粘接界面特性的超声检测与评价

粘接界面特性的超声检测与评价既是物理学的前沿问题,又是经济建设和国防安全亟需解决的应用问题。高波阻介质下多层低波阻介质界面脱粘检测、滑移界面检测和粘接强度定量评价是粘接质量检测中遇到的三大难题。本文综述了课题组十余年来在攻坚三大难题方面的研究工作：建立了共振匹配理论,发明了六项关键技术并实现了技术集成,研制出全新概念的超声检测设备,解决了第一个难题;成功研制出横波直探头,用纵横波综合判断方法解决了第二个难题;对第三个难题,建立了粘接界面非线性弹簧模型,为利用非线性声学参量评价粘接界面奠定了理论基础,并探索性地利用统计性方法对粘接强度进行了预测,取得较好效果。     

钢-混凝土结构弱粘接界面缺陷的超声导波检测

钢-混凝土结构是土木工程中的一种常用结构形式,钢与混凝土粘接处可能出现弱粘接甚至完全脱粘的缺陷,严重影响结构的安全性。该文提出利用空气耦合超声导波衰减的方法实现钢-混凝土结构粘接状态的非接触无损检测方法,分析不同厚度粘接界面对超声导波衰减的影响。基于全局矩阵技术对钢-混凝土结构求解理论频散方程和衰减曲线,得到界面层不同粘接条件下的理论参数及衰减特性。建立不同粘接条件的有限元模型,定量分析不同模态对粘接缺陷的检测敏感度。研究界面层厚度分别为1 mm和2 mm两种情况下S0能量的衰减情况。研究结果表明:S0模态可有效判断粘接结构的粘接状态,对于同一界面层厚度,随着界面粘接条件变弱,S0最大幅值与A0最大幅值比不断增大;不同厚度同一粘接条件下,2 mm相较于1 mm该值更大。该方法在钢-混凝土结构粘接界面缺陷的检测方面具有良好的应用价值和发展前景。     

超声在粘接界面的反射和透射

本文讨论了有关超声在两种固体粘接界面上的各种理论模型，介绍了这些模型所假设的界面边界条件以及由此而得到的超声在粘接界面上的反射系数和透射系数。     

厚胶层复合材料弱粘接结构的超声反射特性

开展了复合材料粘接结构粘接质量的非接触式超声反射特性的仿真与实验研究。首先,建立了水浸环境下纤维增强复合材料(FRP)单层板时域仿真模型,数值分析了不同入射角度下声反射系数频率谱的变化规律,并与已有理论方法进行了对比验证。基于此,建立了含厚胶层的复合材料粘接结构反射特性时域仿真模型,分析了粘接界面弱化程度对超声反射系数频谱特征点的影响规律。基于水浸超声反射特性测量系统,实验萃取了完好粘接状态的FRP粘接结构的超声反射系数频谱,与仿真结果吻合良好。随后,制备了具有不同粘接界面状态特征的FRP粘接结构试样,从实验角度揭示了单/双粘接界面弱化状态与超声反射特性间规律性的偏移特征。基于不同粘接状态与超声反射特性间的规律性分布特征,可为厚胶层复合材料粘接结构的粘接质量评估提供新的研究思路。     

循环温度疲劳作用下粘接界面损伤的非线性超声评价

材料损伤以及性能退化与超声波的非线性效应密切相关.为研究循环温度疲劳作用下粘接界面的损伤情况,本文采用超声波透射法,研究了6061型铝合金/改性丙烯酸酯胶粘接界面的声学非线性系数随高温、低温循环次数的变化情况.结果表明,在高温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数变化不明显,但随着高温循环次数的不断增加,非线性系数随循环次数的变化十分明显;对于低温循环疲劳作用的初始阶段,试件的非线性系数迅速增大,随着循环次数的增加,其值增速减缓.在低温循环疲劳寿命的后期,试件的非线性系数随循环次数的增加而继续增大.进一步的讨论结果表明,胶层三阶弹性常数的变化是造成高温循环疲劳时非线性系数变化的主要原因,而对于低温循环疲劳,粘接界面拉伸刚度的变化是引起非线性系数变化的主要原因.     

粘接件拉伸强度的超声检测实验研究

利用RAM-5000 SNAP超声测试系统,在水池中对穿透环氧树脂粘接件的超声信号的基频波和二次谐波进行测量,二者振幅的重复测量误差分别在1%和3%以下,实验具有较好的可重复性。利用反向传播人工神经网络算法,将穿透样品的超声波的基频波振幅、二次谐波振幅、粘接前样品表面的粗糙度作为输入参量,粘接件的拉伸强度作为输出参量进行训练,并对另一组样本的强度进行了预测,与实际破坏强度相比,平均算术误差为8.3%,这为利用超声方法预测粘接件的拉伸强度提供了一个可能有效的实验方法。     

电磁超声多界面检测信号去噪方法研究

为了解决传统压电超声换能器检测方式耦合不稳定的问题,将电磁超声应用于多层粘接结构界面检测。针对电磁超声界面检测信号噪声高和盲区大的问题,在电磁声换能原理和盲区成因分析的基础上,用小波阈值滤波和自适应抵消滤波方法对检测信号进行了处理,达到了降低信号噪声和减小盲区的目的。对钢板和双层橡胶粘接样品的回波信号处理结果表明:小波阈值滤波将信噪比提高了约12 dB,自适应抵消滤波有效地减小了由感生信号产生的盲区。     

层状粘接结构超声检测信号的同态解卷积脱粘界面定征

本文利用建立的多层粘接结构超声无损检测信号的卷积模型,推导出了检测信号的解析表达式,并用同态滤波解卷积方法有效地提取出粘接结构的系统响应,进而由其中界面多次反射响应的位置、幅度和包络等特征参数,实现了脱粘二界面（指空气脱粘）的定征和识别。仿真和实验数据的处理结果表明本文方法对脱粘检测的应用有积极的意义。     

多层粘接结构中脱粘界面的人工神经网络余弦变换谱特征识别

针对钢-橡胶多层粘接结构中界面脱粘的超声检测难题,利用余弦变换(DCT)提取的表征检测信号的模式特征矢量,通过人工神经网络模式识别方法对不同界面脱粘时实验检测信号的正确识别,实现了脱粘一、二、三和四界面的检测。本文脱粘界面信号模式的人工神经网络识别系统对现代工业中NDT&NDE的自动化有着积极的意义。     

三层介质超声谐振模式随材料和界面粘接性能变化的演变规律

在用超声波谐振对粘接材料的粘接强度进行无损评估时, 不同模式对粘接强度的敏感程度受到众多因素和参数的影响, 对检测结果的可靠性至关重要. 基于多层介质中声传播和界面弱粘接边界条件的理论模型, 将一个上下非对称的金属-粘接剂-金属三层结构的平面波反射系数函数中的谐振模式看作是上下铝金属层各自的Lamb波频散模式通过夹心粘接剂层相互耦合后叠加组成. 改变影响结构粘接强度的因素, 即粘接剂的性能参数(声阻抗、密度、厚度)和界面切向劲度系数k_t来分析三层结构谐振模式耦合方式的变化,得出结论: 粘接结构粘接性能的变化基本上不改变与被粘铝层相关的固有部分的Lamb波模式, 而它们的耦合模式则在谐振频率上产生平移并会与固有模式进行交换和替代; 不同参数的变化引起的模式演变有各自的规律, 大多可彼此区分.     

粘接质量超声检测研究

高波阻抗层下多层低波阻抗层间脱粘的超声检测问题是具有普遍意义又很难解决的检测问题,本文介绍了我们近年来在些方面的一些研究进展,首先从传播特性入手总结出几个有用的特征规律,并结合这些物理特征规律选取相应的信号处理手段,从方法上实现多层界面的脱粘检测,并作了多种技术集成,做出有实际应用价值的检测系统。     

层状介质界面超声检测的理论分析和自适应噪声抵消处理

首先从理论上推导了展状介质超声脉冲回波的解析表达式,对各界面信号进行了分析。指出多层介质超声回波是各界面信号的叠加。应用自适应噪声抵消去除超声回波中的零界面和一界面信号,可以将二界面信号提取出来。对模拟和实测层状介质超声回波信号处理表明,方法是可行的。根据得到的二界面信号的幅度和起始时间,可以对二界面的深度和粘结情况进行评价。     

梯度界面层对复合材料有效光学性质的影响

 研究了球形颗粒被无规地浸没在基质中,具有梯度分界面和光滑分界面的球形颗粒复合物界面层对介电响应和光学性质的影响;利用第一原理近似,计算了在稀释极限下具有梯度分布界面层复合物的有效介电常数,讨论了其实部和吸收光谱随外加场频率的变化关系。对结果进行比较,发现梯度分布的界面层使复合材料在等离子体共振频率处的有效介电常数的涨落明显减小,吸收谱线明显宽化并伴有“蓝移”现象,梯度界面层能很好地控制等离子体共振和减小有效介电响应的涨落。     

复合材料的超声检测与评价

由于复合材料在工业上得到了广泛的应用,使工业界对复合材料的超声无损检测与评价技术提出了更高的要求,在复合材料超声检测与评价中遇到了一些新问题,因而也就有新发现,本文介绍了纤维增强复合材料超声检测与评价技术的某些进展。     

固体粗糙界面与超声的非线性相互作用研究

本文提出了一种随机弹性接触界面与超声的非线性相互作用理论. 首先建立了描述随机弹性接触界面的模型, 然后分别研究了界面间应力-应变关系在线性简化模型、指数模型、高斯模型下与超声的非线性相互作用. 数值仿真和实验研究结果均表明高斯模型更适合描述固体接触界面. 本文在介观结构上解释了固体界面与超声的相互作用, 对工业超声无损检测裂缝、缺陷及损伤有指导意义.关键词：超声无损检测固体粗糙界面非线性效应     

粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型

提出描述粗糙接触界面超声非线性效应的概率模型,利用分段均匀概率函数描述粗糙接触界面劲度系数变化,结合表面粗糙峰的几何分布特征,得到界面粗糙度和两侧表面相对运动对声波的非线性调制作用。实验观测了铝合金材料的粗糙接触界面的高次谐波现象和阈值现象,进一步分析了归一化非线性参数与界面加载压力、粗糙度之间的关系。实验测量结果与概率模型的理论预测一致,证明了该模型的正确性,为利用超声非线性效应评价粗糙接触界面提供了理论依据。     

复合材料的超声检测新技术 Ⅰ.声-超声技术

本文对于在航空航天工业中占有重要地位的先进复合材料的两项超声检测新技术的原理、特点和应用进行了简明介绍。本部分先介绍声－超声（ＡＵ）技术。     

激光超声检测铝合金材料的残余应力分布

为了有效检测铝合金材料上的残余应力分布,研究了用激光超声技术来检测铝合金材料上的残余应力分布的方法。该方法用Nd:YAG脉冲激光激发声表面波,并用外差激光干涉仪接收。理论分析表明可通过测量表面波在不同位置上声速的相对变化,来确定试样的残余应力分布。并对无残余应力、有压缩残余应力、有拉伸残余应力的三个试样应力分布,进行了实验测定。结果证实了试样的残余应力分布可引发声表面波在不同位置上声速的相对变化,也证实了激光激发声表面波及其接收技术是一种无损检测材料内残余应力分布的有效方法。     

固体滑移界面的超声评价

为评价固体滑移界面的特性,根据QSM界面模型和粘滞流体的本构方程导出了滑移界面的界面劲度系数及垂直入射到固体滑移界面的超声纵波和SH波的反射系数公式,其中纵波的反射系数与滑移界面层的绝热体积弹性模量、粘滞系数和入射声波的频率有关,而SH波的反射系数与界面层的绝热体积弹性模量和入射波的频率无关。因此,可以用SH波直接评价界面的不同粘滞状态,且不受检测频率的限制。要评价界面的绝热体积弹性模量,则必须增加纵波检测。利用蜂蜜和水模拟不同滑移界面层的声波反射实验验证了上述理论结果。     

铝合金焊前激光清洗的等离子体光谱在线检测

铝合金焊接技术在工业生产、制造和维修等领域有广泛的应用,焊缝内存在气孔导致焊接质量降低是铝合金焊接技术的常见问题。由于铝合金表面金属氧化物是导致气孔生成的主要来源,对激光清洗过程进行在线检测,不但可以实时分析表面氧化物的清洗状态,而且可以避免基体表面因为过度清洗造成损伤或二次氧化。提出采用激光诱导等离子体光谱(LIBS)在线检测铝合金焊前激光清洗过程,表征清洗后铝合金基体的表面状态。LIBS技术可以对多元素成分同时检测,拥有较低的检出限和较高的准确性。搭建基于Andor Mechelle 5000光谱仪的铝合金焊前激光清洗在线检测系统,剔除空气环境对实验结果的影响,测试6061铝合金表面氧化物和铝合金基体的LIBS光谱,分析两者独特的元素特征谱线,采用X射线能谱(EDS)测试结果验证元素特征谱线的准确性,并探讨激光清洗过程LIBS技术在线检测的可行性。实验测试等离子体光谱谱线强度与激光能量密度之间的关系,获得单次脉冲激光去除铝合金表面氧化物的损伤阈值,结合X射线能谱的检测结果研究激光损伤阈值的成因及影响。研究激光清洗过程等离子体光谱特征谱线与脉冲次数之间的关系,提出基于O/Al特征谱线强度比值作为在线检测清洗效果及二次氧化损伤的评判依据。为验证该评判依据的准确性,将O/Al特征谱线强度比值随清洗次数的变化趋势与X射线能谱测试获得的氧元素原子百分比变化趋势进行对比。实验结果表明：采用200～700 nm范围内激光诱导等离子体谱线特征分析激光清洗状态,可以剔除空气环境的影响;氧元素和铝元素特征谱线准确反映出表面氧化膜与铝合金基体的成分差异;X射线能谱检测元素成分和含量表明氧元素含量随着激光清洗能量密度先减后增,单次清洗铝合金的二次氧化损伤的激光能量阈值为11.46 J·cm-2,小于损伤阈值的激光能量密度对铝合金基体的多次清洗未造成损伤,等离子体光谱特征谱线强度与表面清洗状态相关,656.5 nm(O Ⅱ)/396.2 nm(Al Ⅰ)谱线强度比值≤1.5%为激光清洗干净的依据。研究结果有利于铝合金的激光清洗实时控制技术和焊接装置集成化。