复合结构界面粘接质量的超声衰减法研究

江 念，王召巴，金 永，陈友兴

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)



复合结构界面粘接质量的超声衰减法研究

江 念，王召巴，金 永，陈友兴

(中北大学信息与通信工程学院，山西太原 030051)

为满足评价复合结构界面粘接质量的需求，研究了界面声压反射率与有机玻璃-钢复合结构界面粘接质量间的关系。采用超声反射法测量了由不同粘接性能胶粘剂制备的粘接试件回波的幅度积分曲线，利用高斯拟合对幅度积分曲线进行特征提取，根据拟合得到的衰减系数表征粘接界面上超声波的反射情况进而表征界面粘接性能。试验结果表明，衰减系数可准确评价复合结构界面的粘接质量。

仪器仪表技术；复合结构；粘接质量；高斯拟合；衰减系数

0 引言

复合结构材料以其优越的性能得到越来越广泛的应用，如航空飞行器的机身、机翼等都大量采用胶结的金属板复合结构[1]，固体火箭发动机也采用推进剂/衬层或包覆层、绝热层/壳体构成的多层复合胶结结构[2]。但是在其制造和使用过程中由于粘结不良、气孔等界面缺陷的存在而造成的灾难性事故时有发生。因此，粘接质量的检测已经成为无损检测的重要研究领域，而超声检测以其穿透力强、灵敏度高和技术成熟等优点在无损检测领域得到了广泛应用。在粘接质量的超声检测中，利用超声波衰减来评价粘接结构、粘接质量是一个重要方法[3]。近年来，超声衰减法在发动机喷管粘接质量检测、胶粘剂化学反应微结构变化监测等领域中逐步得到应用。赵慧蓉根据超声纵波多次反射衰减后的波幅及波次准确分辨出脱粘区和好粘区[4]；目前超声衰减法在预测悬浊液中颗粒浓度及分布、评估微裂纹及损伤等[5]方面取得了较大进步。

本研究借助RITEC公司RAM-SNAP系统对信号的“移动积分”功能[6]，获得反射回波的幅度积分曲线，引入高斯拟合算法实现对原始信号的特征提取。试验表明，利用该方法对复合结构界面粘接质量的预测结果与文献[7]指出的粘接强度变化规律一致。

1 检测原理

超声纵波垂直入射到光滑界面上时，声波的反射和透射情况与界面两侧材质的声阻抗有关。胶粘剂不同的固化情况会引起胶层密度和声速发生变化，进而改变胶层的声阻抗，影响声压分布，因此界面上声压反射率和透射率与胶粘剂微观组织结构存在着对应关系。

本文研究钢/胶粘剂/有机玻璃复合粘接结构的粘接质量，按照环氧树脂∶固化剂质量比1∶1、3∶1、5∶1的3种配比制作编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的3组粘接试件，面积为750 mm ×250 mm，第一层为2 mm厚的有机玻璃，中间为0.5 mm厚的粘接剂，第三层为6 mm厚的钢。由于胶粘剂很薄，且其声阻抗与有机玻璃接近，为简化问题可以认为试件内部仅存在金属/非金属粘接界面。由于两介质的声阻抗不同，所以当超声纵波垂直入射时，会在界面产生波的反射(R)和透射(T)，超声传播路径如图1所示。

图1 粘接试件中超声传播路径

(1)

(2)

所以一次反射回波的声压为

(3)

二次反射回波的声压为

(4)

第n次反射回波的声压

(5)

式中：p0为入射波声压；pn为第n次反射回波的声压；R1为耦合界面的声压反射率；R2为粘接界面的声压反射率；α1和α2分别为胶粘剂与钢板的衰减系数；d和l分别为胶粘剂和与板的厚度。

由式(5)可得：

(6)

Kuiming Liang等[7]的实验结论指出：胶粘剂的拉伸强度、剪切强度、弹性模量和声速、声阻抗随环氧树脂质量百分比的增加缓慢降低，声衰减随环氧树脂质量百分比的增大而明显增大，所以在本文的粘接结构模型中胶粘剂的声衰减成为影响回波幅度的主要因素。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3组试件中的环氧树脂质量百分比逐渐增大，由以上分析及式(6)可知，在宏观上3组试件反射回波幅值衰减程度逐渐增加。因此，可以通过测量试件的超声回波衰减情况研究胶粘剂微观组织结构，进而评价粘接质量。

2 超声反射回波幅度测量

图2为超声反射回波测量系统示意图。其中包括RAM-SNAP系统、高能匹配电阻、衰减器、信号取样器、铌酸锂晶片换能器、粘接试件、示波器及计算机。

RAM-SNAP系统输出5 MHz频率的高能量正弦脉冲信号，经过匹配电阻、衰减器等模块后加载到标称频率为5 MHz的窄带纵波铌酸锂晶片上。脉冲信号经耦合剂垂直入射到待检试件，在试件粘接界面和钢板底面反射后叠加在一起形成多次回波信号，经CH1通道进入RAM-SNAP系统。

图2 超声反射回波测量系统示意图

在测量中，积分门初始位置及门宽由实验员设定。随着积分门在时间轴上右移，系统依次对一次、二次、三次等各次反射回波进行幅度积分。当回波信号完全处于积分门之间时，在幅度积分曲线上出现一个极大值，这种处理方法可使各极大值间的时差与对于反射回波间的时差完全一致。时域回波及幅度积分过程如图3所示。实验中初始积分门起始和结束时刻分别为0和2 μs，积分门宽度Δt=t2-t1=2 μs。图4所示实线为衰减了17 dB的反射回波信号，点划线是回波信号的幅度积分曲线。

图3 反射回波信号处理过程

图4 时域反射回波及幅度积分曲线

3 试验结果及分析

很多分析仪器采集和处理得到的二维离散信息都具有明确的物理意义，这类数据一般可以用高斯曲线予以描述[8]。利用高斯函数对数据拟合得到幅度积分曲线中的峰高 、峰位和衰减系数等具有明确物理意义的参数，故用高斯函数对幅度积分曲线进行拟合再根据曲线衰减c来研究试件粘接质量的方法是可行的。高斯函数的形式为

f(x)=a·exp[(x-b)/c]2

图5 各试件幅度积分曲线

图6 高斯拟合

根据上述试验方法分别测量了3组复合结构粘接试件。图5和图6分别为试件回波信号的幅度积分曲线及高斯拟合曲线。从图5可以看出不同测量对象的各次回波积分幅度包络不是单调变化的，仅从振幅大小判断试件的粘接情况容易造成误判，而从拟合曲线上可以明确分辨出各次回波的振幅大小。

在3组试件上4个对应的位置进行测量，各测量点的高斯函数拟合曲线衰减系数如表1所示。

表1 各测量点的高斯函数拟合参数

1/c表征各次回波声压的衰减程度。从图6和表1可以看出：钢基体中回波声压衰减最平缓，这是由于相比其他3个试件，其衰减仅来源于传播距离增加带来的损失声，不存在粘接界面上声波多次反射和透射造成的损失。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3个试件中环氧树脂所占组分配比逐渐增加，反应形成的高分子网状结构越来越稀疏，对超声波的反射越来越小，衰减系数则逐渐增大，在4个对应的位置所测结果均满足1/cⅠ<1/cⅡ<1/cⅢ的关系，与上述理论分析、文献[8]的试验结论及试件实际粘接情况吻合，测量结果重复性好。因此可以从参数的变化规律研究复合结构界面的粘接质量。

4 结束语

复合结构粘接界面声压反射率随胶粘剂强度的减弱而单调上升，宏观表现为回波衰减增加，引入高斯函数拟合实现对回波的特征提取和简化，取得了很好的建模预测结果。文中给出的界面声压反射率与胶粘剂强度性能之间的关系只是针对特定类型的复合结构粘接材料得来的,实际应用中还应根据粘接材料的声阻抗及特点进行针对性的研究。

[1] 姚卫星,宗俊达,廉伟，等.监测复合材料结构剩余疲劳寿命的剩余刚度方法.南京航空航天大学学报,2012,44(5):677-682.

[2] 杨正伟,张炜,武翠翠,等.导弹发动机壳体粘接质量红外热波检测.仪器仪表学报，2010，31(12)：2781-2787.

[3] TATTERSALL H G.The ultrasonic pulse-echo technique as applied to adhesion testing.Journal of Physics D:Applied Physics,1973,6(7):822.

[4] 赵慧蓉.固体火箭发动机喷管粘接界面的超声检测.固体火箭技术,2000,23(2)：74-78.

[5] MOLEROA M,SEGURA I,APARICIO S,et al.On the measurement of frequency-dependent ultrasonic attenuation in strongly heterogeneous materials.Ultrasonics,2010,50(8):824-828.

[6] Ritec Advanced Measurement System.RAM-5000- SNAP Operation Manual.RITEC,USA.

[7] 郝胜强,谭业发,谭华,等．室温快速固化高性能环氧树脂胶粘剂研究.机械制造与自动化,2012,41(3):30-33.

[8] 李敏,盛毅.高斯拟合算法在光谱建模中的应用研究.光谱学与光谱分析,2008,28(10):2352-2355.

Research of Bonding Quality for Composite Structure Using Ultrasonic Attenuation

JIANG Nian,WANG Zhao-ba,JIN Yong,CHEN You-xing

(School of Information And Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to meet the needs of evaluating the bonding quality of composite structure,the relationship between pressure reflectivity and bonding quality of interface of synthetic glass-steel composite was researched.Integral curves of echo amplitude of specimens which were made up of adhesive with different properties were measured by ultrasonic reflection technique.Gaussian fitting were used for feature extraction of Integral curves,and Gaussian parameters-damping coefficient could describe the ultrasonic reflection at bonding interface and characterize its adhesive properties.The experimental results show that damping coefficient can accurately assess the bonding quality of composite structure.

apparatus and instruments technology;composite structure;bonding quality;Gaussian fitting;damping coefficient

国家自然科学基金资助项目(61201412)；山西省青年科技研究基金资助项目(2012021011-5)

2014-05-27 收修改稿日期：2014-10-26

V257；TB553

A

1002-1841(2015)02-0088-03

江念(1988—)，博士研究生，主要研究无损检测及信号与信息处理。E-mail:jaing_nian@yeah.net 王召巴(1967—)，教授，博士生导师，主要从事自动化装置研究。