激光激发干涉仪检测涂层/基底的黏结特性

孙 建,靳 伟,韩庆邦

(1. 西安邮电大学 理学院,西安 710121; 2. 河海大学 物联网工程学院,江苏 常州 213022)

激光激发干涉仪检测涂层/基底的黏结特性

孙 建1,靳 伟1,韩庆邦2

(1. 西安邮电大学 理学院,西安 710121; 2. 河海大学 物联网工程学院,江苏 常州 213022)

将脉冲激光器产生的激光直接照射到环氧涂层/铝基底的界面激发声波,并在铝基底的后表面上利用光学干涉仪对位移进行检测. 实验结果表明,直达波和反射波的幅度比值与界面黏结质量相关,利用该方法可对类似结构的黏结质量进行评价分析.

超声检测； 激光超声； 涂层/基底； 黏结质量

黏结是一种把材料连接在一起而形成组件的方法. 通过黏结形成的组件具有无应力集中、 耐疲劳性能好、 结构轻、 可避免金属连接发生电化学反应和可连接形状复杂的物体等优点[1-3],在航空航天、 电子、 医疗器械、 木材和建筑等领域应用广泛. 涂层/基底是一种常用的黏结结构[4-6],表面涂层工艺是指通过一定的工艺方法使材料产生交联聚合,从而在工作表面上形成具有一定厚度的涂层,具有保护、 装饰和绝缘等作用[7-8]. 但由于涂层太薄而不易检测该结构的黏结质量,其中压电超声存在耦合和频率低等问题而不适于该结构检测[9-11].

激光超声利用激光照射物体表面或界面,通过材料迅速热膨胀激发声波,利用光学干涉仪检测表面或界面的位移变化而获得声波信号,具有较高的分辨率,若材料为透明介质,则光可透射材料进行激发或检测[12-13],且激发与检测具有非接触、 宽带、 高灵敏度和理想的高重复率源等特性. 本文利用激光超声方法,直接在涂层/基底黏结结构的界面上激发超声波,并通过两种透射波的幅度比检测黏结质量.

1 测量原理

图1 透明涂层/基底界面激光热弹激励声波的传播示意图Fig.1 Schematic diagram for waves between epoxy coating and substrate

透明涂层/基底界面激光热弹激励声波的传播示意图如图1所示,其中标号1和2分别表示基底和涂层,x表示界面方向,z表示垂直界面方向,+z表示向下,-z表示向上,涂层厚度为h. 一束不会引起涂层或基底破坏的小能量点状脉冲激光透过透明的涂层直接照射在基底界面上(图中的o点),一部分激光被基底反射,另一部分被基底吸收转化为热能(热应力),激发的声波可在界面上下两侧介质传播. 一部分声波沿+z轴传播,声脉冲标记为L1,另一部分沿-z轴传播的声脉冲在涂层表面被反射,并透过界面沿+z轴传播,标记为L2,声脉冲经多次反射沿-z轴传播,形成L3和L4等多次回波,但幅度明显减小. 实际上所有波均在x=0处叠加,但为了易于理解,将图中的示意波画成了斜入射及反射波.

界面黏结处有无缺陷或缺陷大小将直接影响各反射波的波幅. 若有缺陷,则缺陷反射使得进入+z方向的波能量增大,即L1的幅度增大,发射波L2,L3,L4等的幅度相对减小.

定义描述黏结质量的指标函数M为L2波幅度与L1波幅度的比值,即

其中AM表示波幅度.M越小,则表明缺陷越大,黏结的质量越差. 由于L3和L4的波幅很小,因此本文仅只考虑L1和L2的波幅.

2 光学激发及检测系统

图2 中心位移检测实验装置Fig.2 Experimental setup for detecting the normal displacement at the epicenter

激光超声技术利用短脉冲激光辐照在样品表面,样品吸收光后转化为热能,产生热应力,并以波动的形式进行传播[14],通过干涉仪测量样品的表面位移,使用适当的信号处理方法,获得超声波在样品中传播时所携带的介质物理信息. 实验原理如图2所示,由脉冲激光器(名称： Quantel,美国； 型号： Brilliant； 脉冲重复频率： 10 Hz； 波长： 532 nm； 脉宽： 4.2 ns)发出的一束小能量激光先经过一个半透镜,一部分激光反射到光电二极管上作为采集的触发信号,另一部分激光经聚焦后在能量低于样品损伤域值条件下,通过透明的环氧树脂涂层后垂直辐照在样品的黏结界面,激发出声波. 在样品的另一侧利用干涉仪(名称： Bossa Nova Technologies,美国； 型号： TEMPO FS200； 波长： 532 nm； 带宽： 350 Hz～120 MHz; 输出阻抗： 50 Ω; 直流耦合)检测光与脉冲激光在同一条直线上,该方法称为背中心检测. 将样品固定在二维平台(名称： Newport,美国； 型号： MM4006)上,在水平和竖直方向上移动平台,由计算机控制激光脉冲激发和二维平台移动. 干涉仪采集的信号由示波器(名称： Tektronix,美国; 型号： TDS3032B; 双通道; 实时采样频率: 300 MHz)存储并显示,最后传输到计算机进行数据处理. 实验时对样品进行二维扫描测量,在扫描过程中,干涉仪和脉冲激光器的位置保持不变,通过移动样品实现扫描.

样品采用透明环氧层作为涂层,通过喷涂工艺,控制环氧层的厚度为0.4 mm,铝作为基底,厚度约为4.6 mm,预先设置涂层和铝在中间处的黏结质量较好,在两个角的黏结质量较差.

3 结果与讨论

两个不同位置处采集的信号如图3所示. 由图3可见,指标函数M值较大的表明黏结质量较好.

按照上述设计实验组装后进行测量,干涉仪采集典型的检测信号如图4所示. 由图4可见: 检测信号存在较多的反射波峰,其中直达纵波L1和在环氧树脂层内的一次反射纵波L2相对幅度较大,多次反射波的幅度相对较小；L1和L2的极性相反,这是因为L2在涂层上表面被反射回来时发生了半波损失所致.

对样品尺寸为6 mm×6 mm的区域以0.5 mm×0.5 mm宽度进行二维扫描测量,将各扫描点的M值用灰度图表示,如图5所示. 颜色越白,则表明M值越大,即黏结质量越好. 由图5可见,左下角和右上角的M值较小,表明黏结的质量较差,与样品预设情况一致,即该检测方法可行.

图4 典型的干涉仪检测信号Fig.4 Typical waveform collected from the experiment arrangement

图5 样品扫描M值结果灰度图Fig.5 Grey-scale image of M obtained from experimental data

综上,本文通过实验研究了一种利用激光超声进行涂层/基底结构黏结质量评价的方法. 将脉冲激光照射到环氧涂层/铝基底黏结结构的界面上,样品迅速热膨胀激发出超声波,在基底背面利用干涉仪检测直达波L2和一次反射波L1,二者的比值可反映界面的黏结质量. 并对样品进行扫描测量,将各扫描点的M值用灰度图表示的结果与样品预设情况一致,表明该检测方法可行.

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(责任编辑： 王 健)

DetectionoftheCoating/SubstrateBondingPropertieswithLaserExcitationandInterferometerTest

SUN Jian1,JIN Wei1,HAN Qingbang2
(1.SchoolofScience,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China;
2.CollegeofIOTEngineering,HohaiUniversity,Changzhou213022,JiangsuProvince,China)

The pulse laser was used to produce laser beam that directly irradiates on the interface between the epoxy coat and aluminum substrate to excite the acoustic waves,an optical interferometer was applied to detecting displacement on the rear epicenter of the aluminum substrate. The results of this experiment show that the amplitude ratio of direct wave and reflected wave is directly related with the interfacial bonding characteristics. The described method could be used to evaluate bonding quality for similar structure.

ultrasonic test; laser ultrasonics; coating/substrate; bonding quality

rear epicenter signals of Al on the centre (A) and on two horns (B)

2013-10-09.

孙 建(1972—),男,汉族,讲师,从事超声检测实验的研究,E-mail: hello_sunjian@163.com. 通信作者: 韩庆邦(1965—),男,汉族,博士， 教授,从事超声检测及声信号处理的研究,E-mail: hqb0092@163.com.

国家自然科学基金(批准号: 11274091).

O426.9

A

1671-5489(2014)05-1027-04