李光亞， 王明泉， 江　念

(1. 中北大學(xué) 動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；3. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

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金屬結(jié)構(gòu)界面粘接強(qiáng)度的超聲非線性表征研究

李光亞1,2,3， 王明泉1,2,3， 江念1,2

(1. 中北大學(xué) 動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；2. 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051；3. 中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

摘要:為檢測(cè)金屬粘接結(jié)構(gòu)界面的粘接強(qiáng)度， 分析了超聲波在粘接界面上的非線性產(chǎn)生過(guò)程， 建立起界面粘結(jié)力與超聲非線性效應(yīng)間的聯(lián)系， 指出界面透射超聲波中的各次諧波幅度可反映其粘接強(qiáng)度. 通過(guò)檢測(cè)試件在不同激勵(lì)電壓下的諧波幅度， 結(jié)果顯示超聲諧波幅度和在低電壓激勵(lì)下呈線性規(guī)律變化， 在高電壓激勵(lì)下主要表現(xiàn)出非線性. 不同粘接強(qiáng)度試件的超聲非線性檢測(cè)結(jié)果表明：諧波幅度和的最大值與試件粘接強(qiáng)度存在單調(diào)關(guān)系， 該理論對(duì)于工業(yè)上金屬結(jié)構(gòu)界面粘接強(qiáng)度的超聲無(wú)損檢測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞:金屬結(jié)構(gòu)； 界面粘接強(qiáng)度； 超聲非線性； 高次諧波

粘接結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高、 質(zhì)量輕的特點(diǎn)， 在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用. 界面的粘接強(qiáng)度直接決定了粘接結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性， 因此研究并檢測(cè)界面的粘接質(zhì)量具有重要意義. 傳統(tǒng)線性超聲、 X射線等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可對(duì)裂紋、 脫粘和夾雜等缺陷進(jìn)行有效檢測(cè)和評(píng)價(jià)， 對(duì)于有些類別的粘接缺陷卻不是很敏感， 例如弱粘接缺陷和機(jī)械貼合類缺陷等[1-2]. 最新的一些研究[3]闡述了彈性介質(zhì)中缺陷的存在會(huì)改變?nèi)肷涑暡ㄅc透射超聲之間的比例關(guān)系， 主要表現(xiàn)為其中頻率成分的再分布， 如諧頻分量的產(chǎn)生. 界面的力學(xué)性能與超聲波的非線性效應(yīng)密切相關(guān)， 高階諧波正是超聲非線性現(xiàn)象之一. 非線性參量比線性參量具有更高的靈敏度[4-6]， 更能準(zhǔn)確表征界面性質(zhì)的變化. 敦怡和鄧明等[7]分別利用二次諧波激發(fā)效率及Lamb波二次諧波的應(yīng)力波因子等實(shí)現(xiàn)了完全脫粘區(qū)、 粘好區(qū)和弱粘接區(qū)3種不同粘接狀態(tài)區(qū)的區(qū)分和層狀固體結(jié)構(gòu)表面性質(zhì)變化情況的準(zhǔn)確表征[8].

1諧波產(chǎn)生原理

假設(shè)彈性膠層是均勻各向同性的， 且忽略其衰減， 那么幅度為A1， 初始頻率f=ω/2π， 波束k=ω/vL的大幅度單頻超聲縱波垂直入射于界面時(shí)， 質(zhì)點(diǎn)位移為

(1)

材料內(nèi)部垂直于界面方向上的應(yīng)變?yōu)?/p>

(2)

粘接界面之間的距離隨著應(yīng)變周期性地變化， 為

(3)

界面間的動(dòng)態(tài)粘結(jié)力F(a(t))在靜力平衡時(shí)的界面距離ae和膠層粘結(jié)力達(dá)到最大值時(shí)的界面距離amax之間， 可用泰勒級(jí)數(shù)表示[9]， 為

(4)

式中： (Δ(a(t))n反映界面間距離的改變， 它包含一系列的頻率

(5)

等等. 將這些式子代入式(4)中， 得到

(6)

式中：Fn和φn分別是粘結(jié)力第n次分量的振幅和相位， 界面動(dòng)態(tài)粘結(jié)力可以看作是不同頻率粘結(jié)力疊加的結(jié)果.

它滿足如下條件

(7)

由粘接力分量Fn引起的質(zhì)點(diǎn)位移un(x,t)=Ancos(nωt+φn)可知：透射信號(hào)中包含基頻超聲波的各次諧波分量， 表現(xiàn)出超聲非線性， 式中C是超聲縱波傳播方向上界面膠層的彈性模量，An為第n次粘接力分量的超聲諧波幅度.

(8)

即可表征界面的相對(duì)粘接力. 在式(8)中，F(xiàn)n可以通過(guò)Fn=Cεn計(jì)算得到， 對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)可得到相應(yīng)εn， 故

(9)

測(cè)量試件透射超聲諧波幅度和sumA在不同激勵(lì)電壓下的變化曲線， 由于曲線最大值反映了材料的彈性極限， 因此可用于表征界面的粘接強(qiáng)度[9-10].

2試件制備及檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)試件由兩塊厚為4 mm直徑為15 mm的鋼柱粘接而成， 中間的膠層厚度控制為0.5 mm. 為驗(yàn)證粘接強(qiáng)度與超聲非線性諧波幅度和之間的關(guān)系， 根據(jù)環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑不同配比制作了粘接強(qiáng)度依次減弱的編號(hào)為Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 的4組粘接試件， 以及一個(gè)8 mm厚的整體鋼制圓柱標(biāo)準(zhǔn)件， 各試件尺寸完全相同， 如圖 1 所示.

本實(shí)驗(yàn)采用縱波透射法測(cè)量入射超聲信號(hào)的基波及二次、 三次等各次諧波， 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 2 所示. 計(jì)算機(jī)控制Ritec SNAP系統(tǒng)產(chǎn)生5 MHz單頻高能脈沖串， 經(jīng)低通濾波器濾波， 激勵(lì)具有前端濾波特性的窄帶鈮酸鋰壓電晶片[11]激發(fā)超聲波進(jìn)入試件， 超聲波在膠層中傳播時(shí)非線性效應(yīng)明顯. 透射超聲波中包含多種頻譜分量， 因此選擇寬帶接收換能器接收， 再經(jīng)過(guò)功率放大器放大后傳回到系統(tǒng)進(jìn)行處理， 最后經(jīng)數(shù)據(jù)線傳送至計(jì)算機(jī).

3試驗(yàn)方法

在非線性超聲檢測(cè)中， 主要關(guān)注接收信號(hào)中能量遠(yuǎn)小于基頻信號(hào)的各次諧波信號(hào). 為了提高微弱信號(hào)的檢測(cè)靈敏度， 系統(tǒng)通常采用脈沖串激勵(lì)換能器， 它由連續(xù)波加窗后獲得， 能夠產(chǎn)生頻譜較窄的入射超聲波， 因?yàn)檫@樣可以使得頻率域的信號(hào)變得光滑， 從而使頻譜尖峰對(duì)于諧波幅值的測(cè)量影響減弱而更加便于觀測(cè)諧波成分. 在實(shí)驗(yàn)中， 為提高頻率分辨率和減小泄漏， 采用漢寧窗調(diào)制脈沖串 (見(jiàn)圖 3).

實(shí)驗(yàn)采用9個(gè)周期的5 MHz單頻脈沖串激勵(lì)晶片換能器， 其中發(fā)射晶片與接收換能器在試件中部耦合對(duì)穿， 將穿過(guò)粘接界面的超聲信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換得到信號(hào)頻譜后， 即可測(cè)得A1,A2,A3各次諧波幅度， 如圖 4 所示. 在超聲非線性中三次以后的諧波信號(hào)微弱， 通常難以測(cè)量， 因此在實(shí)際計(jì)算中一般只采用前三次的諧波數(shù)據(jù). 在保證激勵(lì)信號(hào)不失真的前提下， 以每次增加10 V的方法將加載在發(fā)射晶片的激勵(lì)電壓從初始的 40 V依次增加至220 V， 在各電壓值下對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行10次的重復(fù)測(cè)量， 取均值作為該電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

在上述試驗(yàn)方法下， 將測(cè)量得到的各次諧波幅度代入式(9)， 得到隨激勵(lì)電壓變化的曲線， 如圖 5 所示.

圖 5 中膠層在低電壓激勵(lì)作用下諧波幅度和隨激勵(lì)水平的增加呈線性增加， 這是因?yàn)榈碗妷杭?lì)作用下， 膠層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定， 質(zhì)點(diǎn)間的應(yīng)力和應(yīng)變均為極小值， 介質(zhì)中超聲波的傳播遵循線性規(guī)律的緣故； 當(dāng)激勵(lì)電壓足夠大時(shí)， 膠層內(nèi)部位錯(cuò)或微裂紋等不連續(xù)介質(zhì)與超聲波相互作用主要表現(xiàn)出非線性， 諧波幅度和隨激勵(lì)功率增加而減小.

試件粘接強(qiáng)度與SumA的最大值之間的關(guān)系如圖 6 所示. 可以看出， 諧波幅度和隨試件粘接強(qiáng)度減弱而逐漸減小， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了SumA與粘接強(qiáng)度存在單調(diào)變化的關(guān)系. 因此， 通過(guò)超聲信號(hào)的諧波幅度和可以反映外界超聲波激勵(lì)作用下膠層粘結(jié)力的變化情況， 從而達(dá)到對(duì)界面粘接強(qiáng)度非線性超聲檢測(cè)的目的.

5結(jié)論

① 分析了超聲波在粘接界面中傳播時(shí)產(chǎn)生諧頻信號(hào)的聲學(xué)非線性特征. 對(duì)不同粘接強(qiáng)度試件進(jìn)行的超聲非線性檢測(cè)結(jié)果顯示： 試件諧波幅度和的最大值與粘接強(qiáng)度存在單調(diào)變化關(guān)系. ② 通常松軟的粘接膠層的超聲非線性遠(yuǎn)大于被粘鋼板的， 因此可以忽略鋼板中的各次諧波幅度. 在小功率激勵(lì)信號(hào)作用下膠層呈線性規(guī)律變化； 當(dāng)激勵(lì)功率足夠大時(shí)， 膠層內(nèi)部位錯(cuò)或微裂紋等缺陷主要表現(xiàn)出非線性. ③ 實(shí)驗(yàn)中試件諧波幅度由透射超聲波中各次諧波以式(9)的關(guān)系相加求得， 可根據(jù)描述疏松材料中聲波傳播規(guī)律的彈性動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程將諧波幅度和在數(shù)值上校準(zhǔn)為界面粘接強(qiáng)度.

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The Research in Ultrasonic Nonlinear Characteristic of Metal Structures’ Bonding Strength

LI Guang-ya1,2,3, WANG Ming-quan1,2,3, JIANG Nian1,2

(1. Key Laboratories of the Dynamic Testing Technology, North University of China， Taiyuan 030051, China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,North University of China,Taiyuan 030051,China；3. School of Information and Communication Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Key words:metal structure; bonding strength of the interface; ultrasonic nonlinear; high harmonics

Abstract:For the detection of metal structure interface’s bonding strength, the paper analyzes the nonlinear ultrasonic bonding interface in the production process, establishes contact between the interface bonding strength and ultrasonic nonlinear effect. It is pointed out that the interface transmission of ultrasonic harmonic amplitude can reflect the bonding strength. By detecting the harmonic amplitude of the test specimen under different excitation voltage, the result shows that the harmonic amplitude and the excitation of the low voltage show a linear change, and the main performance of the high voltage excitation is nonlinear. Different bonding strength test of nonlinear ultrasonic detection results show that the maximum value of harmonic amplitude and the bond strength of the specimen are monotonic.The theory for industrial metal interface bonding strength of ultrasonic nondestructive testing has guiding significance.

文章編號(hào):1673-3193(2016)03-0234-04

收稿日期:2015-11-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助項(xiàng)目(6171177)； 山西省青年科技研究基金資助項(xiàng)目(2015021086)

作者簡(jiǎn)介：李光亞(1980-)， 男， 講師， 博士， 主要從事測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器的研究.

中圖分類號(hào):V448.15+1； O221.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.006