CN107091880B - 一种金属基复合材料脱粘检测方法 - Google Patents
一种金属基复合材料脱粘检测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107091880B CN107091880B CN201710324817.8A CN201710324817A CN107091880B CN 107091880 B CN107091880 B CN 107091880B CN 201710324817 A CN201710324817 A CN 201710324817A CN 107091880 B CN107091880 B CN 107091880B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- wave
- base composites
- echo
- ultrasonic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
- G01N29/0654—Imaging
- G01N29/069—Defect imaging, localisation and sizing using, e.g. time of flight diffraction [TOFD], synthetic aperture focusing technique [SAFT], Amplituden-Laufzeit-Ortskurven [ALOK] technique
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
- G01N2291/02—Indexing codes associated with the analysed material
- G01N2291/023—Solids
- G01N2291/0231—Composite or layered materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种金属基复合材料脱粘检测方法，包括以下步骤:1：将电磁超声体波换能器放置于金属基复合材料的金属基体表面上；2：根据金属基复合材料中金属基体的厚度，由下述公式(1)、公式(2)计算出激励源的激发频率f，同时设置激励时间超过至少一个回波的时间；公式(1)f＝nf0公式(2)；3：将上述激励源输入电磁超声体波换能器，在金属基体中产生超声波，超声波传播至粘接面后发生反射，反射的超声波向上传播至电磁超声体波换能器，在电磁超声体波换能器中形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，生成图像和数据，并对粘接程度进行分析；其优点在于不需要耦合剂，对被检测的金属复合材料没有形状要求，也可以在野外环境下进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测方法，尤其是涉及一种金属基复合材料脱粘检测方法。
背景技术
金属基复合材料是航空航天领域的常用材料，在民用领域中也常用于绝热层等。其结构如图1所示。在金属基体(如钢)下表面粘接有一层或多层材料(如其他金属、橡胶、陶瓷)，工艺要求各粘接层之间不允许出现脱粘，否则将严重影响金属复合材料的整体性能。
针对这种材料的检测方法以前出现过X射线、红外热成像、激光全息、超声导波等技术，在检测脱粘损伤方面存在着各种缺点。
X射线透射照相技术是利用X射线对材料进行多方位的切向胶片照相，从胶片上对脱粘、层厚及其不一致性作人工判读。由于X射线对空气层非常不敏感，该方法常常不能保证界面处于贴合脱粘状态的检出，另外检测周期长、费用高、设备庞大、检测不方便、对人体不安全。
红外检测技术是根据被测件在加热或冷却过程中温度变化的差异来判断粘接结构，该方法对基层的厚度和材料的导热系数有一定的要求，基层太厚或者导热系数太高都会影响到检测灵敏度。
激光全息检测技术受制于金属复合材料的刚性运动和温度变化，而且激光的穿透性很差，设备稳定性和实时性也比较差，该技术目前尚不成熟。
超声导波是利用超声导波在材料中传播的色散特性会受粘接界面缺陷的影响而进行检测。对导波模式和频率的选择性较高，如果是传统压电超声该方法需要耦合剂，对金属复合材料表面要求较高，不能适应复杂的曲面，而且传统压电超声方法比较难以产生丰富的超声导波模式。另外受制于频率和波长等的影响，该方法检测分辨率较低。
而且上述方法对粘接材料为其他种类的金属时，通常无法实现检测效果。
发明内容
本发明目的是：提供一种对脱粘状态的辨识度高，不需要耦合剂，对被检测的金属复合材料没有形状要求，同时也可以在野外环境下进行检测的金属基复合材料脱粘检测方法。
本发明的技术方案是：一种金属基复合材料脱粘检测方法，主要包括以下步骤:
步骤1：将电磁超声体波换能器放置于金属基复合材料的金属基体表面上；
步骤2：根据金属基复合材料中金属基体的厚度，由下述公式(1)、公式(2)计算出激励源的激发频率f，同时设置激励时间超过至少一个回波的时间；
f＝nf0 公式(2)
式中f0为金属基复合材料的共振基频，v为超声波沿厚度方向的传播速度，d为金属基体的厚度；f为金属基复合材料的激发频率，且n为整数，超声波在金属基复合材料中形成共振；
步骤3：将上述激励源输入电磁超声体波换能器，在金属基体中产生超声波，超声波传播至粘接面后发生反射，反射的超声波向上传播至电磁超声体波换能器，在电磁超声体波换能器中形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，生成图像和数据，并对粘接程度进行分析；
步骤4：将电磁超声体波换能器依次移动到其他待检测位置，形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，分别生成对应检测位置的图像和数据，并分别对其他检测位置的粘接程度进行分析。
作为优选的技术方案，所述电磁超声体波换能器包括永磁体和体波线圈，所述永磁体施加垂直于金属基体表面的磁场，所述体波线圈平行置于金属基体表面并由脉冲电流激励，通过感应自金属中产生表面电流，电流在磁场中受洛伦兹力的作用，在金属基体表面形成振动的应力波，并垂直向下传播。
作为优选的技术方案，所述应力波为径向偏振的横波。
作为优选的技术方案，所述体波线圈为螺旋状线圈。
作为优选的技术方案，所述激励源采用正负交变多周期连续脉冲。
本发明的优点是：
1.本发明方法使用电磁超声体波，由于该模式为径向偏振的横波，传播速度相对于传统压电超声的纵波要慢，更容易将频率调制到超声检测的常用频段范围；同时不需要耦合剂，对被检测的金属复合材料没有形状要求，也可以在野外环境下进行检测；
2.本发明方法采用的共振原理对脱粘状态的辨识度非常高，具有非常高的灵敏度，分辨率通常为电磁超声体波换能器的线圈面积的一半；
3.本发明方法使用电磁超声体波换能器，由于不需要耦合剂，电磁超声体波换能器吸收从金属复合材料中发射回来的超声波能量非常低，超声波在金属基体界面来回反射损失的能量相比传统压电超声要低很多，这对电磁超声体波换能器捕捉复合材料内部界面反射的超声波信号尤其重要；
4.本发明方法的电磁超声体波换能器与金属复合材料表面无需接触且对金属复合材料表面无要求，检测速度快；
5.本发明方法可以采用手持式电磁超声体波换能器，也可以采用自动化的电磁超声体波换能器，使用方式非常灵活。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为金属基复合材料结构示意图；
图2为单周期脉冲5MHz激发4mm钢板电磁超声回波信号示意图；
图3为单周期脉冲2.5MHz激发2mm钢板电磁超声的模拟回波信号示意图；
图4为19周期脉冲2.5MHz激发2mm钢板电磁超声模拟十次回波信号示意图(每周期衰减设为前一周期的0.9)；
图5为19周期脉冲2.5MHz激发2mm钢板电磁超声模拟十次回波信号示意图(每周期衰减设为前一周期的0.72)；
图6为厚度2mm的钢板在2.5MHz电磁超声测厚仪7周期激发时的共振回波信号示意图；
图7为图6中在钢板背面贴有橡胶层复合材料的回波信号示意图；
其中：1金属基体，2第二复合层，3第三复合层，4第四复合层。
具体实施方式
实施例：一种金属基复合材料脱粘检测方法，主要包括以下步骤:
步骤1：将电磁超声体波换能器放置于金属基复合材料的金属基体1表面上；
步骤2：根据金属基复合材料中金属基体1的厚度，由下述公式(1)、公式(2)计算出激励源的激发频率f，同时设置激励时间超过至少一个回波的时间，该激励源采用正负交变多周期连续脉冲进行激励，在金属复合材料厚度方向产生共振；
f＝nf0 公式(2)
式中f0为金属基复合材料的共振基频，v为超声波沿厚度方向的传播速度，d为金属基体1的厚度；f为金属基复合材料的激发频率，当n为整数时，每次反射回金属复合材料表面的超声波会与后面激发出来的超声波或者是前次反射的超声波叠加在一起，由于二者频率和相位一致，会不断增强，最终在一段时间内接收到的每次回波信号的振幅依次增强，超声波在金属基复合材料中形成共振；若n不为整数，回波信号会呈现自然阻尼衰减的状态，如图2所示；
步骤3：将上述激励源输入电磁超声体波换能器，在金属基体1中产生超声波，超声波传播至粘接面后发生反射，反射的超声波向上传播至电磁超声体波换能器，在电磁超声体波换能器中形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，生成图像和数据，并对粘接程度进行分析；
步骤4：将电磁超声体波换能器依次移动到其他待检测位置，形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，分别生成对应检测位置的图像和数据，并分别对其他检测位置的粘接程度进行分析。
本发明选用的直径18毫米的电磁超声体波换能器，对第一界面脱粘的分辨率达到直径9毫米，该电磁超声体波换能器包括永磁体和体波线圈，所述永磁体施加垂直于金属基体1表面的磁场，所述体波线圈平行置于金属基体1表面并由脉冲电流激励，通过感应自金属中产生表面电流，电流在磁场中受洛伦兹力的作用，在金属基体1表面形成振动的应力波，并垂直向下传播，其中应力波为径向偏振的横波，体波线圈为螺旋状线圈，该形状的优点是带宽高，共振频率高，制作时可以根据需要密集环绕以增强信号，同时又可以在远离线圈共振的频率工作。
为了说明本方法的效果，图3模拟了2.5MHz的一个激发周期对2mm钢板的测厚信号，发射信号峰峰值为2mV，假设刚开始全部能量都打入金属复合材料，以后每次回波振幅都会衰减到上一个的0.9，由图3可知回波幅度从峰值2mV依次递减。
图4相对于图3的参数变化是激发周期从一个周期变成了19个周期，这样金属复合材料在厚度方向发生了共振，到12μs时回波幅度单峰值达到了近200mV，远远高于图3的回波信号。
图5相对于图4的参数变化是衰减系数变了，衰减系数由0.9变成0.72，即每次增加了20％的衰减幅度。这种情况对应金属基复合材料粘接完好的情况，相应图4对应金属基复合材料脱粘的情况。
由图5可知，每次回波增加20％的衰减就完全破坏了图4中回波信号快速递增的势头，在15μs左右差别已经非常明显了。
由于图4和图5都只模拟了10次回波，如果观察时间更长，比如说15μs以后，我们可以推断图4和图5的信号差别会更加明显，这为我们利用电磁超声测厚仪器在金属复合材料厚度方向产生共振来检测金属基复合材料脱粘提供了依据。
图6为使用本方法检测一块厚度2毫米金属基复合材料时，在脱粘处和非脱粘处的信号，检测的频率为2.5MHz，大约为基本频率的3倍；激励时间约为单回波时间的2.3倍。在脱粘处，20μs到40μs时间范围内信号出现最强共振信号；而在粘接完好的地方(图7)，由于粘接物的存在，信号阻尼衰减变大，在20μs到40μs范围内我们观察到差别非常明显的信号。如果对20μs到40μs设置一个报警闸门窗口，我们就会很方便地自动检测出脱粘的地方。
如果要对第二界面(第二复合层2和第三复合层3之间)、第三界面(第三复合层3和第四复合层4之间)的粘接程度进行检测，则只需要计算出金属基体1与第一粘接层结合后新的共振基频，重新调制激励源频率即可。
本检测方法检测金属基复合材料非常有效，通常200V的激励电压就能达到非常好的效果，为了提高在特殊情况下系统的灵敏度，本方法采用了峰峰值1200Vpp的激励源，极大地提高了对第二界面和第三界面的检测灵敏度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种金属基复合材料脱粘检测方法，其特征在于，主要包括以下步骤:
步骤1：将电磁超声体波换能器放置于金属基复合材料的金属基体表面上；
步骤2：根据金属基复合材料中金属基体的厚度，由下述公式(1)、公式(2)计算出激励源的激发频率f，同时设置激励时间超过至少一个回波的时间；
f＝nf0公式 (2)
式中f0为金属基复合材料的共振基频，v为超声波沿厚度方向的传播速度，d为金属基体的厚度；f为金属基复合材料的激发频率，且n为整数，超声波在金属基复合材料中形成共振；
步骤3：将上述激励源输入电磁超声体波换能器，在金属基体中产生超声波，超声波传播至粘接面后发生反射，反射的超声波向上传播至电磁超声体波换能器，在电磁超声体波换能器中形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，生成图像和数据，并对粘接程度进行分析；
步骤4：将电磁超声体波换能器依次移动到其他待检测位置，形成回波信号，并将回波信号反馈至计算机，分别生成对应检测位置的图像和数据，并分别对其他检测位置的粘接程度进行分析。
2.根据权利要求1所述的金属基复合材料脱粘检测方法，其特征在于，所述电磁超声体波换能器包括永磁体和体波线圈，所述永磁体施加垂直于金属基体表面的磁场，所述体波线圈平行置于金属基体表面并由脉冲电流激励，通过感应自金属中产生表面电流，电流在磁场中受洛伦兹力的作用，在金属基体表面形成振动的应力波，并垂直向下传播。
3.根据权利要求2所述的金属基复合材料脱粘检测方法，其特征在于，所述应力波为径向偏振的横波。
4.根据权利要求2所述的金属基复合材料脱粘检测方法，其特征在于，所述体波线圈为螺旋状线圈。
5.根据权利要求1所述的金属基复合材料脱粘检测方法，其特征在于，所述激励源采用正负交变多周期连续脉冲。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710324817.8A CN107091880B (zh) | 2017-05-10 | 2017-05-10 | 一种金属基复合材料脱粘检测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710324817.8A CN107091880B (zh) | 2017-05-10 | 2017-05-10 | 一种金属基复合材料脱粘检测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107091880A CN107091880A (zh) | 2017-08-25 |
| CN107091880B true CN107091880B (zh) | 2019-09-03 |
Family
ID=59638459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710324817.8A Active CN107091880B (zh) | 2017-05-10 | 2017-05-10 | 一种金属基复合材料脱粘检测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107091880B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107478728B (zh) * | 2017-08-15 | 2021-02-12 | 重庆大学 | 一种复合绝缘子的无损检测方法 |
| CN107462637A (zh) * | 2017-08-31 | 2017-12-12 | 北京金风慧能技术有限公司 | 超声波回波检测方法及装置 |
| CN108593772B (zh) * | 2018-05-16 | 2020-12-15 | 中国科学院声学研究所 | 一种低/高声阻抗粘接界面的超声检测方法及其系统 |
| CN109084918B (zh) * | 2018-08-29 | 2020-06-23 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种基于电磁超声技术的激光冲击波结合力检测方法 |
| CN109142215B (zh) * | 2018-08-29 | 2020-11-24 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种用于非导电材料激光冲击波结合力检测的电磁感应胶带 |
| CN111289570B (zh) * | 2020-03-30 | 2021-02-26 | 天津大学 | 一种构件涂层脱粘无损检测装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8511165B2 (en) * | 2011-03-24 | 2013-08-20 | Borja Lopez Jauregui | Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) combined with piezoelectric transducer (PZT) for dual mode ultrasonic inspection |
| CN103353479B (zh) * | 2013-06-28 | 2016-10-19 | 厦门大学 | 一种电磁超声纵向导波与漏磁检测复合的检测方法 |
| CN104076092B (zh) * | 2014-06-24 | 2015-08-05 | 西安交通大学 | 一种基于电磁超声相控阵聚焦原理的小径管无损检测方法 |
| CN106556363B (zh) * | 2015-09-28 | 2019-05-28 | 宝山钢铁股份有限公司 | 连铸坯壳厚度在线检测方法与装置 |
-
2017
- 2017-05-10 CN CN201710324817.8A patent/CN107091880B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107091880A (zh) | 2017-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107091880B (zh) | 一种金属基复合材料脱粘检测方法 | |
| EP3069132B1 (en) | Structural bond inspection | |
| Diamanti et al. | Non-destructive inspection of sandwich and repaired composite laminated structures | |
| US20100192693A1 (en) | Acoustic transducer assembly | |
| CN105158335B (zh) | 一种钢‑玻璃钢复合板材脱粘超声导波评价方法 | |
| Liu et al. | Adhesive debonding inspection with a small EMAT in resonant mode | |
| CN102819035B (zh) | 一种非接触超声波检测方法 | |
| CN103235046A (zh) | 一种单向发射电磁超声表面波换能器及采用该换能器检测金属表面缺陷方法 | |
| CN109084918B (zh) | 一种基于电磁超声技术的激光冲击波结合力检测方法 | |
| CN102967397A (zh) | 焊接结构焊缝超声波残余应力测量装置及方法 | |
| Gachagan et al. | Generation and reception of ultrasonic guided waves in composite plates using conformable piezoelectric transmitters and optical-fiber detectors | |
| Ihara | Ultrasonic sensing: fundamentals and its applications to nondestructive evaluation | |
| CN109142215A (zh) | 一种用于非导电材料激光冲击波结合力检测的电磁感应胶带 | |
| CN202886034U (zh) | 焊接结构焊缝超声波残余应力测量装置 | |
| CN112946077A (zh) | 碳纤维复合材料表面临界折射纵波激发检测系统及方法 | |
| EP2565642B1 (en) | L-mode guided wave sensor | |
| Xie et al. | Study of curved structures health monitoring with flexible omnidirectional guided-wave transducers | |
| CN102818621B (zh) | 一种非接触聚集型探头 | |
| Zhang et al. | A flexible EMAT enhanced with array magnetic core for inspection of curved structure | |
| Hsu et al. | Applications of electromagnetic acoustic transducers in the NDE of non-conducting composite materials | |
| JP6861969B2 (ja) | 弾性波送受信プローブ、これを用いた測定装置及び測定方法 | |
| CN106653122B (zh) | 一种超声间隙测量方法与装置 | |
| Ge et al. | Development of High Temperature Rayleigh Wave Electromagnetic Acoustic Transducer with Double Coil Structure | |
| CN106872578A (zh) | 一种基于Terfenol‑D材料的刀型结构超声导波换能器及其方法 | |
| Billson et al. | Laser-EMAT ultrasonic measurements of bonded metals |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 215000 room 906, building B, Wusongjiang business district, 169 Changhong North Road, Luzhi Town, Wuzhong District, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: SUZHOU PHASERISE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 215000. A, building 188, Xincheng Road, Lake Villa, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Patentee before: SUZHOU PHASERISE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CP02 | Change in the address of a patent holder |