域界面的差异，采用式(4)定义的相对信号强度比w作为评价指标，w值越大，检测效果越好，其计算公式为

x、y坐标分别为C扫描检测系统x、y轴方向的采样点数

(4)

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

选取A或B区域界面C扫描图像中间窗口内m个采样点，记这m个采样点幅值依次为A1,A2,…,Ai,…,Am，因此窗口内采样点A可表示为

(5)

以垂直入射法A区域图像为例，图9为选取的窗口，x选取范围为76～80，y选取范围为141～145，m为25，因此Aa为0.515。同样，可以计算出不同角度下Aa和Ab的值，具体数值如表2所示。

表2 不同角度Aa、Ab和w的值

图9 窗口选取示意图

由图10所示，在0°～20°范围内，随着角度的变大，w值不断变大，检测效果越来越好；在20°～25°范围内，w值逐渐减小，检测效果也越来越差；在25°～35°范围，曲线存在两个极值点，其中极大值点对应的横坐标为34.1°，与浸水有机玻璃板的第一临界角相吻合；在35°～40°范围内，有机玻璃板中只存在横波，此时，随着检测角度的增加，w值先减小后增大。因此以第一临界角(水与第一层有机玻璃之间)附近进行检测时，对紧贴型缺陷的检测效果最好。

图10 w随角度变化的关系

3.2.3 不同入射角度对气泡缺陷检测灵敏度分析

为了表征不同斜入射角度对界面存在的气泡缺陷的检测性能，将图4中的气泡用圆表示，如图11(a)所示，5个圆的直径从小到大依次为0.91、1.30、1.35、2.60、3.55 mm，可以计算出气泡缺陷实际总面积为74.05 mm2。

图11 气泡缺陷

对不同角度斜入射C-扫图像的气泡缺陷面积进行定量研究，已有文献[18]可用阈值法对C-扫图像缺陷面积进行计算。由于每次扫描过程都是相同的且扫描参数已知，因此图像上的单个像素点的面积可计算且相同。图11(b)为采用垂直入射法气泡缺陷区域C-扫图像，图像中每一个像素点的实际面积是0.66 mm2，假设B区域界面幅值Aq