復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的超聲衰減法研究

江 念，王召巴，金 永，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051)

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復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的超聲衰減法研究

江 念，王召巴，金 永，陳友興

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051)

為滿足評價復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的需求，研究了界面聲壓反射率與有機玻璃-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量間的關(guān)系。采用超聲反射法測量了由不同粘接性能膠粘劑制備的粘接試件回波的幅度積分曲線，利用高斯擬合對幅度積分曲線進行特征提取，根據(jù)擬合得到的衰減系數(shù)表征粘接界面上超聲波的反射情況進而表征界面粘接性能。試驗結(jié)果表明，衰減系數(shù)可準確評價復(fù)合結(jié)構(gòu)界面的粘接質(zhì)量。

儀器儀表技術(shù)；復(fù)合結(jié)構(gòu)；粘接質(zhì)量；高斯擬合；衰減系數(shù)

0 引言

復(fù)合結(jié)構(gòu)材料以其優(yōu)越的性能得到越來越廣泛的應(yīng)用，如航空飛行器的機身、機翼等都大量采用膠結(jié)的金屬板復(fù)合結(jié)構(gòu)[1]，固體火箭發(fā)動機也采用推進劑/襯層或包覆層、絕熱層/殼體構(gòu)成的多層復(fù)合膠結(jié)結(jié)構(gòu)[2]。但是在其制造和使用過程中由于粘結(jié)不良、氣孔等界面缺陷的存在而造成的災(zāi)難性事故時有發(fā)生。因此，粘接質(zhì)量的檢測已經(jīng)成為無損檢測的重要研究領(lǐng)域，而超聲檢測以其穿透力強、靈敏度高和技術(shù)成熟等優(yōu)點在無損檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在粘接質(zhì)量的超聲檢測中，利用超聲波衰減來評價粘接結(jié)構(gòu)、粘接質(zhì)量是一個重要方法[3]。近年來，超聲衰減法在發(fā)動機噴管粘接質(zhì)量檢測、膠粘劑化學(xué)反應(yīng)微結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測等領(lǐng)域中逐步得到應(yīng)用。趙慧蓉根據(jù)超聲縱波多次反射衰減后的波幅及波次準確分辨出脫粘區(qū)和好粘區(qū)[4]；目前超聲衰減法在預(yù)測懸濁液中顆粒濃度及分布、評估微裂紋及損傷等[5]方面取得了較大進步。

本研究借助RITEC公司RAM-SNAP系統(tǒng)對信號的“移動積分”功能[6]，獲得反射回波的幅度積分曲線，引入高斯擬合算法實現(xiàn)對原始信號的特征提取。試驗表明，利用該方法對復(fù)合結(jié)構(gòu)界面粘接質(zhì)量的預(yù)測結(jié)果與文獻[7]指出的粘接強度變化規(guī)律一致。

1 檢測原理

超聲縱波垂直入射到光滑界面上時，聲波的反射和透射情況與界面兩側(cè)材質(zhì)的聲阻抗有關(guān)。膠粘劑不同的固化情況會引起膠層密度和聲速發(fā)生變化，進而改變膠層的聲阻抗，影響聲壓分布，因此界面上聲壓反射率和透射率與膠粘劑微觀組織結(jié)構(gòu)存在著對應(yīng)關(guān)系。

本文研究鋼/膠粘劑/有機玻璃復(fù)合粘接結(jié)構(gòu)的粘接質(zhì)量，按照環(huán)氧樹脂∶固化劑質(zhì)量比1∶1、3∶1、5∶1的3種配比制作編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的3組粘接試件，面積為750 mm ×250 mm，第一層為2 mm厚的有機玻璃，中間為0.5 mm厚的粘接劑，第三層為6 mm厚的鋼。由于膠粘劑很薄，且其聲阻抗與有機玻璃接近，為簡化問題可以認為試件內(nèi)部僅存在金屬/非金屬粘接界面。由于兩介質(zhì)的聲阻抗不同，所以當超聲縱波垂直入射時，會在界面產(chǎn)生波的反射(R)和透射(T)，超聲傳播路徑如圖1所示。

圖1 粘接試件中超聲傳播路徑

(1)

(2)

所以一次反射回波的聲壓為

(3)

二次反射回波的聲壓為

(4)

第n次反射回波的聲壓

(5)

式中：p0為入射波聲壓；pn為第n次反射回波的聲壓；R1為耦合界面的聲壓反射率；R2為粘接界面的聲壓反射率；α1和α2分別為膠粘劑與鋼板的衰減系數(shù)；d和l分別為膠粘劑和與板的厚度。

由式(5)可得：

(6)

Kuiming Liang等[7]的實驗結(jié)論指出：膠粘劑的拉伸強度、剪切強度、彈性模量和聲速、聲阻抗隨環(huán)氧樹脂質(zhì)量百分比的增加緩慢降低，聲衰減隨環(huán)氧樹脂質(zhì)量百分比的增大而明顯增大，所以在本文的粘接結(jié)構(gòu)模型中膠粘劑的聲衰減成為影響回波幅度的主要因素。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組試件中的環(huán)氧樹脂質(zhì)量百分比逐漸增大，由以上分析及式(6)可知，在宏觀上3組試件反射回波幅值衰減程度逐漸增加。因此，可以通過測量試件的超聲回波衰減情況研究膠粘劑微觀組織結(jié)構(gòu)，進而評價粘接質(zhì)量。

2 超聲反射回波幅度測量

圖2為超聲反射回波測量系統(tǒng)示意圖。其中包括RAM-SNAP系統(tǒng)、高能匹配電阻、衰減器、信號取樣器、鈮酸鋰晶片換能器、粘接試件、示波器及計算機。

RAM-SNAP系統(tǒng)輸出5 MHz頻率的高能量正弦脈沖信號，經(jīng)過匹配電阻、衰減器等模塊后加載到標稱頻率為5 MHz的窄帶縱波鈮酸鋰晶片上。脈沖信號經(jīng)耦合劑垂直入射到待檢試件，在試件粘接界面和鋼板底面反射后疊加在一起形成多次回波信號，經(jīng)CH1通道進入RAM-SNAP系統(tǒng)。

圖2 超聲反射回波測量系統(tǒng)示意圖

在測量中，積分門初始位置及門寬由實驗員設(shè)定。隨著積分門在時間軸上右移，系統(tǒng)依次對一次、二次、三次等各次反射回波進行幅度積分。當回波信號完全處于積分門之間時，在幅度積分曲線上出現(xiàn)一個極大值，這種處理方法可使各極大值間的時差與對于反射回波間的時差完全一致。時域回波及幅度積分過程如圖3所示。實驗中初始積分門起始和結(jié)束時刻分別為0和2 μs，積分門寬度Δt=t2-t1=2 μs。圖4所示實線為衰減了17 dB的反射回波信號，點劃線是回波信號的幅度積分曲線。

圖3 反射回波信號處理過程

圖4 時域反射回波及幅度積分曲線

3 試驗結(jié)果及分析

很多分析儀器采集和處理得到的二維離散信息都具有明確的物理意義，這類數(shù)據(jù)一般可以用高斯曲線予以描述[8]。利用高斯函數(shù)對數(shù)據(jù)擬合得到幅度積分曲線中的峰高 、峰位和衰減系數(shù)等具有明確物理意義的參數(shù)，故用高斯函數(shù)對幅度積分曲線進行擬合再根據(jù)曲線衰減c來研究試件粘接質(zhì)量的方法是可行的。高斯函數(shù)的形式為

f(x)=a·exp[(x-b)/c]2

圖5 各試件幅度積分曲線

圖6 高斯擬合

根據(jù)上述試驗方法分別測量了3組復(fù)合結(jié)構(gòu)粘接試件。圖5和圖6分別為試件回波信號的幅度積分曲線及高斯擬合曲線。從圖5可以看出不同測量對象的各次回波積分幅度包絡(luò)不是單調(diào)變化的，僅從振幅大小判斷試件的粘接情況容易造成誤判，而從擬合曲線上可以明確分辨出各次回波的振幅大小。

在3組試件上4個對應(yīng)的位置進行測量，各測量點的高斯函數(shù)擬合曲線衰減系數(shù)如表1所示。

表1 各測量點的高斯函數(shù)擬合參數(shù)

1/c表征各次回波聲壓的衰減程度。從圖6和表1可以看出：鋼基體中回波聲壓衰減最平緩，這是由于相比其他3個試件，其衰減僅來源于傳播距離增加帶來的損失聲，不存在粘接界面上聲波多次反射和透射造成的損失。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個試件中環(huán)氧樹脂所占組分配比逐漸增加，反應(yīng)形成的高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越來越稀疏，對超聲波的反射越來越小，衰減系數(shù)則逐漸增大，在4個對應(yīng)的位置所測結(jié)果均滿足1/cⅠ<1/cⅡ<1/cⅢ的關(guān)系，與上述理論分析、文獻[8]的試驗結(jié)論及試件實際粘接情況吻合，測量結(jié)果重復(fù)性好。因此可以從參數(shù)的變化規(guī)律研究復(fù)合結(jié)構(gòu)界面的粘接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

復(fù)合結(jié)構(gòu)粘接界面聲壓反射率隨膠粘劑強度的減弱而單調(diào)上升，宏觀表現(xiàn)為回波衰減增加，引入高斯函數(shù)擬合實現(xiàn)對回波的特征提取和簡化，取得了很好的建模預(yù)測結(jié)果。文中給出的界面聲壓反射率與膠粘劑強度性能之間的關(guān)系只是針對特定類型的復(fù)合結(jié)構(gòu)粘接材料得來的,實際應(yīng)用中還應(yīng)根據(jù)粘接材料的聲阻抗及特點進行針對性的研究。

[1] 姚衛(wèi)星,宗俊達,廉偉，等.監(jiān)測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剩余疲勞壽命的剩余剛度方法.南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2012,44(5):677-682.

[2] 楊正偉,張煒,武翠翠,等.導(dǎo)彈發(fā)動機殼體粘接質(zhì)量紅外熱波檢測.儀器儀表學(xué)報，2010，31(12)：2781-2787.

[3] TATTERSALL H G.The ultrasonic pulse-echo technique as applied to adhesion testing.Journal of Physics D:Applied Physics,1973,6(7):822.

[4] 趙慧蓉.固體火箭發(fā)動機噴管粘接界面的超聲檢測.固體火箭技術(shù),2000,23(2)：74-78.

[5] MOLEROA M,SEGURA I,APARICIO S,et al.On the measurement of frequency-dependent ultrasonic attenuation in strongly heterogeneous materials.Ultrasonics,2010,50(8):824-828.

[6] Ritec Advanced Measurement System.RAM-5000- SNAP Operation Manual.RITEC,USA.

[7] 郝勝強,譚業(yè)發(fā),譚華,等．室溫快速固化高性能環(huán)氧樹脂膠粘劑研究.機械制造與自動化,2012,41(3):30-33.

[8] 李敏,盛毅.高斯擬合算法在光譜建模中的應(yīng)用研究.光譜學(xué)與光譜分析,2008,28(10):2352-2355.

Research of Bonding Quality for Composite Structure Using Ultrasonic Attenuation

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,JIN Yong,CHEN You-xing

(School of Information And Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to meet the needs of evaluating the bonding quality of composite structure,the relationship between pressure reflectivity and bonding quality of interface of synthetic glass-steel composite was researched.Integral curves of echo amplitude of specimens which were made up of adhesive with different properties were measured by ultrasonic reflection technique.Gaussian fitting were used for feature extraction of Integral curves,and Gaussian parameters-damping coefficient could describe the ultrasonic reflection at bonding interface and characterize its adhesive properties.The experimental results show that damping coefficient can accurately assess the bonding quality of composite structure.

apparatus and instruments technology;composite structure;bonding quality;Gaussian fitting;damping coefficient

國家自然科學(xué)基金資助項目(61201412)；山西省青年科技研究基金資助項目(2012021011-5)

2014-05-27 收修改稿日期：2014-10-26

V257；TB553

A

1002-1841(2015)02-0088-03

江念(1988—)，博士研究生，主要研究無損檢測及信號與信息處理。E-mail:jaing_nian@yeah.net 王召巴(1967—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事自動化裝置研究。