金属钢板／陶瓷材料胶结缺陷超声波C扫描成像技术

刘 凯，陈 斌，郑立生，朱 杉

（空军驻山东地区军事代表室，济南 250023）

金属钢板／陶瓷材料粘接结构是导弹导引头中的重要构件。它既是导弹弹体的组成部分，又是雷达制导系统的组成部分；它既是导弹的结构件，又是功能件。因此，对金属钢板／陶瓷材料粘接结构的质量提出了很高的要求。导弹的飞行速度很高，一般为3～5倍的音速，金属钢板／陶瓷材料粘接结构中有任何一点缺陷都会对整个导弹的飞行安全构成威胁，甚至会导致导弹无法完成对目标的打击。

在金属钢板／陶瓷材料粘接件制造过程中，由于制造工艺的波动性，尤其是在金属钢板与陶瓷材料的粘接装配工艺中，难免会出现局部的工艺缺陷，尽管有时缺陷非常小，但它对金属钢板／陶瓷材料粘接构件性能、可靠性与安全性会构成很大威胁。因此，为了确保金属钢板／陶瓷材料粘接构件质量，准确、有效地对粘接胶层内部结构质量进行检测，研究金属钢板／陶瓷材料粘接质量无损检测技术有着十分重要的意义。

超声C扫描成像技术是实现缺陷定性、定位、定量以及无损评价的关键技术之一，在无损检测领域有着广泛应用。工程材料在制造和使用过程中呈现出各种尺度和维数的缺陷，极大地影响着材料整体力学性能，因此对内部结构的检测成为深入认识工程结构材料性能的首要任务，超声C扫描成像技术是判定材料内部质量缺陷的最佳无损检测手段之一。

笔者采用超声波C扫描彩色成像技术对金属钢板／陶瓷材料粘接质量进行了无损检测。通过对反射图像色彩的对比分析，判定金属钢板与陶瓷材料粘接界面存在的缺陷类型，从而对金属钢板／陶瓷材料粘接结构质量做出准确评判。

1 试验部分

1.1 超声波C扫描检测胶接缺陷的原理

图1 超声波C扫描检测钢－陶瓷胶接缺陷示意图

图1为采用超声波C扫描技术检测金属钢板／陶瓷材料胶接缺陷示意图。探伤仪通过探头向被测金属钢板／陶瓷材料胶接件发射脉冲超声波，垂直入射的超声波一部分会在金属钢板表面产生反射，形成反射波，另一部分入射到钢内部继续向前传播，并在钢－胶粘剂－陶瓷胶接界面产生折射和反射。当胶接界面的粘接质量发生改变时，超声波在胶接界面的反射和折射能量的分配将会直接受到影响［1］。

由于钢的声阻抗比石英陶瓷和粘接胶层的声阻抗大得多（钢、陶瓷和粘接胶层的声阻抗分别为4.87×106，0.98×106和0.67×106g·cm－2·s－1），而陶瓷与粘接胶层的声阻抗相近，且胶层很薄（δ＝0.2mm）。因此，分析时将它等效为钢－陶瓷胶接结构，如图2。

图2 钢－陶瓷胶接结构超声波反射和透射

当金属钢板－陶瓷材料胶接界面在声波传播方向的厚度大于声波波长时，各次声波在胶接界面的反射声强I1表示为［1］：

式中I0为入射声强；Z1和Z2分别为钢和陶瓷的声阻抗。

当超声波从粘接胶层垂直入射到与缺陷（大多为气孔）的交界处时，在该处产生反射和透射，此时，在胶接界面的反射声强I2表示为：

式中Z3和Z4分别为粘接胶层和空气的声阻抗。

（1）如果金属钢板－陶瓷材料胶接界面无胶接缺陷（如脱粘）存在，在其它条件一定时，声波在胶接界面的反射取决于胶接层和两侧材质的声阻抗，对于图1所示的金属钢板－陶瓷材料胶接结构，由于钢的声阻抗Z1比Z2陶瓷的阻抗大，（Z1／Z2）≈4.97，根据式（1）计算，反射声强I2≈0.44I0。如果不考虑散射等其它因素影响，每次入射到胶接界面的声波将有约44%的能量反射回去（图2）。

（2）如果胶接界面存在缺陷（如脱粘），由于通常脱粘缺陷内多为分层或气孔，而空气的声阻抗Z4只有40g·cm－2·s－1，而Z4≪Z3，根据式（2）计算，反射声强I2≈I0，超声波都将在缺陷处产生反射。

由此可见，用超声波方法可以有效地检测金属钢板－陶瓷材料胶接结构存在的缺陷。

1.2 试验对象与设备

某型导弹用金属钢板与陶瓷材料粘接件（自制）。超声波C扫描检测系统为TomoScan FOCUSLT型，由加拿大RD／TECH公司生产。

2 结果与讨论

2.1 超声波C扫描工艺

根据胶接界面情况，超声波C扫描检测系统采用水浸聚焦探头、水浸式脉冲回波反射法检测。检测前，应对制品进行目视检查，确保制品表面清洁无污染，异常现象应记录下来并在超声记录图上和制品表面上进行标示。然后将导弹雷达天线罩固定在超声C扫描系统的转盘上并旋紧固定。

为了提高分辨率，一般在作超声波C扫描时应根据探头的焦距和金属钢板的厚度，确定探头与金属钢板表面的距离，使得探头的焦点落在胶接层上。检测时，扫描速度不大于50mm／s，步进速度不大于30mm／s；扫描精度不大于最小缺陷的1／3，一般选择0.2mm；对金属钢板－陶瓷材料胶接区域进行100%检测。超声C扫描成像检测具体工艺参数如下：频率为5MHz，晶片直径为25.4mm（1in），焦距为76.2mm（3in），耦合剂力纯净水，耦合方式为水浸耦合。

2.2 结果分析

在金属钢板／陶瓷材料胶接界面主要缺陷有：分层、孔隙和弱粘型缺陷。其中孔隙缺陷比例最高，超过70%，分层和弱粘型缺陷相对较低。

从超声C扫描检测原理可知，有胶接缺陷的声压反射率明显高于无胶接缺陷的声压反射率。反映到超声波C扫描图像上，胶接缺陷处的颜色明显比无胶接缺陷处颜色深一些。因而可根据超声波C扫描图像上色彩的差异，辨别出金属钢板／陶瓷材料胶接界面内部的分层、孔隙和弱粘型等常见缺陷。由于金属钢板／陶瓷材料粘接过程的复杂性和固化过程的差异，引起粘接过程受力和温度分布的复杂，致使胶粘剂流动形式也相对复杂得多，产生的缺陷类型及分布也有所不同［2－3］。

2.2.1 分层缺陷

对于层间检测，超声波C扫描检测结果只能提供金属钢板／陶瓷材料粘接界面的质量信息，无法给出缺陷形成的确切原因。缺陷与被检制品的结构形式有一定的关联性，分层缺陷的形成机制较为复杂，原因较多。

图3为分层缺陷。相对于无粘接缺陷区域，分层缺陷处颜色明显较深，接近黑色，呈连续不规则皱折状。这是由于分层缺陷处，存在胶粘剂与空气的界面，当超声波入射到该界面时，根据式（2），反射声强I2＝I0，而无缺陷区域反射声强I1＝0.44I0，因而超声波C扫描图像上分层缺陷处颜色较深，接近黑色。这种缺陷一般发生在粘接界面的边缘。

图3 分层缺陷超声波C扫描图像

结合金属钢板／陶瓷材料粘接工艺分析，局部的分层表征着严重的局部损伤。一方面粘接过程中受力不均会造成胶粘剂分布不均，以及结构中温度分布不均，固化过程中制品内部产生较大的内应力，会导致分层；另一方面排气不畅，固化过程中孔隙长大连接在一起形成分层，其形成机制与孔隙相同；还有可能是胶粘剂局部污染、夹杂等造成分层。

2.2.2 孔隙缺陷

孔隙和气孔形成机制基本相同，主要来源均是夹杂空气、吸湿水、挥发性溶剂等。气孔是孔隙长大到一定程度，呈宏观状态出现的一种缺陷形式。气孔多以单个状态出现，而孔隙多呈密集型分布。

图4 孔隙缺陷超声波C扫描图像

图4为孔隙缺陷。由于孔隙缺陷中大都是空气，因此在超声波C扫描图像上孔隙缺陷区域比无粘接缺陷区域颜色深一些；而又因为孔隙缺陷呈密集型分布，因此反映在超声波C扫描图像上，深色区域与浅色区域交替分布。

结合金属钢板／陶瓷材料粘接工艺分析，孔隙缺陷可能是由于固化工艺不当、夹杂空气和挥发成份不易排出等原因造成的。

2.2.3 弱粘型缺陷

图5为弱粘型缺陷的超声波C扫描图像。弱粘型缺陷区域与无缺陷区域色差较小，无明显边界。弱粘型缺陷可能是胶粘剂成分差异，造成固化不充分，从而使固化后的胶粘层存在局部密度差异，进而导致超声波C扫描图像中小区域内轻微色差。

图5 弱粘型缺陷超声波C扫描图像

结合粘接工艺分析，弱粘型缺陷可能是制备胶粘剂时，各组分搅拌不均，固化时受压不均，或局部温度异常导致胶粘剂固化不均，造成弱粘型缺陷。

3 超声波C扫描成像的影响因素

超声波C扫描成像时有许多影响因素。这些影响因素会引起误判，掩盖缺陷。超声波C扫描成像的主要影响因素为：耦合剂的纯度和水浸聚焦探头频率的选择。

试验采用的耦合剂是纯净水。但通常桶装的纯净水中都溶解有大量的空气，即在检测时耦合剂中含有大量气泡，这会严重影响超声波C扫描检测缺陷的能力，容易引起误判。因此在检测前，应将纯净水倒入检测槽中，静置8h以上，释放溶解的空气，从而减小气泡的影响。

对于高频率的水浸聚焦探头，分辨力好、脉冲窄、能量小、穿透性差、噪声高、信噪比差；而对于低频率的水浸聚焦探头，分辨力差、脉冲宽、能量大、穿透性好、噪声低、信噪比好；所以必须选择一个合适频率的探头。高频探头虽然分辨力好，但它同时会带来噪声高，使杂波增多（因探头、仪器、耦合剂等产生的一些杂乱的非缺陷回波），而且杂波常出现在底波之前，与缺陷回波混在一起，干扰缺陷回波的确认。经过反复多次试验优选，根据检测结果对比所使用的水浸聚焦探头，在同样扫描条件下，5MHz水浸聚焦探头要比10MHz水浸聚焦探头C扫描检测结果更加清晰可辨，所以选择5MHz水浸聚焦探头更加适合来检测金属钢板／陶瓷材料胶接缺陷。

4 结语

采用超声波C扫描成像技术对金属钢板／陶瓷材料粘接缺陷特征进行了分析研究，其结果准确可靠。将超声波C扫描成像检测与制造工艺相结合，可及时发现缺陷并改进制品生产工艺，对提高制品质量有较大的实际意义。

［1］刘松平，郭恩明，张谦琳，等.复合材料深度方向超声C扫描检测技术［J］.无损检测，2001，23（1）：12－15.

［2］曹宗杰，陈怀东，薛锦，等.一种基于超声C扫描成像原理的图像边缘检测方法［J］.中国机械工程，2005，16（5）：392－394.

［3］刘德镇，魏星，周艳华.焊接缺陷的超声C扫描成像［J］.焊接学报，1999，20（2）：77－83.