黏接結構緊貼型缺陷超聲斜入射法檢測

吳超，李劍，艾春安

(火箭軍工程大學導彈工程學院，西安 710025)

隨著黏接工藝在材料科學、化學和機械科學等領域不斷發展，黏接結構的黏接質量檢測也受到人們的關注[1-3]。緊貼型脫黏缺陷是一種常見的黏接結構界面缺陷[4-5]，出現緊貼型缺陷時，黏接界面并未分離，但黏接結構不能傳遞切向載荷。因此為了保證結構的安全性，開展針對緊貼型脫黏缺陷的檢測研究具有十分重要的意義。

超聲檢測技術相比于其他無損檢測技術具有檢測方便、安全且能夠反映材料力學性能等優勢，被普遍用于黏接結構缺陷的檢測[6-7]。超聲斜入射法與垂直入射法相比，在較低的檢測頻率下就可以實現較高的靈敏度。目前，學者們利用超聲斜入射法檢測脫黏缺陷已得到一些研究成果。Rokhlin[8]引入薄黏彈性層的滑移邊界條件與焊接邊界條件，并利用超聲斜入射法對邊界條件進行了合理性分析。Ricardo等[9]基于彈簧邊界條件建立了黏接模型，通過改變彈性常數實現對黏接缺陷的模擬，并利用斜入射法對該模型進行了理論研究。孫凱華等[10]基于斜入射法研究了黏接層界面黏附強度和內聚強度對超聲波反射與透射系數的影響關系。韓贊東等[11]研究了斜入射非線性系數與陶瓷涂層結合質量之間的關系。丁俊才等[12]、吳斌等[13]研究了在斜入射條件下不同的黏接材料對界面反射特性的影響，并針對弱黏接缺陷研究了斜入射反射系數的模隨著不同剛度比和入射角的變化規律。何存富等[14]基于斜入射法，通過有限元計算研究了反射/透射系數頻譜曲線分別與膠層內聚弱化程度和黏接界面弱化程度之間的關系。針對斜入射條件下黏接界面的檢測，已有學者開展了一定的研究，但僅停留在對界面的理論推導和分析中，而在實際的檢測中，對于缺陷的尺寸大小的可視化表示和定量評估是十分重要的，為此，采用斜入射C-掃描成像的方式對緊貼型脫黏區域進行成像顯示。

首先對黏接結構建立的模型進行了分類，基于超聲斜入射檢測原理，設計了超聲斜入射法檢測黏接結構C-掃實驗，對黏接結構界面進行斜入射C-掃成像，最后對比分析了斜入射與垂直入射掃描圖像結果，驗證超聲斜入射方法對于檢測緊貼型缺陷的優勢和可靠性。

1 黏接結構模型

基于超聲方法檢測黏接結構，按照結構的特點可以分為3種不同的建模方式，為了簡化模型，只考慮超聲波一次入射到黏接結構的情況，如圖1所示[15-16]。

ρ為膠層的密度；c為膠層中超聲波傳播速度

1.1 夾層模型

對于夾層模型，不考慮黏接界面黏接劑的黏附力，可以將黏接層簡化為密度ρA、波速cA的彈性或黏彈性膠層，其厚度x表示為0

u(0+)=u(0-),σ(0+)=σ(0-)

(1)

u(h+)=u(h-),σ(h+)=σ(h-)

(2)

式中：-、+分別表示在界面的左右兩側；h為膠層厚度；u和σ分別為位移和應力。

研究厚膠層黏接結構時，尤其對于膠層內聚強度弱化或者膠層中存在氣泡、夾雜等缺陷時，一般建立夾層模型。

1.2 單界面模型

針對單界面模型，為了研究方便，不考慮膠層的厚度對研究的影響，將膠層視為單一黏接界面，該界面可以用彈簧模型代替。在x=0處，應力邊界條件可表示為

σ(0+)=σ(0-)=KS[u(0+)-u(0-)]

(3)

式(3)中：KS為界面剛度，KS可以分為法向剛度KN和切向剛度KT，在黏接結構中，可能出現理想界面、若黏接界面和緊貼型黏接界面3種不同的界面形式，對應3種不同的邊界條件。

當出現緊貼型界面時，KN→∞，KT=0，黏接結構可以完全傳遞法向應力，但不能傳遞切向應力。單界面模型一般用于對薄膠層黏接界面缺陷的研究。

1.3 雙界面模型

雙界面模型同時考慮了膠層的厚度和界面對黏接結構研究的影響，K1和K2分別為x=0和x=h處的界面剛度。當K1,K2→∞時，雙界面模型和夾層模型可以等效，夾層模型的應力邊界條件也適用于雙界面模型；當膠層厚度h→0，|K1-K2|→0時，雙界面模型與單界面模型等效。雙界面模型多用于對多層黏接結構的界面或膠層性質的研究。

2 斜入射C掃描檢測原理

2.1 斜入射檢測原理

當超聲波斜入射到兩種不同介質時，如果兩種介質的聲阻抗不同，根據Snell定律，超聲波會在界面上發生反射、透射和波形轉換，在固體介質內可以轉換成縱波和橫波。如圖2所示。入射波既可以是橫波也可以是縱波，通過改變入射角度，可以選擇在介質中轉換后的波形類型。由于橫波在界面處會產生切應力，所以橫波對于界面性質發生的變化較敏感，用橫波斜入射法檢測黏接界面具有一定的優勢。

α為入射角；α′S為橫波反射角；α′L為縱波反射角；βS為橫波折射角；βL為縱波折射角

用斜入射法檢測黏接結構主要研究超聲波反射系數，透射系數與入射角度之間的關系。由于斜入射反射波的聲壓和透射波的聲壓關系比較復雜，無法用簡單的公式進行計算，但是已有研究表明反射系數和透射系數與介質的聲阻抗、波速和入射角等參數存在關系[17-18]，可以利用實驗的方法對斜入射法檢測黏接界面進行研究。

2.2 超聲C-掃描系統

超聲C-掃描是一種可以沿垂直于聲速橫斷面方向進行掃描，顯示被測試樣橫斷面情況的二維成像技術。在進行檢測時，超聲波由超聲探頭發出，經由耦合液進入待測試件中，當試件中存在缺陷時，部分聲能被反射，并被超聲探頭接收，反射的時域波形圖通過電子閘門選取特征值，再經過計算機的處理，就可以呈現出直觀的二維圖像[19]。

所采用的斜入射C-掃描系統原理如圖3所示[2]，水浸聚焦超聲探頭由可變角度工裝夾持，改變超聲波的入射角度實現超聲波斜入射，超聲波由入射探頭發出，以一定角度斜入射到黏接結構的黏接界面上，經過界面反射，反射聲波被接收探頭接收，接收的超聲信號上傳到數字示波器和數據采集卡中進行實時成像和信號處理，另外，通過三軸運動機構對超聲探頭的位置進行調節，計算機控制探頭的掃描路徑對試件進行掃查。

圖3 超聲斜入射C-掃描系統原理圖

3 設計實驗與結果分析

3.1 實驗準備

為了模擬黏接結構的緊貼型脫黏界面，設計制作緊貼型脫黏實驗試件。試件基于單界面模型，采用薄膠層進行黏接。介質選用有機玻璃板，優點在于能夠直觀觀察界面的黏接情況，與實驗結果進行比對；黏接劑選用有機玻璃膠，這種黏接劑具有固化時間短，固化完全后膠層薄等特點。

試件基本結構如圖4(a)所示，有機玻璃板c尺寸：300 mm(長)×200 mm(寬)×5 mm(高)；有機玻璃板a、b尺寸：100 mm(長)×100 m(寬)×5 mm(高)。有機玻璃板c和有機玻璃板a用4個固定螺栓加以緊固，模擬緊貼型脫黏界面，定義為A區域；將有機玻璃板c和有機玻璃板b用黏接劑進行黏接，模擬良好黏接界面，定義為B區域。試件實物如圖4(b)所示，試件除了兩處氣泡缺陷和邊緣缺陷，有機玻璃板b其余的區域都是黏接良好的。

圖4 試件示意圖

超聲探頭選用水浸聚焦探頭，直徑Φ為20 mm，焦距f為100 mm，標稱頻率為5 MHz。將超聲探頭放在圖5所示的可調角度工裝上，通過角度旋鈕可對超聲波的入射角度進行調節，該工裝橫向配有位移旋鈕，可以對發射探頭和接收探頭的橫向距離進行調節，位移標尺的最小刻度為1 mm，單向最大調節距離為140 mm；角度標尺的最小刻度為1°，調節范圍為0°～90°。

圖5 可調角度工裝

3.2 實驗結果及分析

為了研究超聲斜入射法對緊貼型黏接界面檢測的特點，分別采用角度為10°～40°的斜入射法和垂直入射法對試件進行檢測，圖6為檢測示意圖，圖6(a)為垂直入射法檢測示意圖，采用單探頭自發自收模式進行檢測，圖6(b)為斜入射法檢測示意圖，采用雙探頭一發一收模式進行檢測。

S、I和B分別為表面回波、界面回波和底面回波

3.2.1 緊貼型脫黏區域與黏接良好區域回波幅值分析

對黏接試件進行A-掃實驗，將垂直入射所得波形圖與20°斜入射所得波形圖(圖7)進行對比。S、I和B分別為表面回波、界面回波和底面回波，3個界面的回波幅值如表1所示，具體回波波形如圖7所示。

圖7 A-掃波形圖

表1 不同界面回波幅值

從表1和圖7可以看出，采用垂直入射法時，在時域上A區域和B區域各界面回波信號差別不大且界面回波幅值較小，垂直入射法對緊貼型界面的檢測靈敏度差；采用20°斜入射法時，I、B界面回波幅值差別大，對緊貼型界面的檢測靈敏度差靈敏度較高。

3.2.2 緊貼型脫黏區域與黏接良好區域C-掃描圖像分析

對時域波形信號施加合適的電子閘門，得到C-掃圖像如圖8所示，可以看出，隨著入射角度的變化，斜入射法對兩個區域的檢測效果區分度更明顯，但在35°之后變差。為了表征不同入射角度C-掃圖像在不同區域界面的差異，采用式(4)定義的相對信號強度比w作為評價指標，w值越大，檢測效果越好，其計算公式為

x、y坐標分別為C掃描檢測系統x、y軸方向的采樣點數

(4)

式(4)中：Ab為B區域界面回波平均幅值；Aa為A區域界面回波平均幅值；min為Aa、Ab做比較，取其中的最小值。

選取A或B區域界面C掃描圖像中間窗口內m個采樣點，記這m個采樣點幅值依次為A1,A2,…,Ai,…,Am，因此窗口內采樣點A可表示為

(5)

以垂直入射法A區域圖像為例，圖9為選取的窗口，x選取范圍為76～80，y選取范圍為141～145，m為25，因此Aa為0.515。同樣，可以計算出不同角度下Aa和Ab的值，具體數值如表2所示。

表2 不同角度Aa、Ab和w的值

圖9 窗口選取示意圖

由圖10所示，在0°～20°范圍內，隨著角度的變大，w值不斷變大，檢測效果越來越好；在20°～25°范圍內，w值逐漸減小，檢測效果也越來越差；在25°～35°范圍，曲線存在兩個極值點，其中極大值點對應的橫坐標為34.1°，與浸水有機玻璃板的第一臨界角相吻合；在35°～40°范圍內，有機玻璃板中只存在橫波，此時，隨著檢測角度的增加，w值先減小后增大。因此以第一臨界角(水與第一層有機玻璃之間)附近進行檢測時，對緊貼型缺陷的檢測效果最好。

圖10 w隨角度變化的關系

3.2.3 不同入射角度對氣泡缺陷檢測靈敏度分析

為了表征不同斜入射角度對界面存在的氣泡缺陷的檢測性能，將圖4中的氣泡用圓表示，如圖11(a)所示，5個圓的直徑從小到大依次為0.91、1.30、1.35、2.60、3.55 mm，可以計算出氣泡缺陷實際總面積為74.05 mm2。

圖11 氣泡缺陷

對不同角度斜入射C-掃圖像的氣泡缺陷面積進行定量研究，已有文獻[18]可用閾值法對C-掃圖像缺陷面積進行計算。由于每次掃描過程都是相同的且掃描參數已知，因此圖像上的單個像素點的面積可計算且相同。圖11(b)為采用垂直入射法氣泡缺陷區域C-掃圖像，圖像中每一個像素點的實際面積是0.66 mm2，假設B區域界面幅值Aq

表3 不同角度Am的值

為了表征不同斜入射角度對氣泡缺陷檢測效果，引入式(6)定義的強度比c作為評價指標。

(6)

式(6)中：max為Am、Ab做比較，取其中的最大值；min為Am、Ab做比較，取其中的最小值。

通過比較強度比c的值，分析不同入射角度與氣泡缺陷檢測靈敏度的關系，c值越小，檢測效果越差。由圖(12)可以看出，隨著入射角度不斷變大，強度比c不斷減小，對氣泡缺陷的檢測靈敏度不斷降低。說明，垂直入射(0°)氣泡型脫黏缺陷有更好的靈敏度。

圖12 c值隨角度變化的關系

4 結論

針對厚度為5 mm的有機玻璃板黏接試樣存在的緊貼型缺陷，采用0°～40°范圍不同入射角度對其進行斜入射檢測試驗研究，分析了入射角度對C-掃描檢測結果的影響，得出如下主要結論。

(1)對于緊貼型缺陷，采用超聲斜入射法檢測黏接結構緊貼型界面較于垂直入射法有明顯的優勢，且不同的角度對檢測結果影響較大，在0°～40°范圍內，以第一臨界角(34°)附近進行檢測時，緊貼型界面不能傳遞切應力，C-掃描成像效果最好。

(2)對于黏接界面存在的氣泡缺陷，隨著斜入射角度的逐漸變大，檢測效果越來越差，垂直入射檢測時，C-掃描成像效果最好。