吳超，李劍，艾春安

(火箭軍工程大學導(dǎo)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(lǐng)域不斷發(fā)展，黏接結(jié)構(gòu)的黏接質(zhì)量檢測也受到人們的關(guān)注[1-3]。緊貼型脫黏缺陷是一種常見的黏接結(jié)構(gòu)界面缺陷[4-5]，出現(xiàn)緊貼型缺陷時，黏接界面并未分離，但黏接結(jié)構(gòu)不能傳遞切向載荷。因此為了保證結(jié)構(gòu)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(shù)相比于其他無損檢測技術(shù)具有檢測方便、安全且能夠反映材料力學性能等優(yōu)勢，被普遍用于黏接結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shù)實現(xiàn)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(nèi)聚強度對超聲波反射與透射系數(shù)的影響關(guān)系。韓贊東等[11]研究了斜入射非線性系數(shù)與陶瓷涂層結(jié)合質(zhì)量之間的關(guān)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(shù)的模隨著不同剛度比和入射角的變化規(guī)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(shù)頻譜曲線分別與膠層內(nèi)聚弱化程度和黏接界面弱化程度之間的關(guān)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(dǎo)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(qū)域進行成像顯示。

首先對黏接結(jié)構(gòu)建立的模型進行了分類，基于超聲斜入射檢測原理，設(shè)計了超聲斜入射法檢測黏接結(jié)構(gòu)C-掃實驗，對黏接結(jié)構(gòu)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(jié)果，驗證超聲斜入射方法對于檢測緊貼型缺陷的優(yōu)勢和可靠性。

1 黏接結(jié)構(gòu)模型

基于超聲方法檢測黏接結(jié)構(gòu)，按照結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)；h為膠層厚度；u和σ分別為位移和應(yīng)力。

研究厚膠層黏接結(jié)構(gòu)時，尤其對于膠層內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)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(yīng)3種不同的邊界條件。

當出現(xiàn)緊貼型界面時，KN→∞，KT=0，黏接結(jié)構(gòu)可以完全傳遞法向應(yīng)力，但不能傳遞切向應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的界面或膠層性質(zhì)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(zhì)時，如果兩種介質(zhì)的聲阻抗不同，根據(jù)Snell定律，超聲波會在界面上發(fā)生反射、透射和波形轉(zhuǎn)換，在固體介質(zhì)內(nèi)可以轉(zhuǎn)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?nèi)肷浣嵌龋梢赃x擇在介質(zhì)中轉(zhuǎn)換后的波形類型。由于橫波在界面處會產(chǎn)生切應(yīng)力，所以橫波對于界面性質(zhì)發(fā)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(yōu)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(jié)構(gòu)主要研究超聲波反射系數(shù)，透射系數(shù)與入射角度之間的關(guān)系。由于斜入射反射波的聲壓和透射波的聲壓關(guān)系比較復(fù)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(shù)和透射系數(shù)與介質(zhì)的聲阻抗、波速和入射角等參數(shù)存在關(guān)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(tǒng)

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(shù)。在進行檢測時，超聲波由超聲探頭發(fā)出，經(jīng)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(jīng)過計算機的處理，就可以呈現(xiàn)出直觀的二維圖像[19]。

所采用的斜入射C-掃描系統(tǒng)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(xiàn)超聲波斜入射，超聲波由入射探頭發(fā)出，以一定角度斜入射到黏接結(jié)構(gòu)的黏接界面上，經(jīng)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(shù)字示波器和數(shù)據(jù)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(gòu)對超聲探頭的位置進行調(diào)節(jié)，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(tǒng)原理圖

3 設(shè)計實驗與結(jié)果分析

3.1 實驗準備

為了模擬黏接結(jié)構(gòu)的緊貼型脫黏界面，設(shè)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(zhì)選用有機玻璃板，優(yōu)點在于能夠直觀觀察界面的黏接情況，與實驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(qū)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(diào)角度工裝上，通過角度旋鈕可對超聲波的入射角度進行調(diào)節(jié)，該工裝橫向配有位移旋鈕，可以對發(fā)射探頭和接收探頭的橫向距離進行調(diào)節(jié)，位移標尺的最小刻度為1 mm，單向最大調(diào)節(jié)距離為140 mm；角度標尺的最小刻度為1°，調(diào)節(jié)范圍為0°～90°。

圖5 可調(diào)角度工裝

3.2 實驗結(jié)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(fā)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(fā)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(qū)域與黏接良好區(qū)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(qū)域和B區(qū)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(qū)域與黏接良好區(qū)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(qū)域的檢測效果區(qū)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(qū)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(tǒng)x、y軸方向的采樣點數(shù)

(4)

式(4)中：Ab為B區(qū)域界面回波平均幅值；Aa為A區(qū)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(qū)域界面C掃描圖像中間窗口內(nèi)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(nèi)采樣點A可表示為

(5)

以垂直入射法A區(qū)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(shù)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(nèi)，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(nèi)，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(yīng)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(nèi)，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(guān)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(shù)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(qū)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(shè)B區(qū)域界面幅值A(chǔ)q

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(guān)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(guān)系

4 結(jié)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(jié)果的影響，得出如下主要結(jié)論。

(1)對于緊貼型缺陷，采用超聲斜入射法檢測黏接結(jié)構(gòu)緊貼型界面較于垂直入射法有明顯的優(yōu)勢，且不同的角度對檢測結(jié)果影響較大，在0°～40°范圍內(nèi)，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(yīng)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。