等厚鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)的超聲脈沖反射信號(hào)

張寶雙，鄔冠華，涂 俊2，吳 偉

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063； 2.上海航天精密機(jī)械研究所, 上海 201600)

黏接結(jié)構(gòu)相比于焊接與機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，具有穩(wěn)定性高、成本低、應(yīng)力分布均勻等優(yōu)勢(shì)，還有減震、密封、隔音等特殊作用，廣泛應(yīng)用于航空航天與國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)中[1]。黏接結(jié)構(gòu)在成型的過程中容易出現(xiàn)空氣夾層脫粘等缺陷；在使用過程中由于疲勞、熱振、沖擊等原因，容易出現(xiàn)黏接層開裂受損等缺陷[2]。在載荷下，黏接不良缺陷多成為裂紋源并在黏接層間擴(kuò)展，使得黏接結(jié)構(gòu)在較低的載荷下失效，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。故，利用可靠的無損檢測(cè)技術(shù)來保證黏接結(jié)構(gòu)的使用安全性，具有重要的意義[3]。對(duì)黏接結(jié)構(gòu)黏接不良缺陷的檢測(cè)，超聲脈沖反射法相比于紅外熱成像與射線檢測(cè)等其他方法，有穿透深度大、缺陷定位準(zhǔn)確、靈敏度高，操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定量及定位，有較高的靈敏度[4]。

超聲方法對(duì)于黏接結(jié)構(gòu)缺陷的適用性較好，超聲脈沖在通過上述的缺陷后，會(huì)有明顯的能量反射，相應(yīng)位置的底面回波能量會(huì)降低，而根據(jù)黏接面回波與底面回波的高度關(guān)系，甚至可以分辨自由界面缺陷與滑移界面缺陷[5]。然而在等厚的鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)中，由于黏接面回波與底面回波聲程幾乎相同，多個(gè)界面的回波會(huì)相互疊加，從而難以識(shí)別界面回波情況。筆者旨在研究底面回波以及黏接層回波疊加后的回波信息與黏接層缺陷的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

1.1 鋁/黏接層/鋁均勻介質(zhì)中的異質(zhì)薄層

由于探頭楔塊與鋁板耦合界面對(duì)所有回波能量的衰減、反射與相位偏移具有同一性，且超聲波在鋁/楔塊耦合界面的透射率較高，故假設(shè)楔塊與鋁板的耦合良好且耦合層中的超聲波全透射。

由于黏接層厚度在0.10～0.25 mm間，而聲波在黏接層中的波長(zhǎng)為0.77 mm，黏接層厚度小于聲波波長(zhǎng)，黏接結(jié)構(gòu)屬于均勻介質(zhì)異質(zhì)薄層，如圖1所示。由此計(jì)算得到鋁/黏接層/鋁的超聲反射率與透射率，其中d為異質(zhì)薄層的厚度。

圖1 均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)示意

使用均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層模型模擬黏接層對(duì)超聲波的反射和透射，將黏接層中超聲波長(zhǎng)λ及鋁板與黏接層聲阻抗之比代入模型，可得到聲波反射率r及透射率t與黏接層厚度d的關(guān)系式如下

(1)

(2)

圖2 黏接層界面聲壓透射率及反射率隨 黏接層厚度變化曲線

將以上關(guān)系式繪成曲線，如圖2所示，從圖中可以看出當(dāng)黏接層厚度為其半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，聲波幾乎全透射；當(dāng)黏接層厚度等于其四分之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，透射率最低，反射率最高。由此可見，等厚鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)黏接良好部位的超聲檢測(cè)信號(hào)幅值與黏接層的厚度有直接關(guān)系，可能影響缺陷判別。

1.2 等厚金屬黏接結(jié)構(gòu)中超聲的傳播路徑

在鋁/鋁膠接板中，超聲波經(jīng)過一系列反射與折射，在回波信號(hào)中體現(xiàn)為多種不同路徑的回波的疊加，不同路徑聲波的幅值和相位會(huì)發(fā)生可量化的差異性變化。圖3為在黏接良好部位或是較小缺陷部位的聲波路徑示意圖，該位置的第5次回波主要由以下3種成分的回波信號(hào)疊加而成：① 在上鋁板中經(jīng)過5次薄層界面反射的5次回波；② 經(jīng)過2次異質(zhì)薄層界面透射及3次異質(zhì)薄層界面反射的一次遲到波；③ 經(jīng)過4次薄層界面透射及一次薄層界面反射的2次遲到波。

圖3 超聲檢測(cè)鋁/鋁黏接板黏接良好部位的聲波路徑 示意(薄層界面透射每增加一次，色階向右變化一格)

圖4 超聲檢測(cè)鋁/鋁黏接板黏接不良部位的聲波路徑 示意(每來回通過膠層一次，色階向右變化一格)

黏接不良部位的聲波路徑如圖4所示，與黏接良好部位不同的是，黏接不良部位多存在聲波難以通過的空氣夾層。由于空氣的聲阻抗與鋁或者黏接材料的聲阻抗的差異巨大，從缺陷正上方入射的聲束幾乎無法通過。雖然由于多次回波疊加，不能分辨缺陷位置的回波與黏接良好位置的波形，但是各聲波組分的路徑已經(jīng)發(fā)生變化，如圖3所示，其5次回波由以下5種成分組成：① 在上鋁板中經(jīng)過5次薄層界面反射的5次回波；② 通過2次黏接不良位置及4次上鋁板下界面反射的一次遲到波；③ 通過4次黏接不良位置及3次上鋁板下界面反射的2次遲到波；④ 通過6次黏接不良位置及2次上鋁板下界面反射的3次遲到波；⑤ 通過8次黏接不良位置及2次上鋁板下界面反射的4次遲到波。雖然黏接層厚度較薄，但由于黏接層中的聲速顯著小于鋁材中的聲速，2次遲到波之間以及遲到波和底波之間有一定的時(shí)間差，該差值與黏接層厚度相關(guān)，在圖3與圖4中，為了直觀地顯示5次回波的不同組分，采用了不同的顏色區(qū)分不同路徑的聲波，色階每向右移動(dòng)一格，代表聲波透射通過黏接層一次，顯示在示意圖上即為箭頭位置的向右平移，垂直向上的箭頭表示通過耦合界面被探頭接收的聲波。

1.3 模擬計(jì)算

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，使用3種頻率成分諧振波疊加模擬對(duì)比試驗(yàn)所用的帶環(huán)氧樹脂楔塊的寬帶窄脈沖探頭所激發(fā)的超聲信號(hào)，脈沖波寬度為220 ns，中心頻率為7 MHz，與實(shí)際探頭的脈沖寬度及中心頻率接近。激發(fā)的超聲信號(hào)振幅y可如式(3)表示。

y=cos[2π4(106)x+π]+2cos[2π7(106)x+π]+

cos[2π10.28(106)x+π]

(-0.000 000 11 s≤x<0.000 000 11 s)

(3)

式中:x為聲波傳播的時(shí)間。

利用鋁/黏接層/鋁均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層模型及簡(jiǎn)化的模擬脈沖波形，對(duì)等厚鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)的回波進(jìn)行計(jì)算。與結(jié)構(gòu)材料相關(guān)的參數(shù)如表1所示，表中的聲阻抗及衰減系數(shù)為實(shí)際測(cè)量所得，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將衰減系數(shù)應(yīng)用于完整聲程中而不考慮衰減系數(shù)的非線性變化。將表1中的參數(shù)代入均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層模型,可以求得聲波在該界面的反射率與透射率。

表1 與材料相關(guān)的計(jì)算參數(shù)

結(jié)合圖3與圖4所示的聲波路徑以及界面特性，可以看出黏接良好部位與黏接不良部位的5次回波成分有較大的差異，未能透過黏接層而僅在上層鋁板以及殘留粘膠中傳播的聲波產(chǎn)生了5次遲到波，而黏接良好部位的相同聲程上的聲波僅有2次遲到波，假設(shè)兩種情況下的第5次回波攜帶相同的能量，則由于遲到波數(shù)量較多，黏接不良部位的能量將被分散而導(dǎo)致波形的波幅降低且波形寬度增加。

黏接良好部位的5次回波由3種成分構(gòu)成，而黏接不良部位的5次回波由6種成分構(gòu)成，綜合均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層模型的反射率和透射率公式及表1中的參數(shù)，計(jì)算可得其聲壓衰減量(見表2)。其中黏接不良位置聲壓衰減量中的s為殘留膠層/空氣界面的反射損失，由于殘留的膠層界面沒有確定的規(guī)則形狀，該界面的反射損失取決于界面的形貌。

表2 黏接良好部位與黏接不良部位5次回波疊加成分的聲壓衰減量與遲到時(shí)間

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

結(jié)合上述的模擬激勵(lì)脈沖信號(hào)以及各成分聲壓的衰減與時(shí)間分布狀況，可以計(jì)算得到不同黏接層厚度的黏接良好部位回波以及不同殘留黏膠厚度的黏接不良缺陷回波，綜合考慮了回波聲壓衰減、反相、時(shí)間延遲、疊加等影響因素，繪制成模擬波形，選取典型的d值與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 黏接良好部位與黏接不良部位回波信號(hào)計(jì)算結(jié)果

從圖5(a)～(d)可以看出，模擬波形與實(shí)際檢測(cè)波形在波形與幅值高度上都有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)比黏接良好部位與黏接不良部位回波的模擬結(jié)果可以看出，聲波通過黏接良好的黏接層的第3,4,5次回波顯著大于黏接不良部分的回波，且回波次數(shù)越大，該差異越明顯，故選擇5次回波作為觀察對(duì)象。造成這種差異的原因是相比在相同聲程位置的黏接良好處的回波，黏接不良處的聲波由于無法穿透黏接層而在黏接面內(nèi)多次反射使得遲到波的數(shù)量增多，5次回波組成成分為正常位置波形的2倍，而每種遲到的波形組分總比先到的波形組分有一定時(shí)間的延遲，多種組分的波形疊加后，其幅值顯著減小而波寬顯著加寬。圖5(e),(f)分別為黏接良好及不良部位的5次回波的局部放大圖(選取黏接層厚度分別為0.5，1.0，1.5，2.0 mm)，可以看出，每種厚度對(duì)應(yīng)的良好部位的5次回波幅值均高于不良部位的回波幅值。

圖6 不同黏接層厚度/殘留膠層厚度下的5次回波幅值

由于黏接層厚度多在0.1～0.2 mm范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)取數(shù)值作為黏接層厚度，代入均勻介質(zhì)中異質(zhì)薄層反射率和透射率公式及模擬信號(hào)幅值公式中，計(jì)算得到相應(yīng)的波幅，結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，在殘留黏接層厚度為0時(shí)，黏接不良部位的回波幅值極高，這是由聲波在鋁板下表面的全反射引起的。當(dāng)黏接層厚度相同時(shí)，黏接良好部位的回波幅值都大于黏接不良部位的回波幅值，可以直觀辨別。在上述的計(jì)算中，膠層/空氣界面反射損失的代入值為0，實(shí)際檢測(cè)過程中，黏接不良部位的5次回波幅值將低于模型計(jì)算值。

3 結(jié)語

由于等厚鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)特殊，黏接層界面回波與底面反射波疊加難以識(shí)別黏接層信號(hào)。對(duì)超聲回波的分析與模擬計(jì)算結(jié)果表明，將等厚鋁/鋁黏接面的第5次回波幅值高度作為判據(jù)，可有效識(shí)別等厚鋁/鋁黏接結(jié)構(gòu)中的空氣夾層缺陷。此判據(jù)具有較高的理論可靠性且該種檢測(cè)方法可以使用簡(jiǎn)單的超聲檢測(cè)設(shè)備完成，具有成本低廉、操作簡(jiǎn)單、效率較高的優(yōu)點(diǎn)。