鎂合金粘接層失效的非線性超聲檢測研究*

蘇 珊

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

1001-2265(2017)10-0110-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.026

2016-12-22；

2017-02-20

河南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(152300410201)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃(13B430946)

蘇珊(1977—)，女，河南太康人，河南理工大學(xué)副教授，碩士，研究方向?yàn)闄z測技術(shù)及應(yīng)用，(E-mail)yanbingsheng@163.com。

鎂合金粘接層失效的非線性超聲檢測研究*

蘇 珊

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

粘接層脫粘問題直接影響材料或結(jié)構(gòu)的整體性能，需要采用合適的方法盡早檢測。針對(duì)此問題，提出利用非線性超聲無損檢測方法對(duì)其進(jìn)行檢測，建立了粘結(jié)層失效的非線性超聲測試系統(tǒng)，對(duì)脫粘不同程度的鎂合金粘結(jié)層試件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，有效測量了表征粘接層失效程度的超聲非線性系數(shù)β，結(jié)果表明超聲非線性系數(shù)對(duì)鎂合金粘結(jié)層失效非常敏感，且隨脫粘程度呈二次函數(shù)關(guān)系增加；同時(shí)，建立了有限元仿真模型，對(duì)脫粘不同程度的鎂合金粘結(jié)層試件進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢(shì)上近似一致，進(jìn)一步證明非線性超聲檢測技術(shù)可以用于粘接層界面失效的無損評(píng)價(jià)。

非線性超聲；粘接層失效；超聲非線性系數(shù)

0 引言

粘接結(jié)構(gòu)在航空、造船和汽車工業(yè)中廣泛存在，但在熱、撞擊和交變載荷等外力作用下極易發(fā)生脫粘或疲勞開裂，從而造成嚴(yán)重的事故[1]，因此發(fā)展一種能夠檢測粘接層失效的無損檢測方法對(duì)預(yù)測設(shè)備的故障從而避免重大損失具有重要意義。

常規(guī)超聲回波法可以對(duì)粘接層中的孔洞、裂縫以及脫膠等較大缺陷進(jìn)行檢測[2-3]，但是對(duì)粘接層失效面積較小時(shí)的性能退化以及微小裂紋的檢測效果不佳。近期的研究結(jié)果表明超聲波在粘接界面中傳播時(shí)會(huì)使粘接層中的微小缺陷發(fā)生拍打效應(yīng)，超聲波波形也會(huì)隨之畸變，從而產(chǎn)生高次諧波，粘接層失效程度與高次諧波幅值之間具有定量的關(guān)系[4]。目前已有Idjimarene等人的研究表明非線性超聲可以用來檢測固體材料中的微小缺陷[5-7]。但是將非線性超聲用于鎂合金粘接結(jié)構(gòu)早期失效檢測的研究較少，而鎂合金具有密度小、強(qiáng)度和剛性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各種制造業(yè)的粘接結(jié)構(gòu)中[8]，對(duì)其進(jìn)行早期失效檢測研究對(duì)于保障設(shè)備安全運(yùn)行有重大意義。

本文以AZ31鎂合金作為對(duì)象，通過有限元仿真和試驗(yàn)的方法對(duì) AZ31 鎂合金粘接層失效進(jìn)行了非線性超聲無損檢測研究。

1 超聲非線性系數(shù)

固體介質(zhì)的非線性主要有經(jīng)典非線性和接觸非線性,粘接層失效屬于接觸非線性[8]。根據(jù)Breazeal等[9]建立的一維縱波非線性波動(dòng)方程,可以得到表征材料損傷程度的非線性系數(shù)為：

(1)

方程中，A1和A2分別為基波和二次諧波幅值，k為波數(shù)，主要與聲波頻率有關(guān)。x為波傳播距離[10]。β可以作為描述粘接界面局部缺陷的量化指標(biāo)。

2 有限元仿真

2.1 模型

粘接層厚度相對(duì)于其他特征尺寸而言較小，一般在幾十μm到幾百μm之間，粘接層脫粘屬于微缺陷。根據(jù)非線性超聲檢測原理，建立相應(yīng)FEM模型如圖1所示。

圖1 FEM模型

為了減小計(jì)算量，采用有限元二維平面單元和軸對(duì)稱模型，鎂合金粘接結(jié)構(gòu)試件簡化為長26mm，厚10mm的二維平面，粘接層厚0.32mm，脫粘造成的面缺陷轉(zhuǎn)化為橢圓形線缺陷。在二維平面里，縱波沿試件表面垂直于粘接層傳播至另一面。在試件的粘結(jié)層中間位置，預(yù)設(shè)1個(gè)長0～5mm，寬0.3mm的橢圓形微缺陷。超聲波將與微缺陷發(fā)生非線性相互作用，從而產(chǎn)生二次諧波。

試驗(yàn)材料為AZ31鎂合金，彈性模量E=46GPa，泊松比ν=0.272，密度為1770kg/m3，屈服極限199MPa，強(qiáng)度極限259MPa，縱波波速為5710m/s；粘合劑為AF-163-2K材料，密度為1.124 kg/m3，彈性模量E=1.1GPa，泊松比為0.34。發(fā)射信號(hào)頻率為5MHz，幅值為60μm。為了避免波形重疊，發(fā)射信號(hào)取10個(gè)周期。

2.2 計(jì)算結(jié)果

圖2分別為設(shè)有3mm缺陷時(shí)接收到的頻域信號(hào)。從圖中可以看出，5MHz處為基波，10MHz處為二次諧波。

圖2 有缺陷時(shí)接收到的頻域信號(hào)

圖3為脫粘長度的變化與超聲非線性系數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)脫粘長度從2.2mm增長到5mm的過程中，超聲非線性系數(shù)與脫粘長度呈二次函數(shù)關(guān)系增加。有限元仿真結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)對(duì)粘接層脫粘產(chǎn)生的微缺陷長度變化非常敏感，有限元方法可以有效的模擬粘接層失效的非線性超聲波檢測，模擬結(jié)果可以為試驗(yàn)研究提供參考。

圖3 超聲非線性系數(shù)與脫粘長度的關(guān)系曲線

3 試驗(yàn)系統(tǒng)與測量方法

3.1 鎂合金粘接界面試件

兩側(cè)被粘接物材料為AZ31鎂合金，其厚度為10mm，直徑為26mm；粘合劑為AF-163-2K材料，厚度為0.32mm。

如圖4所示，試件表面被均分12份，分別涂抹不同份數(shù)的粘接劑，試件被分為完全不脫沾、脫粘1/12、2/12到完全脫粘共13種情況。

圖4 粘接層試件示意圖

3.2 測試系統(tǒng)

圖5所示為粘接層失效超聲非線性系數(shù)測量試驗(yàn)系統(tǒng)框圖，采用美國RETIC公司的非線性超聲檢測系統(tǒng)。主機(jī)箱中的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生5MHz的10個(gè)周期單一頻率超聲脈沖串，經(jīng)由功率放大器放大、高能低通濾波器濾除高頻干擾后，由發(fā)射探頭耦合入鎂合金脫粘試件，接收探頭接收傳過來的聲波經(jīng)由高通濾波器和放大器送入示波器顯示并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，獲取基波和二次諧波幅值。

圖5 粘接層檢測試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖6為發(fā)射和接收窄帶PZT探頭，中心頻率分別為發(fā)射5MHz，接收10MHz。耦合劑為更加穩(wěn)定的鋰基黃油。

圖6 實(shí)驗(yàn)所用PZT探頭

如圖7所示，一個(gè)特殊的夾具來保證試驗(yàn)的可重復(fù)性。圖中的微型壓力計(jì)可以測量探頭與試件之間的壓力，可以保證每次的實(shí)驗(yàn)條件盡量一致。

圖7 試驗(yàn)夾具圖

3.3 試驗(yàn)信號(hào)

圖8所示為接收信號(hào)時(shí)域波形，可以看出，波形脫粘的粘接層后出現(xiàn)了明顯的扭曲變形。利用積分門框選一次透射波并進(jìn)行傅里葉變換，得到圖9所示的頻域波形。

圖8 接收信號(hào)時(shí)域波形

圖9 接收信號(hào)頻域波形

從圖中可以看出，除了頻率為5MHz處的基波外，10MHz處有明顯的二次諧波。測量基波幅值A(chǔ)1和二次諧波的幅值A(chǔ)2，代入方程(1)就可獲得超聲非線性系數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 測試方法與試驗(yàn)結(jié)果

將試件安裝在圖7所示的夾具中，首先測量未脫粘時(shí)的基波和二次諧波幅值，然后依次測量脫粘面積為1/12、2/12，直到完全脫粘試件的基波和二次諧波幅值。圖10所示為不同脫粘程度的基波和二次諧波幅值。

(a) 無脫粘 (b) 脫粘11/12 (c) 脫粘10/12

(d) 脫粘9/12 (e) 脫粘8/12 (f) 脫粘7/12

(g) 脫粘6/12 (h) 脫粘5/12 (i) 脫粘4/12

(j) 脫粘3/12 (k) 脫粘2/12 (l) 脫粘1/12

(m) 全脫粘圖10 不同脫粘程度的基波和二次諧波幅值

通過公式(1)分別計(jì)算不同脫粘程度的相對(duì)超聲非線性系數(shù)。圖11為相對(duì)超聲非線性系數(shù)隨脫粘程度的變化曲線。

圖11 相對(duì)超聲非線性系數(shù)隨脫粘程度的變化曲線

4.2 測試結(jié)果分析

從圖11可以看出，隨著脫粘程度的增加，相對(duì)超聲非線性系數(shù)近似按二次函數(shù)規(guī)律增加，特別是在脫粘面積占總面積的一半之前的早期性能退化階段，曲線更平滑。試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)可以很好的表征粘接層失效程度，非線性檢測方法可以用于鎂合金材料的脫粘程度檢測。

通過試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的比較，可以看出，兩者超聲非線性系數(shù)與脫粘程度關(guān)系的變化趨勢(shì)近似一致，均為二次函數(shù)關(guān)系。相比于有限元仿真結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值較為分散，這主要是由于實(shí)際測量中試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，雖然通過優(yōu)化夾具來保證試驗(yàn)條件的一致性，但也不能做到像仿真環(huán)境一樣理想。另外，試驗(yàn)系統(tǒng)中采取了濾波、加窗、放大和諧波抽取等信號(hào)處理環(huán)節(jié)，所以試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果在幅值上不具有可比性。

從圖11中可以看出，試件沒有脫粘時(shí)超聲非線性并不為零，這有兩方面的原因，一方面任何金屬材料本身存在由于晶格非諧和引起的固有非線性；另一方面試驗(yàn)系統(tǒng)也存在一定的非線性干擾。

5 結(jié)論

針對(duì)鎂合金粘接層失效問題，建立了鎂合金粘接界面脫粘的非線性超聲測試系統(tǒng)，對(duì)粘接界面脫粘試件進(jìn)行了非線性超聲無損檢測試驗(yàn)研究。同時(shí)建立了粘接界面脫粘的非線性超聲檢測有限元模型。獲得了如下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著脫粘程度的增加，相對(duì)超聲非線性系數(shù)近似按二次函數(shù)規(guī)律增加，非線性超聲信號(hào)對(duì)脫粘非常敏感。另外超聲非線性粘接界面有脫粘情況時(shí)比無脫粘時(shí)的超聲非線性系數(shù)大的多也說明試驗(yàn)系統(tǒng)是可靠的。

(2)仿真結(jié)果表明，超聲非線性系數(shù)隨粘接界面失效程度增加而增加。有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在變化趨勢(shì)上近似一致，進(jìn)一步證明了非線性超聲檢測技術(shù)可以用于粘接層界面失效的無損評(píng)價(jià)。

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StudyofaNon-linearUltrasonicforDetectingtheDebondingoftheAdhesiveLayersofMagnesiumAlloys

SU Shan

(School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000,China)

A non-linear ultrasonic system for testing the debonding of the adhesive layers which is expected to influence the overall performance of materials or structures was established. On which this non-linear ultrasonic non-destructive testing method was used to test specimens thereof on magnesium alloys with different degrees of debonding. By doing so, the ultrasonic non-linearity parameterβwas measured effectively. The experimental results demonstrated that the ultrasonic non-linearity parameter was sensitive to the debonding of the adhesive layers of the magnesium alloys, and exhibited a quadratic relationship with the degree of debonding as the latter increases. Besides, a finite element simulation model was established to perform numerical simulation of the specimens of the adhesive layers of magnesium alloys which had debonded to different degrees. The simulation and experimental results had a same change tendency, which further demonstrated that the proposed non-linear ultrasonic testing technology is applicable to the non-destructive evaluation of the debonding of the adhesive layers.

non-linear ultrasonics, debonding adhesive layer;ultrasonic non-linearity parameter

TH142;TG506

A

(編輯李秀敏)