CN113466343B - 一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，包括容器、粘接结构及超声换能器；粘接结构及超声换能器置于该容器中；将发射端超声换能器及接收端超声换能器置于粘接结构同一侧；发射端超声换能器以第一临界角为入射角，发射入射超声纵波进入粘接结构内部，在上层介质中激励出横波；上层介质中的横波到达粘结界面产生反射，接收端超声换能器以与入射角度相同的反射角接收来自粘结界面的界面反射波信号；将发射端超声换能器及接收端超声换能器固定在超声C扫描平台上，进行超声波斜入射C扫描检测；若该检测图像中存在紧贴型脱粘缺陷，则该缺陷区界面反射波信号特征值大于基准值。本方法很容易检测区分出粘接良好界面和紧贴型脱粘界面。

Description

一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法

技术领域

本发明涉及属于无损检测领域，具体地涉及一种用于粘接结构紧贴型脱粘缺陷的无损检测方法。

背景技术

粘接结构是一种常见的结构形式，具有质量轻、强度高、成本低等优点，广泛应用于人们的生产生活。粘接质量的好坏直接影响着粘接结构的使用性能与可靠性，而脱粘是粘接结构中危害最大的一类缺陷，它会显著降低结构强度、引起结构失效，甚至导致灾难性后果。因此在粘接结构的生产和使用过程中脱粘缺陷检测倍受人们关注。

界面脱粘缺陷一般可分为两种形式，一种形式是两个被粘接物体之间失去粘性，并且粘接界面完全脱开，即粘接面存在一定的空隙，处于张开状态，通常所说的“脱粘”就是指这一类型缺陷；另一种形式是两个被粘接物界面虽然失去了粘性，但两者之间的粘接面仍然紧密贴合，没有间隙，这种粘接界面紧贴在一起的脱粘，称为紧贴型脱粘。

粘接结构最常用的检测方法是传统超声检测，包括超声穿透法和脉冲回波法。穿透法是用两个超声波换能器(探头)，分别置于被检测构件的两侧，其中一个探头发射超声波，穿透构件后被另一个探头接收，根据接收到的超声波幅值变化判断是否存在脱粘缺陷。脉冲回波法只使用一个换能器，兼作发射和接收，换能器发射超声波从被检测构件一侧进入构件内部，超声波在内部传播遇到脱粘缺陷会产生界面反射，根据接收到的反射波幅值判断是否存在脱粘。

无论是超声穿透法还是脉冲回波法，在检测过程中都是针对界面处于张开状态的脱粘，而对于“紧贴型脱粘”检测效果不好。即：现有的超声穿透法和脉冲回波法能够检测出普通的脱粘缺陷，但不能有效检测出紧贴型脱粘缺陷。

申请号为2015102026706的专利文献公开了一种《多层粘接结构界面形态检测方法》，其基于波传播的控制方程，将粘接界面的力学特性用法向和切向刚度系数进行表征，推导了超声纵波入射时，多层粘接结构中纵波和上层介质中的横波的反射和透射系数表达式，根据反射与透射系数选取合适的方式或最佳的入射角度和频率检测粘接界面的不同界面形态。利用该方法检测，需要事先知道粘接界面胶层的厚度、密度、弹性常数等物理参数，而在实践中，胶层的厚度往往很薄，很难测量，而且不同的粘接剂配方不同导致其力学性能也有很大差异，要想准确得到胶层介质的力学参数是十分困难的。此外，上述方法需要经过复杂的数学计算，这对于普通工程技术人员为说也是比较困难的。

发明内容

本发明旨在针对上述问题，提出一种在时间操作中比较简单、仅需知道耦合介质的纵波和上层介质中的横波声速，即可实现的粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法。

本发明的技术方案在于：

一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，包括充满了液体耦合介质的容器、粘接结构及超声换能器，液体耦合介质为水；粘接结构及超声换能器置于该容器中；粘接结构包括粘结界面及位于粘结界面两侧的上层介质及下层介质；超声换能器包括发射端超声换能器及接收端超声换能器；

将发射端超声换能器及接收端超声换能器置于粘接结构同一侧；

发射端超声换能器以第一临界角为入射角，发射入射超声纵波进入粘接结构内部，在上层介质中激励出横波；

上层介质中的横波到达粘结界面产生反射，接收端超声换能器以与入射角度相同的反射角接收来自粘结界面的界面反射波信号；

将发射端超声换能器及接收端超声换能器固定在超声C扫描平台上，调节发射端超声换能器与接收端超声换能器之间的水平距离至其声速轴线的交点处于粘接界面上，进而进行超声波斜入射C扫描检测；

以界面反射波信号的最大幅值为特征参量，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，以粘接良好区界面反射波信号特征值平均值为基准值，若该检测图像中的某一区域粘结界面存在紧贴型脱粘缺陷，则该检测图像的值大于该基准值。

其中，所述入射角的计算方法为：

式中：α为入射角度，°；

C₀为耦合介质水中超声波纵波速度，m/s；

C₁为上层介质中超声波纵波速度，m/s。

其中，所述发射端超声换能器与接收端超声换能器之间的水平距离的计算方法为：

L＝htanα+dtanβ (2)

式中：h是超声换能器表面中点到上层介质表面的垂直距离，mm；

d是上层介质厚度，mm；

β是上层介质中的横波折射角，°；

其中，β由下式确定：

式中：C₂是上层介质中的横波速度，m/s。

其中，所述界面反射波信号被接收端超声换能器接收，设在某一检测点，接收到的界面反射波信号为：

v＝f(t) (4)

式中：v为接收到的界面反射波信号幅值，V；

t是超声波传播时间，s；

取v的最大值作为该检测点界面反射波信号特征值，记为V，即有：

V＝max(v) (5)

将发射端超声换能器及接收端超声换能器固定在超声波C扫描平台上，对粘接结构进行斜入超声C扫描；对于每一个检测点(x,y)，都有一个V值与之对应，即V是检测点(x,y)的函数，记为：

V＝V(x,y) (6)

以V值为特征值，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，检测图像中像素的坐标对应于检测点的坐标，像素的颜色用V值表示；以粘接良好区的V值平均值为基准，若该检测图像中的某一区域粘结界面存在紧贴型脱粘缺陷，则该区域检测图像的V值大于基准值。

本发明的技术效果在于：

(1)能够检测出粘接结构中的紧贴型脱粘缺陷。相对于常规超声穿透法和脉冲回波法不能区分出粘接良好界面和紧贴型脱粘界面，本方法很容易检测区分出粘接良好界面和紧贴型脱粘界面；

(2)本方法利用超声C扫描技术，检测结果用图像显示，能够直观看出界面是否存在脱粘，以及缺陷大小和位置；

(3)本方法中发射探头发出的超声纵波以第一临界角入射至上层介质，在上层介质中完全转换为上层介质中的横波，由于上层介质中的横波的波长比纵波短，因此，相较于纵波检测具有较高的检测灵敏度；

(4)本方法以界面回波信号幅值作为缺陷信号的特征值，在信号采集处理方面比较简单。

附图说明

图1为本发明检测方法示意图。

图2为本发明检测方法检测时超声换能器平移示意图(俯视)。

图3为在粘接良好区域接收到的界面反射超声波信号。

图4为在脱粘区域接收到的界面反射超声波信号。

图5为超声C扫描检测结果。

附图标记：1、发射端超声换能器，2、接收端超声换能器，3、上层介质，4、下层介质，5、粘接界面，6、入射超声纵波，7、上层介质中的横波，8、液体耦合介质，9、水槽，10、界面反射波信号，11、粘接良好区界面反射波信号，12、紧贴型脱粘区界面反射波信号，13、粘接良好区，14、紧贴型脱粘区。

具体实施方式

实施例1

一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，包括充满了液体耦合介质8的容器、粘接结构及超声换能器，液体耦合介质8为水；粘接结构及超声换能器置于该容器中；粘接结构包括粘结界面5及位于粘结界面5两侧的上层介质3及下层介质4；超声换能器包括发射端超声换能器1及接收端超声换能器2；

将发射端超声换能器1及接收端超声换能器2置于粘接结构同一侧；

发射端超声换能器1以第一临界角为入射角，发射入射超声纵波6进入粘接结构内部，在上层介质3中激励出横波；

上层介质中的横波7到达粘结界面5产生反射，接收端超声换能器2以与入射角度相同的反射角接收来自粘结界面5的界面反射波信号10；

将发射端超声换能器1及接收端超声换能器2固定在超声C扫描平台上，调节发射端超声换能器1与接收端超声换能器2之间的水平距离至其声速轴线的交点处于粘结界面5上，进而进行超声波斜入射C扫描检测；

以界面反射波信号10的最大幅值为特征参量，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，以粘接良好区界面反射波信号11特征值平均值为基准值，若该检测图像中存在紧贴型脱粘缺陷，则该紧贴型脱粘区界面反射波信号12特征值大于基准值。

实施例2

在实施例1的基础上，还包括：所述入射角的计算方法为：

式中：α为入射角度，°；

C₀为耦合介质水中超声波纵波速度，m/s；

C₁为上层介质3中超声波纵波速度，m/s。

实施例3

在实施例2的基础上，还包括：所述发射端超声换能器1与接收端超声换能器2之间的水平距离的计算方法为：

L＝htanα+dtanβ (2)

式中：h是超声换能器表面中点到上层介质3表面的垂直距离，mm；

d是上层介质3厚度，mm；

β是上层介质中的横波7折射角，°；

其中，β由下式确定：

式中：C₂是上层介质中的横波7速度，m/s。

实施例4

在实施例3的基础上，还包括：所述界面反射波信号10被接收端超声换能器2接收，设在某一检测点，接收到的界面反射波信号10为：

v＝f(t) (4)

式中：v为接收到的界面反射波信号10幅值，V；

t是超声波传播时间，s；

取v的最大值作为该检测点界面反射波信号10特征值，记为V，即有：

V＝max(v) (5)

将发射端超声换能器1及接收端超声换能器2固定在超声波C扫描平台上，对粘接结构进行斜入超声C扫描；对于每一个检测点(x,y)，都有一个V值与之对应，即V是检测点(x,y)的函数，记为：

V＝V(x,y) (6)

以V值为特征值，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，检测图像中像素的坐标对应于检测点的坐标，像素的颜色用V值表示；以粘接良好区13的V值平均值为基准，若该检测图像中的某一区域粘结界面5存在紧贴型脱粘缺陷，则该区域检测图像的V值大于基准值。

具体应用实例

本实例中粘接结构为两层有机玻璃板粘接结构，上层有机玻璃板(编号A)大小为300mm×150mm，厚度为5mm；下层有机玻璃板有两块(编号分别为B1、B2)，大小均为100mm×100mm，厚度均为5mm。

其中；B1与A之间用502胶水粘接牢固，以此模拟粘接良好区13。

B2与A之间先敷一层水膜，使两之间尽可能排除空气、紧密接触，然后用4个螺钉紧固，以此来模拟紧贴型脱粘区14。检测使用的超声换能器频率均为1MHz。

按照图1所示的方法，将粘接结构放入水槽9中，发射端超声换能器1及接收端超声换能器2用夹具与超声C扫描平台连接，发射端超声换能器1及接收端超声换能器2与粘接结构之间填充液体耦合介质8，本应用实例采用的液体耦合介质8为水；

已知在室温25℃时，超声波在水中的纵波速度约为1490m/s，在有机玻璃中的纵波速度约为2670m/s、横波速度约为1120m/s。将上述参数代入式(1)，可以计算出入射角α应为：

因此，将发射端超声换能器1及接收端超声换能器2的角度都调节为34.1°。

根据式(3)计算出有机玻璃中的横波折射角β为：

测量发射端超声换能器1中心到上层介质3上表面距离为75mm，上层有机玻璃的厚度d＝5mm，将β值代入式(2)，可得：

L＝htanα+dtanβ＝75*tan(34.1°)+5*tan(48.4°)＝56.4(mm)

因此，调节发射端超声换能器1与接收端超声换能之间的中心距离L为56.4mm。

保持发射端超声换能器1及接收端超声换能器2之间的距离不变，同时移动发射端超声换能器1及接收端超声换能器2，使其声束轴线交点处于B1与A之间的粘接良好区13，此时接收到的粘接良好区界面反射波信号11如图3，可以看出：粘接良好区界面反射波信号11的最大幅值约为0.006。

同时移动发射端超声换能器1及接收端超声换能器2，使其声束轴线交点处于B2与A之间的紧贴型脱粘区14，此时接收到的紧贴型脱粘区界面反射波信号12如图4，可以看出：紧贴型脱粘区界面反射波信号12的最大幅值约为0.11，明显高于粘接良好区13。

以界面反射波信号10最大幅值为特征值，进行超声波斜入射C扫描检测。最终得到的检测图像如图5所示。从图5中可以看出，粘接良好区13该区域内特征值的平均值约为0.038，将其作为基准值。紧贴型脱粘区14该区域内特征值在0.19～0.2之间，明显大于基准值。从检测结果能够明显区分出粘接良好区13与紧贴型脱粘区14，说明本方法对检测紧贴型脱粘缺陷的有效性。

Claims (3)

1.一种粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，包括充满了液体耦合介质的容器、粘接结构及超声换能器，液体耦合介质为水；粘接结构及超声换能器置于该容器中；粘接结构包括粘结界面及位于粘结界面两侧的上层介质及下层介质；超声换能器包括发射端超声换能器及接收端超声换能器；其特征在于：

将发射端超声换能器及接收端超声换能器置于粘接结构同一侧；

发射端超声换能器以第一临界角为入射角，发射入射超声纵波进入粘接结构内部，在上层介质中激励出横波；

其中，入射角的计算方法为：

α=arcsin(C ₀/C ₁) （1）

式中：α为入射角，°；

C ₀为耦合介质水中超声波纵波速度，m/s；

C ₁为上层介质中超声波纵波速度，m/s；

上层介质中的横波到达粘结界面产生反射，接收端超声换能器以与入射角度相同的反射角接收来自粘结界面的界面反射波信号；

将发射端超声换能器及接收端超声换能器固定在超声C扫描平台上，调节发射端超声换能器与接收端超声换能器之间的水平距离至其声速轴线的交点处于粘接界面上，进而进行超声波斜入射C扫描检测；

以界面反射波信号的最大幅值为特征参量，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，以粘接良好区界面反射波信号特征值平均值为基准值，若该检测图像中存在紧贴型脱粘缺陷，则该缺陷区界面反射波信号特征值大于基准值。

2.根据权利要求1所述粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，其特征在于：所述发射端超声换能器与接收端超声换能器之间的水平距离的计算方法为：

L=htanα+dtanβ （2）

式中：h是超声换能器表面中点到上层介质表面的垂直距离，mm；

d是上层介质厚度，mm；

β是上层介质中的横波折射角，°；

其中，β由下式确定：

β=arcsin(C ₂/C ₀) （3）

式中：C ₂是上层介质中的横波速度，m/s。

3.根据权利要求2所述粘接结构紧贴型脱粘缺陷无损检测方法，其特征在于：所述界面反射波信号被接收端超声换能器接收，设在某一检测点，接收到的界面反射波信号为：

v=f(t) （4）

式中：v为接收到的界面反射波信号幅值，V；

t为声波传播时间，s；

取v的最大值作为该检测点界面反射波信号特征值，记为V，即有：

V=max(v) （5）

将发射端超声换能器及接收端超声换能器固定在超声波C扫描平台上，对粘接结构进行斜入超声C扫描；对于每一个检测点(x,y)，都有一个V值与之对应，即V是检测点(x,y)的函数，记为：

V=V(x,y) （6）

以V值为特征值，制作超声波斜入射C扫描的检测图像，检测图像中像素的坐标对应于检测点的坐标，像素的颜色用V值表示；以粘接良好区的V值平均值为基准，若该检测图像中的某一区域粘结界面存在紧贴型脱粘缺陷，则该区域检测图像的V值大于基准值。