金属结构界面粘接强度的超声非线性表征研究

李光亚， 王明泉， 江　念

(1. 中北大学 动态测试技术重点实验室， 山西 太原 030051；2. 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051；3. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)



金属结构界面粘接强度的超声非线性表征研究

李光亚1,2,3， 王明泉1,2,3， 江念1,2

(1. 中北大学 动态测试技术重点实验室， 山西 太原 030051；2. 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051；3. 中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)

摘要:为检测金属粘接结构界面的粘接强度， 分析了超声波在粘接界面上的非线性产生过程， 建立起界面粘结力与超声非线性效应间的联系， 指出界面透射超声波中的各次谐波幅度可反映其粘接强度. 通过检测试件在不同激励电压下的谐波幅度， 结果显示超声谐波幅度和在低电压激励下呈线性规律变化， 在高电压激励下主要表现出非线性. 不同粘接强度试件的超声非线性检测结果表明：谐波幅度和的最大值与试件粘接强度存在单调关系， 该理论对于工业上金属结构界面粘接强度的超声无损检测具有一定的指导意义.

关键词:金属结构； 界面粘接强度； 超声非线性； 高次谐波

粘接结构由于强度高、 质量轻的特点， 在航空航天等领域得到广泛应用. 界面的粘接强度直接决定了粘接结构的可靠性与安全性， 因此研究并检测界面的粘接质量具有重要意义. 传统线性超声、 X射线等无损检测技术可对裂纹、 脱粘和夹杂等缺陷进行有效检测和评价， 对于有些类别的粘接缺陷却不是很敏感， 例如弱粘接缺陷和机械贴合类缺陷等[1-2]. 最新的一些研究[3]阐述了弹性介质中缺陷的存在会改变入射超声波与透射超声之间的比例关系， 主要表现为其中频率成分的再分布， 如谐频分量的产生. 界面的力学性能与超声波的非线性效应密切相关， 高阶谐波正是超声非线性现象之一. 非线性参量比线性参量具有更高的灵敏度[4-6]， 更能准确表征界面性质的变化. 敦怡和邓明等[7]分别利用二次谐波激发效率及Lamb波二次谐波的应力波因子等实现了完全脱粘区、 粘好区和弱粘接区3种不同粘接状态区的区分和层状固体结构表面性质变化情况的准确表征[8].

1谐波产生原理

假设弹性胶层是均匀各向同性的， 且忽略其衰减， 那么幅度为A1， 初始频率f=ω/2π， 波束k=ω/vL的大幅度单频超声纵波垂直入射于界面时， 质点位移为

(1)

材料内部垂直于界面方向上的应变为

(2)

粘接界面之间的距离随着应变周期性地变化， 为

(3)

界面间的动态粘结力F(a(t))在静力平衡时的界面距离ae和胶层粘结力达到最大值时的界面距离amax之间， 可用泰勒级数表示[9]， 为

(4)

式中： (Δ(a(t))n反映界面间距离的改变， 它包含一系列的频率

(5)

等等. 将这些式子代入式(4)中， 得到

(6)

式中：Fn和φn分别是粘结力第n次分量的振幅和相位， 界面动态粘结力可以看作是不同频率粘结力叠加的结果.

它满足如下条件

(7)

由粘接力分量Fn引起的质点位移un(x,t)=Ancos(nωt+φn)可知：透射信号中包含基频超声波的各次谐波分量， 表现出超声非线性， 式中C是超声纵波传播方向上界面胶层的弹性模量，An为第n次粘接力分量的超声谐波幅度.

(8)

即可表征界面的相对粘接力. 在式(8)中，Fn可以通过Fn=Cεn计算得到， 对超声信号进行快速傅里叶变换(FFT)可得到相应εn， 故

(9)

测量试件透射超声谐波幅度和sumA在不同激励电压下的变化曲线， 由于曲线最大值反映了材料的弹性极限， 因此可用于表征界面的粘接强度[9-10].

2试件制备及检测系统构成

实验试件由两块厚为4 mm直径为15 mm的钢柱粘接而成， 中间的胶层厚度控制为0.5 mm. 为验证粘接强度与超声非线性谐波幅度和之间的关系， 根据环氧树脂与固化剂不同配比制作了粘接强度依次减弱的编号为Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ 的4组粘接试件， 以及一个8 mm厚的整体钢制圆柱标准件， 各试件尺寸完全相同， 如图 1 所示.

本实验采用纵波透射法测量入射超声信号的基波及二次、 三次等各次谐波， 实验装置如图 2 所示. 计算机控制Ritec SNAP系统产生5 MHz单频高能脉冲串， 经低通滤波器滤波， 激励具有前端滤波特性的窄带铌酸锂压电晶片[11]激发超声波进入试件， 超声波在胶层中传播时非线性效应明显. 透射超声波中包含多种频谱分量， 因此选择宽带接收换能器接收， 再经过功率放大器放大后传回到系统进行处理， 最后经数据线传送至计算机.

3试验方法

在非线性超声检测中， 主要关注接收信号中能量远小于基频信号的各次谐波信号. 为了提高微弱信号的检测灵敏度， 系统通常采用脉冲串激励换能器， 它由连续波加窗后获得， 能够产生频谱较窄的入射超声波， 因为这样可以使得频率域的信号变得光滑， 从而使频谱尖峰对于谐波幅值的测量影响减弱而更加便于观测谐波成分. 在实验中， 为提高频率分辨率和减小泄漏， 采用汉宁窗调制脉冲串 (见图 3).

实验采用9个周期的5 MHz单频脉冲串激励晶片换能器， 其中发射晶片与接收换能器在试件中部耦合对穿， 将穿过粘接界面的超声信号经快速傅里叶变换得到信号频谱后， 即可测得A1,A2,A3各次谐波幅度， 如图 4 所示. 在超声非线性中三次以后的谐波信号微弱， 通常难以测量， 因此在实际计算中一般只采用前三次的谐波数据. 在保证激励信号不失真的前提下， 以每次增加10 V的方法将加载在发射晶片的激励电压从初始的 40 V依次增加至220 V， 在各电压值下对每个试件进行10次的重复测量， 取均值作为该电压下的实验结果.

4试验结果及分析

在上述试验方法下， 将测量得到的各次谐波幅度代入式(9)， 得到随激励电压变化的曲线， 如图 5 所示.

图 5 中胶层在低电压激励作用下谐波幅度和随激励水平的增加呈线性增加， 这是因为低电压激励作用下， 胶层内部组织结构相对稳定， 质点间的应力和应变均为极小值， 介质中超声波的传播遵循线性规律的缘故； 当激励电压足够大时， 胶层内部位错或微裂纹等不连续介质与超声波相互作用主要表现出非线性， 谐波幅度和随激励功率增加而减小.

试件粘接强度与SumA的最大值之间的关系如图 6 所示. 可以看出， 谐波幅度和随试件粘接强度减弱而逐渐减小， 实验结果表明了SumA与粘接强度存在单调变化的关系. 因此， 通过超声信号的谐波幅度和可以反映外界超声波激励作用下胶层粘结力的变化情况， 从而达到对界面粘接强度非线性超声检测的目的.

5结论

① 分析了超声波在粘接界面中传播时产生谐频信号的声学非线性特征. 对不同粘接强度试件进行的超声非线性检测结果显示： 试件谐波幅度和的最大值与粘接强度存在单调变化关系. ② 通常松软的粘接胶层的超声非线性远大于被粘钢板的， 因此可以忽略钢板中的各次谐波幅度. 在小功率激励信号作用下胶层呈线性规律变化； 当激励功率足够大时， 胶层内部位错或微裂纹等缺陷主要表现出非线性. ③ 实验中试件谐波幅度由透射超声波中各次谐波以式(9)的关系相加求得， 可根据描述疏松材料中声波传播规律的弹性动力运动方程将谐波幅度和在数值上校准为界面粘接强度.

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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.

文章编号:1673-3193(2016)03-0234-04

收稿日期:2015-11-17

基金项目：国家自然科学基金项目资助项目(6171177)； 山西省青年科技研究基金资助项目(2015021086)

作者简介：李光亚(1980-)， 男， 讲师， 博士， 主要从事测试计量技术与仪器的研究.

中图分类号:V448.15+1； O221.3

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.006