中空玻璃膠接結(jié)構(gòu)界面脫粘缺陷的超聲與X射線檢測研究

王小杰 魏培欣 許一源 梁雯雯

摘要：城市軌道交通列車車窗多采用中空玻璃，四周具有玻璃-聚氨酯-玻璃三層結(jié)構(gòu)，其界面脫粘問題是車輛運行中的重大安全隱患。實驗使用超聲波探傷儀和X射線探傷儀對玻璃-聚氨酯-玻璃三層膠接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明采用超聲分析儀基于波峰位置和峰值衰減情況可以定性分析缺陷的位置：低于48mm的范圍有多次一界面回波，48mm左右與52mm左右有明顯的波峰，不存在脫粘缺陷，為粘接良好膠接結(jié)構(gòu);每間隔8mm出現(xiàn)一次波峰，兩個波峰間存在更小的峰，且峰值呈遞減狀態(tài)，為一界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu);一界面回波總體峰值較低，波峰間隔8mm左右，為二界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu)。X射線可檢測出粘接試樣上存在的界面粘接缺陷和材料內(nèi)部的自然缺陷。在合理選取判斷基準(zhǔn)的前提下，測長法可對界面脫粘缺陷進(jìn)行定量分析。

關(guān)鍵詞：超聲檢測;界面脫粘缺陷;二界面回波;波峰

中圖分類號：TB559 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

軌道交通高速便捷、安全可靠、智能高效、低碳環(huán)保，是最具可持續(xù)性的交通運輸模式，正在中國空前發(fā)展。為保障列車安全運行，在軌道車輛的日常檢修與維護(hù)方面，也存在一些難題亟待解決，其中車體各結(jié)構(gòu)的無損檢測最為緊迫。

具有多層膠接結(jié)構(gòu)的軌道交通列車車窗，在安裝過程中可能會因為缺膠、粘接面不凈等原因產(chǎn)生缺陷;在列車運營過程中還會因為環(huán)境因素及外界載荷的作用出現(xiàn)裂紋、界面破壞和膠層破壞等缺陷^?[1]。膠接結(jié)構(gòu)諸多缺陷中界面脫粘缺陷危險性最大，最易導(dǎo)致安全隱患^[2]，因此開展軌道交通列車車窗膠接結(jié)構(gòu)的界面脫粘缺陷無損檢測研究意義重大。

超聲檢測和X射線檢測是膠接結(jié)構(gòu)缺陷無損檢測最有效的手段^[3]。目前，超聲無損檢測研究主要針對復(fù)合材料、金屬殼體等薄層結(jié)構(gòu)，對于厚度大、由多種材料組合而成的多層結(jié)構(gòu)報道較少。X射線檢測主要針對金屬及焊接結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行探傷，對多層界面脫粘缺陷報道也不多見?；诖?，本文提出針對軌道交通列車車窗典型結(jié)構(gòu)的界面缺陷，應(yīng)用超聲脈沖回波法和X射線法進(jìn)行探測，分析其無損檢測的可行性。

1實驗與儀器

1.1 中空玻璃膠接結(jié)構(gòu)制備

根據(jù)車窗的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計了圖1尺寸為200×30×（4+10+4）的膠接結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為玻璃層，中間層為聚氨酯，黑色部分為橡膠墊塊，灰色區(qū)域為認(rèn)為設(shè)計的脫粘缺陷。為方便分析缺陷，分別設(shè)計了粘接良好、一界面脫粘、二界面脫粘三種不同的膠接狀態(tài)。圖2所示是中空玻璃膠接結(jié)構(gòu)實物圖，表1所示為玻璃和聚氨酯的聲學(xué)力學(xué)特性參數(shù)。

1.2 儀器設(shè)備

1.2.1超聲波探傷儀

試樣使用漢威HS620超聲波探傷儀進(jìn)行檢測，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。

1.2.2X射線探傷儀

試樣使用日聯(lián)科技X射線探傷儀進(jìn)行缺陷檢測，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

2結(jié)果與討論

2.1 界面脫粘缺陷的超聲波分析

為了有效識別和提取不同位置脫粘典型缺陷波形，分別在玻璃/聚氨酯一界面與聚氨酯/玻璃二界面制作了人工分層脫粘缺陷及粘接良好樣件。如圖3所示是超聲波分析粘接良好、一界面脫粘和二界面脫粘三種粘接狀態(tài)得到的三種不同典型波形。

粘接良好;（b）一界面脫粘;（c）二界面脫粘

圖3（a）所示粘接良好的波形特征：在低于48mm的范圍有多次一界面回波;48mm處為二界面回波（閘門位置），52mm處為三界面回波。

圖3（b）所示是一界面脫粘的波形特征：每間隔8mm出現(xiàn)一次波峰（峰值呈遞減狀態(tài)），在兩個波峰之間有一處波高低于兩側(cè)波峰的小波峰。分析其原因，是因為一界面脫粘時，超聲波無法進(jìn)入聚氨酯層，超聲波在玻璃層的上下界面來回反射，從而產(chǎn)生多次一界面回波。由于聲波的干涉效應(yīng)，可能相互干涉出現(xiàn)波峰，也可能相互干涉出現(xiàn)波谷，因此表現(xiàn)圖2（b）所示無損檢測結(jié)果的特征。

圖3（c）所示是二界面脫粘的波形圖，一界面回波總體峰值較低，波峰間隔8mm左右。

綜合比較三種膠接狀態(tài)的典型波形，利用波形特點可以判斷玻璃-聚氨酯-玻璃多層膠接結(jié)構(gòu)的粘接情況并確定界面脫粘缺陷的位置，具體如下：

（1）低于48mm的范圍有多次一界面回波，48mm左右與52mm左右有明顯的波峰，為粘接良好膠接結(jié)構(gòu);

（2）每間隔8mm出現(xiàn)一次波峰，兩個波峰間存在更小的峰，且峰值呈遞減狀態(tài)，為一界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu);

（3）一界面回波總體峰值較低，波峰間隔8mm左右，為二界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu)。

2.2 界面脫粘缺陷的X射線衍射分析

圖4所示是四個試樣的X射線二維檢測結(jié)果，圖中黑色區(qū)域代表低密度區(qū)域，即缺陷區(qū)域。圖5所示是試樣1的X射線三維檢測結(jié)果。

試樣三維檢測圖上可以清晰地觀察到聚氨酯中的固化收縮導(dǎo)致的孔隙、裂紋等缺陷，且能區(qū)分缺陷所在的準(zhǔn)確位置和形狀。表明X射線可檢測出粘接試樣上存在的界面粘接缺陷和材料內(nèi)部的自然缺陷。

2.3 界面脫粘缺陷的超聲測長法定量分析

評價安全隱患對缺陷量化十分必要，為定量分析界面脫粘缺陷，本文采用測長法對玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的界面脫粘缺陷進(jìn)行定量分析，圖6所示是測長法定量分析示意圖。回波峰值達(dá)到80%定義為粘接良好，峰值為40%時即定義為脫粘缺陷。實驗過程中采用半峰值法進(jìn)行定量，以二界面回波峰值為“基準(zhǔn)”，沿脫粘缺陷長度方向移動探頭，以超聲波降低的分貝值定義長度，重復(fù)操作即能判定脫粘面積。當(dāng)缺陷大于波束截面時，采用超聲測長法定量分析脫粘缺陷面積具有較高精度。

3結(jié)語

（1）利用波形特點可以判斷玻璃-聚氨酯-玻璃多層結(jié)構(gòu)膠接結(jié)構(gòu)的粘接情況并確定界面脫粘缺陷的位置：1）低于48mm的范圍有多次一界面回波，48mm左右與52mm左右有明顯的波峰，為粘接良好膠接結(jié)構(gòu);2）每間隔8mm出現(xiàn)一次波峰，兩個波峰間存在更小的峰，且峰值呈遞減狀態(tài)，為一界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu);3）一界面回波總體峰值較低，波峰間隔8mm左右，為二界面脫粘缺陷結(jié)構(gòu)。

（2）X射線可檢測出粘接試樣上存在的界面粘接缺陷和材料內(nèi)部的自然缺陷。

（3）采用半峰寬測長法可對界面脫粘缺陷面積進(jìn)行定量分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐猛，徐彥霖，王增勇，等.粘接結(jié)構(gòu)的超聲檢測技術(shù)及其進(jìn)展[J].機械，2007，?34（6）：56-58.

[2] 王雷.基于超聲測量的聚合物粘接界面表征方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[3] 吳德新，黃通生.不同被檢材料中不同缺陷超聲波檢測的波形識別[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（2）：142-143.

收稿日期：2019-06-25

作者簡介：王小杰（1982—），男，河南安陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：城市軌道交通。