金屬-炸藥界面脫粘缺陷的多次超聲脈沖反射檢測(cè)及成像

李海寧，肖 盼，楊占鋒，徐 堯，張偉斌

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

0 引言

金屬-炸藥粘接結(jié)構(gòu)是一種在國(guó)防和航天工業(yè)中廣泛應(yīng)用的部組件結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)完整性直接關(guān)系到整體系統(tǒng)的安全性和可靠性，界面粘接問(wèn)題的產(chǎn)生可能會(huì)引起重大安全和質(zhì)量事故。國(guó)內(nèi)外都對(duì)粘接狀態(tài)的質(zhì)量檢驗(yàn)與控制十分重視，將其作為生產(chǎn)制造裝配過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，如何以非破壞性的方法對(duì)粘接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的領(lǐng)域和課題［1-3］。

目前應(yīng)用于粘接質(zhì)量檢測(cè)的方法主要有X 射線［4］、CT［5］和超聲［6-8］。其中，X 射線和CT 的空間分辨率高，既可以反映脫粘缺陷形式，又可以通過(guò)圖像處理算法對(duì)缺陷定量評(píng)價(jià)。但該方法對(duì)檢測(cè)對(duì)象和條件要求較高，不僅只有在X 射線與脫粘界面平行時(shí)才能有效發(fā)現(xiàn)缺陷，而且X 射線對(duì)大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件的穿透能力有限，采用常規(guī)CT 難以實(shí)現(xiàn)高靈敏度定量檢測(cè)，操作人員也存在受到輻射危害的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，超聲無(wú)損檢測(cè)是一種兼顧經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的無(wú)損檢測(cè)方法，主要優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)方式靈活（單探頭手動(dòng)掃查/機(jī)械手自動(dòng)掃查）、對(duì)應(yīng)用環(huán)境和條件要求不高等方面，目前已在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多層結(jié)構(gòu)界面脫粘檢測(cè)、動(dòng)車(chē)車(chē)窗粘接界面完整性評(píng)價(jià)等場(chǎng)合得到了充分的關(guān)注和研究［7，9］。盡管近年來(lái)出現(xiàn)了其他無(wú)損的粘接層脫粘缺陷檢測(cè)方法（如紅外熱成像）［3，10］，但超聲無(wú)損檢測(cè)方法仍然因綜合優(yōu)勢(shì)明顯而應(yīng)用廣泛。

目前，脫粘缺陷的超聲檢測(cè)方法可以分為超聲縱波［1-2，7］、橫 波［11］、導(dǎo) 波［12］以 及 電 磁 超 聲［13］。周 海 強(qiáng)等［14］研究了基于電磁超聲共振的金屬環(huán)-含能材料界面脫粘檢測(cè)方法，開(kāi)發(fā)了信號(hào)處理方法及自動(dòng)掃查系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)最小1.5 mm 矩形脫粘缺陷和直徑2.5 mm圓形脫粘缺陷檢測(cè)。但以上研究中沒(méi)有考慮粘膠層厚度對(duì)回波的影響，且對(duì)微細(xì)小缺陷檢測(cè)能力的不足成為制約其進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。超聲脈沖反射法則可以有效彌補(bǔ)這一劣勢(shì)，利用聚焦探頭高分辨率機(jī)械掃查可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的缺陷檢測(cè)和成像，通過(guò)提取多次反射回波幅值信息更有利于缺陷的定量分析，在金屬-膠層-炸藥結(jié)構(gòu)脫粘缺陷定量檢測(cè)及完整性評(píng)價(jià)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本研究針對(duì)金屬-膠層-炸藥粘接結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷開(kāi)展了多次超聲脈沖反射檢測(cè)研究，計(jì)算分析了鋁、蟲(chóng)膠、黑索今（RDX）炸藥3 種介質(zhì)的聲阻抗以及粘接界面的超聲反射特性，提取了不同蟲(chóng)膠厚度的多次反射回波中的界面信息，獲得了不同膠層厚度對(duì)脈沖多次回波幅值的影響規(guī)律，建立了金屬-炸藥界面脫粘的判斷依據(jù)，對(duì)比和評(píng)價(jià)了多次超聲脈沖反射法的脫粘缺陷檢出能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 多次超聲脈沖反射檢測(cè)原理

超聲脈沖反射法的原理如圖1 所示，超聲探頭產(chǎn)生超聲脈沖波，在金屬（鋁板）表面產(chǎn)生反射回波S0，同時(shí)通過(guò)耦合劑（水）-金屬鋁板界面進(jìn)入金屬介質(zhì)繼續(xù)傳播，在鋁板-炸藥界面產(chǎn)生反射信號(hào)S1被探頭接收。由于超聲波在金屬材料中會(huì)衰減，因此超聲波在金屬介質(zhì)上下界面往復(fù)反射后會(huì)形成多次回波（如二次回波S2）。為了準(zhǔn)確提取幅值、聲時(shí)信息，通常會(huì)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行全波整形、提取包絡(luò)等處理，如圖1b 所示。由于超聲波在鋁介質(zhì)中產(chǎn)生多次界面反射，因此信號(hào)中包含豐富的粘接界面信息，界面脫粘缺陷的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致聲壓反射系數(shù)變化，體現(xiàn)在回波幅值的變化之中。

圖1 多次超聲脈沖反射法檢測(cè)原理Fig.1 Basic principle of multiple echoes of ultrasonic wave.

1.2 界面反射特性分析

聲壓反射系數(shù)Г可以反映超聲波在2 種介質(zhì)形成的界面產(chǎn)生反射波和透射波能量的分配比例，其與介質(zhì)的聲阻抗有關(guān)：

式中，Z1、Z2為第一、第二介質(zhì)的聲阻抗，g·cm-2·s。

一般認(rèn)為，金屬-炸藥界面脫粘缺陷會(huì)導(dǎo)致超聲傳播介質(zhì)的改變，以金屬側(cè)脫粘為例，空氣介質(zhì)代替原有膠介質(zhì)會(huì)引起聲壓反射系數(shù)的明顯變化。表1 列出了鋁、蟲(chóng)膠、RDX 炸藥、空氣等幾種介質(zhì)的聲參數(shù)，空氣的聲阻抗遠(yuǎn)小于其他幾種固體介質(zhì)的聲阻抗。將表1所列參數(shù)代入式（1）可得，鋁-膠界面、鋁-炸藥界面的聲壓反射系數(shù)分別為-0.53、-0.73（負(fù)號(hào)表示反射波聲壓和入射波聲反相位），同時(shí)，在以空氣作為第二介質(zhì)的界面聲壓反射系數(shù)趨近于-1，表明超聲波全反射。不同介質(zhì)界面聲壓反射系數(shù)的差異是脫粘缺陷檢測(cè)判定的原理依據(jù)。

表1 金屬-炸藥粘接結(jié)構(gòu)相關(guān)介質(zhì)的聲阻抗特性［15］Table 1 Acoustic impedance of mediums in aluminum/explosives interface bonding structure［15］

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及試件預(yù)制

采用六軸水浸超聲C 掃描系統(tǒng)（Ultra PAC VS01030001）實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)掃查、信號(hào)處理和結(jié)果成像。其系統(tǒng)組成如圖2 所示，主要由機(jī)械運(yùn)動(dòng)單元和超聲信號(hào)采集處理單元組成。超聲探頭在鋁板一側(cè)進(jìn)行機(jī)械掃查，超聲信號(hào)采集單元同步發(fā)射與接收時(shí)域A 掃信號(hào)，經(jīng)過(guò)全波整形、濾波處理后實(shí)時(shí)進(jìn)行反射回波的幅值和聲時(shí)成像。實(shí)驗(yàn)中采用的是頻率15 MHz的超聲水浸聚焦探頭（PANAMETRICS A313 R），激勵(lì)電壓300 V，采樣速率設(shè)置為100 MHz，掃查速度30 mm·s-1，步進(jìn)速度為10 mm·s-1，掃查軸分辨率0.1 mm、步進(jìn)軸分辨率0.1 mm。

圖2 超聲界面脫粘缺陷檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Ultrasonic system for interfacial debonding defect detection

如圖3 所示，加工制備了不同蟲(chóng)膠厚度和界面缺陷狀態(tài)的樣件。圖3a～圖3c是噴涂相同面積（Φ30 mm）、不同蟲(chóng)膠厚度的鋁平板樣件，鋁平板厚度2.5 mm。圖3d 是預(yù)制脫粘缺陷的鋁平板試件，在蟲(chóng)膠噴涂前，采用塑料薄膜對(duì)噴涂中心Φ20 mm 區(qū)域進(jìn)行了遮擋，噴涂后采用聚四氟乙烯薄膜予以替換，用以模擬脫粘界面狀態(tài)。蟲(chóng)膠噴涂烘干后進(jìn)行RDX 炸藥真空澆注，圖3e、圖3f 所示是澆注固化后有無(wú)預(yù)制脫粘缺陷的對(duì)比試件，采用水浸超聲檢測(cè)時(shí)，形成了鋁-水、鋁-炸藥、鋁-蟲(chóng)膠以及鋁-空氣4 種界面狀態(tài)。

圖3 不同蟲(chóng)膠厚度和人工預(yù)制脫粘缺陷的樣件預(yù)制Fig.3 Fabricated specimen with different thickness of shellac and artificial debonding defects

2 結(jié)果與討論

2.1 界面回波信號(hào)分析

對(duì)于金屬-炸藥粘接結(jié)構(gòu)，鋁-膠界面的粘接信息會(huì)反映在多次超聲反射回波之中。圖4 所示是鋁-水（完全脫粘）和鋁-膠（粘接良好）2 種界面結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)回波信號(hào)。水距設(shè)置為15 mm，保持S0回波幅值約為90% FSH（Full Screen Height）時(shí)，增益為52 dB。可以看出，鋁-水界面的一次反射回波S1幅值約為44% FSH，4 次回波幅值約為26% FSH（圖4a）。但鋁-膠界面的一次及多次回波幅值均低于前者，4 次回波幅值已經(jīng)低至12%，圖4a 和4b 的趨勢(shì)線證明了介質(zhì)聲阻抗差異產(chǎn)生的多次回波幅值差異。

圖4 鋁-水界面和鋁-膠界面的多次超聲回波信號(hào)Fig.4 Multiple echoes at Al-water and Al-shellac interface

2.2 膠層厚度對(duì)回波的影響分析

如圖5 所示是不同蟲(chóng)膠厚度試件的S1、S2、S3回波幅值成像結(jié)果。設(shè)置回波增益52 dB、一次回波的閘門(mén)高度為50%、寬度5.0 mm，S2、S3回波跟隨S1閘門(mén)，高度分別為30%和20%，寬度為2.5 mm，掃查范圍為50 mm×50 mm。從圖5 中可以看出由于介質(zhì)聲阻抗的差異，鋁-膠界面、鋁-水界面的反射波幅值差異明顯，一次與多次回波均能有效區(qū)分有無(wú)膠層的區(qū)域。同時(shí)，在幅值成像色標(biāo)范圍相同（20%～60%）的條件下，不同厚度膠層的無(wú)膠區(qū)域（即背景顏色）呈現(xiàn)良好的一致性，說(shuō)明超聲波在金屬薄板中的衰減特性一致。

圖5 不同厚度膠層的多次超聲回波幅值成像Fig.5 Amplitude imaging of multiple echoes for Al-shellac specimen with different thickness

圖6 進(jìn)一步提取了不同蟲(chóng)膠厚度界面的回波幅值，且對(duì)2 個(gè)界面的幅值進(jìn)行了計(jì)算，以一次回波為例分析，對(duì)于約50 μm 厚的膠層，2 種界面的一次回波幅值差異約為10%，并且S2、S3回波幅值差異逐漸增大，說(shuō)明鋁-膠界面引起的聲衰減在多次回波中持續(xù)累加。膠層厚度的增加會(huì)引起界面回波幅值的增加，符合薄層界面的超聲波反射和透射規(guī)律［15］。從不同膠層厚度多次回波幅值差（圖6 中紅色線）的斜率可以看出，隨著膠層厚度增加，鋁-膠和鋁-水界面的聲衰減特性差異在超聲多次回波中體現(xiàn)的累加效應(yīng)逐漸減弱。

圖6 不同膠層厚度試件的多次回波幅值曲線Fig.6 Amplitude curve of multiple echoes for Al-shellac specimen with different thick shellac

2.3 缺陷檢測(cè)及成像

將A 掃波形進(jìn)行處理后獲得的C 掃描成像結(jié)果可以直觀反映界面的粘接狀態(tài)。為了減小表面入射一側(cè)金屬表面質(zhì)量對(duì)界面回波能量的影響，以表面回波幅值與界面回波幅值之比δ=A1/A2進(jìn)行成像，有無(wú)脫粘缺陷的試件超聲C 掃描幅值成像結(jié)果對(duì)比如圖7 所示。由圖7 可見(jiàn)，不同的界面形成環(huán)形區(qū)域，粘接良好的界面回波幅值分布均勻，鋁-膠界面和鋁-炸藥界面的回波幅值差異顯著，各區(qū)域邊界清晰。對(duì)于在中心區(qū)域人工預(yù)制脫粘缺陷的試件，4 種界面（鋁-水、鋁-炸藥、鋁-膠、鋁-空氣）清晰可辨，但脫粘區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則的幅值差異，這是由于預(yù)制脫粘缺陷時(shí)嵌入的薄膜狀態(tài)和局部脫粘形成的空氣層造成的。

圖7 有無(wú)脫粘缺陷試件的幅值成像結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of amplitude imaging for specimens with and without debonding defects

對(duì)不同界面特征的超聲回波幅值進(jìn)行提取后的結(jié)果分布如圖8 所示，3 種界面的回波幅值分別位于不同的 幅 值 范 圍：鋁-膠 界 面16%～20%；鋁-炸 藥 界 面20%～26%；脫粘區(qū)域（鋁-空氣-炸藥界面）＜16%。因此，界面回波幅值差異可作為金屬-炸藥界面脫粘的重要判斷依據(jù)?；谌毕莩上窠Y(jié)果可以判定缺陷大小，以小于16%回波幅值作為缺陷判定條件可以估算脫粘面積約占粘接界面面積的37%。值得注意的是，對(duì)于不同試件，應(yīng)在保持回波增益、水距等檢測(cè)條件一致的前提下建立脫粘缺陷檢測(cè)的回波幅值基準(zhǔn)。

圖8 脫粘缺陷試件的回波幅值統(tǒng)計(jì)分布Fig.8 Statistic amplitude distribution of echoes for Al-explosive interface with debonding defects.

2.4 檢測(cè)能力驗(yàn)證分析

如圖9a 所示，為了驗(yàn)證脫粘缺陷的檢出能力，在Φ30 mm 膠層范圍內(nèi)預(yù)制了不同大小的圓形和矩形缺陷，開(kāi)展了炸藥粘接前后預(yù)制脫粘的多次超聲成像實(shí)驗(yàn)，從鋁板一側(cè)進(jìn)行成像，增益43 dB、機(jī)械運(yùn)動(dòng)（掃查方向和步進(jìn)方向）掃查分辨率0.1 mm，閘門(mén)跟蹤設(shè)置同上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在未澆注RDX 炸藥時(shí)，一次和二次回波成像結(jié)果均能夠有效識(shí)別圓形Φ0.5 mm 和矩形1 mm 寬缺陷（見(jiàn)圖9b、圖9d）。由于回波幅值衰減的累加效應(yīng)，有無(wú)缺陷區(qū)域的S2幅值差值比一次回波更大，致使圖像中鋁-膠界面區(qū)域和缺陷區(qū)域的對(duì)比更為顯著，缺陷更加清晰完整。S3幅值由于整體處于較低范圍（小于15%），有無(wú)缺陷區(qū)域幅值相差較小，造成脫粘缺陷的邊緣模糊，不利于定量檢測(cè)。

圖9 不同尺寸預(yù)制脫粘缺陷的C 掃描成像結(jié)果（a～d. 炸藥粘接前；e～h. 炸藥粘接后）Fig.9 Specimen and C-scan image of artificial debonding interface（a-d. before and e-h. after cast process）

RDX 炸藥粘接后的試件如圖9e 所示，經(jīng)過(guò)澆注-固化-脫模等工序，將Φ50 mm 的RDX 粘接在Φ30 mm 膠層上。以炸藥-鋁界面作為模擬脫粘情形、以炸藥-膠-鋁界面表示粘接良好。由圖9f～圖9h 所示成像結(jié)果可以看出，炸藥在澆注粘接過(guò)程中由于機(jī)械擠壓力的作用，膠層產(chǎn)生變形，形狀規(guī)則的預(yù)制缺陷形態(tài)發(fā)生改變，但有無(wú)缺陷區(qū)域邊界清晰，矩形缺陷均可以檢出，Φ0.5 mm 圓形缺陷由于膠層發(fā)生形變將缺陷覆蓋難以識(shí)別。與炸藥粘接前的成像結(jié)果類似，S1幅值成像結(jié)果中出現(xiàn)了較多偽缺陷且信噪比低，粘接良好區(qū)域存在明顯的背景噪聲，相比之下，S2幅值成像效果最佳。因此，采用多次脈沖反射對(duì)脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需充分結(jié)合超聲在被測(cè)試件內(nèi)部傳播過(guò)程的衰減特點(diǎn)，合理設(shè)置增益等參數(shù)，在確保信噪比的前提下，增大有無(wú)缺陷區(qū)域的某次回波幅值差將有利于提高成像質(zhì)量和缺陷定量檢出能力。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)金屬-膠層-炸藥粘接結(jié)構(gòu)的脫粘缺陷開(kāi)展了超聲脈沖反射檢測(cè)研究，計(jì)算分析了鋁、蟲(chóng)膠、RDX 炸藥3 種介質(zhì)的聲阻抗以及粘接界面的超聲反射特性，預(yù)制了帶人工脫粘缺陷的實(shí)驗(yàn)樣件，開(kāi)展了超聲C 掃描檢測(cè)及成像實(shí)驗(yàn)，分析了不同膠層厚度對(duì)脈沖多次回波幅值的影響規(guī)律，建立了金屬-炸藥界面脫粘的判斷依據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋁-膠界面、鋁-水界面的反射波幅值差異明顯，一次與多次回波均能有效區(qū)分有無(wú)膠層的區(qū)域，2 次、3 次回波幅值差異逐漸增大，證明鋁-膠界面引起的聲衰減在多次回波中持續(xù)累加。隨著膠層厚度增加，界面的聲衰減特性差異在超聲多次回波中體現(xiàn)的累加效應(yīng)逐漸減弱。

（3）通過(guò)對(duì)不同界面特征的超聲回波幅值進(jìn)行提取，多次超聲脈沖反射法可以檢出最小圓形Φ1.5 mm和矩形1 mm 寬的脫粘缺陷，通過(guò)優(yōu)化檢測(cè)參數(shù)（如提高頻率）和改善人工脫粘缺陷的制備工藝，有望實(shí)現(xiàn)更細(xì)小缺陷的檢出。