玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)界面脫粘缺陷的超聲檢測

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(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)界面脫粘缺陷的超聲檢測

楊紅澤，楚瓏晟

(西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031)

針對(duì)動(dòng)車車窗界面脫粘問題，采用脈沖回波法探索了玻璃-聚氨酯-玻璃3種界面的多層結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的波形特征。結(jié)果表明：基于脈沖回波的波峰位置和峰值衰減情況可以判斷缺陷的位置，粘接良好時(shí)48 mm和52 mm位置有明顯突起的波峰；一界面脫粘時(shí)有大量間隔8 mm的波峰且峰值較高，二界面脫粘時(shí)有少量間隔8 mm的波峰且峰值較低；在合理選取判斷基準(zhǔn)的前提下，可以通過測長法和當(dāng)量法對(duì)界面脫粘缺陷進(jìn)行定量分析。

超聲檢測；界面脫粘缺陷；二界面回波；波峰

動(dòng)車車窗的膠接部分具有玻璃-聚氨酯-玻璃3層結(jié)構(gòu)，受環(huán)境和工藝的影響，其在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)缺膠、粘接面污染、不完全固化和部分粘接等缺陷；在服役過程中會(huì)出現(xiàn)老化、裂紋、粘附破壞和內(nèi)聚破壞等問題，從而破壞粘接結(jié)構(gòu)的完整性[1]。膠接結(jié)構(gòu)中，界面脫粘缺陷的隱患最大，在外力作用和使用環(huán)境的影響下，可能出現(xiàn)力學(xué)性能劣化導(dǎo)致整體失效而引發(fā)的安全問題[2]，因此對(duì)動(dòng)車車窗膠接部分的界面脫粘缺陷進(jìn)行檢測就顯得十分必要。

對(duì)于玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的粘接缺陷，超聲檢測是一種有效的無損檢測手段[3]。目前，用于多層粘接結(jié)構(gòu)的超聲檢測方法主要包括脈沖回波法、板波誘發(fā)法、聚焦探頭雙模式檢測法及漏隙Lamb波法等[1]，其中脈沖回波法最為有效。在非線性超聲檢測時(shí)，主要通過二次諧波信號(hào)與反射基波信號(hào)的平方比值和界面粘接質(zhì)量之間的關(guān)系來評(píng)價(jià)粘接質(zhì)量[4]。多層結(jié)構(gòu)界面脫粘缺陷的定位研究[5-6]主要集中于復(fù)合材料[7-10]、多層金屬殼體[11-12]、金屬-橡膠[13]粘接結(jié)構(gòu)件等層數(shù)多但厚度小和衰減小的殼體結(jié)構(gòu)[14-18]，對(duì)于厚度大、衰減大的玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究則較少見。異種材料多層結(jié)構(gòu)[19]中聲速差異導(dǎo)致波形圖變化的規(guī)律也未見報(bào)道，界面脫粘缺陷的定量問題尚處于研究階段[20-23]。筆者將使用脈沖回波法分析玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的界面脫粘缺陷的定位和定量檢測。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)動(dòng)車車窗的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)了玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的試樣(見圖1)，試樣規(guī)格(長×寬×高)為(200 mm×30 mm×18 mm)，最上層和最下層為玻璃，陰影為聚氨酯粘接劑[24]，黑色區(qū)域?yàn)榭刂颇z層厚度的橡膠墊塊，灰色區(qū)域?yàn)槊撜巢糠帧Ｓ捎谙鹉z墊塊附近的空膠現(xiàn)象，將虛框區(qū)域作為檢測區(qū)，其中設(shè)置了粘接良好、一界面脫粘、二界面脫粘3種膠接狀態(tài)，脫粘間隙大于0.1 mm。

圖1 玻璃-聚氨酯-玻璃試樣結(jié)構(gòu)示意

表1為玻璃和聚氨酯的聲學(xué)和力學(xué)特性參數(shù)。在同一檢測條件下，兩種材料所反饋的波形特征受聲阻抗和延伸率的影響明顯不同，并且由于縱波聲速差異較大，波形位置也有一定的變化，故檢測參數(shù)必須足夠合理才能觀察到各界面回波。

表1 玻璃和聚氨酯的聲學(xué)和力學(xué)特性參數(shù)

使用漢威HS620超聲波探傷儀，以機(jī)油作為耦合劑，采用脈沖回波法對(duì)試樣進(jìn)行檢測。檢測采取直探頭單側(cè)掃查的方式進(jìn)行，保持探頭壓力[25]一致的同時(shí)記錄穩(wěn)定后的檢測波形。通過對(duì)比，總結(jié)出合理的檢測參數(shù)為波速5 892 m·s-1，波形觀察范圍100 mm，增益 42 dB，探頭型號(hào)2.5P10，補(bǔ)償為0.5 dB。選取玻璃的聲速作為檢測聲速來簡化分析計(jì)算的過程；較大的增益和觀察范圍能保證波形的可識(shí)別度和精度；2.5 P 10型直探頭是常用探頭中唯一能夠準(zhǔn)確檢測圖1所示試樣的探頭。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1界面脫粘缺陷的定位

在試樣的粘接良好、一界面脫粘、二界面脫粘3種粘接狀態(tài)的位置分別得到3種不同的典型波形(見圖2)。

圖2 試樣的3種膠接狀態(tài)的典型波形

如圖2(a)所示，0～48 mm之間有多次一界面回波，其中最初幾次的波峰超出屏幕范圍；二界面回波(閘門位置)在48 mm處，三界面回波在52 mm位置處，與其實(shí)際深度14 mm和18 mm不符。這是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)以玻璃聲速5 892 m·s-1作為檢測聲速，遠(yuǎn)大于聚氨酯層的聲速1 333 m·s-1，而超聲波探傷儀只以檢測聲速進(jìn)行波峰定位，導(dǎo)致一界面回波定位準(zhǔn)確，聚氨酯層后的二、三界面回波全部向后偏移，偏移量為

式中：x偏移為偏移量;v玻璃為玻璃聲速；d聚氨脂為聚氨脂厚度。

將玻璃、聚氨酯厚度設(shè)為s1，s2，衰減系數(shù)設(shè)為α1，α2；界面的透射率和反射率設(shè)為T和R(T+R=1)。當(dāng)入射波的聲強(qiáng)為I0，一界面的一次回波聲強(qiáng)為：

二界面的一次回波聲強(qiáng)為：

三界面的一次回波聲強(qiáng)為：

I0，s為定值，R≈T。測得α1=0.05 dB·mm-1，α2=2.26 dB·mm-1，α2?α1，在指數(shù)的作用下使得I2-1?I1-1，I3-1?I1-1，因此當(dāng)二、三界面回波峰值達(dá)到可識(shí)別計(jì)算的程度時(shí)，一界面最初的幾次回波已超出屏幕顯示范圍?？v波在介質(zhì)中傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致，材料的粘滯性造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，使一部分聲能轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)能。同時(shí)，介質(zhì)的熱傳導(dǎo)、稠密與稀疏部分進(jìn)行熱交換、分子弛豫，造成聲能吸收損耗。這些都是聚氨酯材料對(duì)超聲波衰減大的原因。

理論上，一界面脫粘時(shí)，R1=1，超聲波不進(jìn)入聚氨酯層，只會(huì)在玻璃層的上下界面來回反射，從而產(chǎn)生多次一界面回波，回波波峰應(yīng)當(dāng)每隔4 mm出現(xiàn)一次；根據(jù)上述公式，一界面的i次回波聲強(qiáng)為I1-i=I0exp(-4iα1s1)，那么i+1次回波與i次回波的比值為I1-i+1/I1-i=exp(-4α1s1)，其是一個(gè)定值，回波峰值應(yīng)呈指數(shù)規(guī)律衰減，而實(shí)際檢測波形結(jié)果并沒有出現(xiàn)這樣的規(guī)律。如圖2(b)所示，波峰每隔8 mm出現(xiàn)一次(峰值分別為98.0%，89.6%，64.8%，56.1%，53.3%,…)，峰值比也不是一個(gè)定值，分別為0.91，0.72，0.87，0.95，在每一次波峰之間均有一處波高低于兩側(cè)波峰的小波峰。超聲探頭的近場區(qū)[26]公式為

式中：N為近場區(qū)長度；D為探頭直徑；λ為超聲波長。

計(jì)算得近場區(qū)長度N約為10 mm，遠(yuǎn)大于一界面深度。超聲波在近場區(qū)內(nèi)聲壓起伏較大，由于聲波的干涉效應(yīng)，時(shí)而相互疊加出現(xiàn)波峰，時(shí)而相互疊加出現(xiàn)波谷，因此檢測結(jié)果出現(xiàn)圖2(b)中的特征。

圖2(c)所示的二界面脫粘的波形圖中，只有少量峰值較低的一界面回波，沒有出現(xiàn)理論上應(yīng)該存在的二界面回波，這是因?yàn)榫郯滨拥慕缑婷撜橙毕莶皇枪饣秸摹＿M(jìn)一步使用掃描電鏡分析，聚氨酯界面的SEM形貌如圖3所示，粘接良好的聚氨酯界面除去少量雜質(zhì)(白色亮點(diǎn))、凹坑(黑色區(qū)域)和輕微褶皺(白色細(xì)線)外，基本是平整光滑的；脫粘處的聚氨酯界面不僅凹凸不平，而且存在大量由于撕裂、剪切、剝離等力學(xué)行為導(dǎo)致的大顆粒聚氨酯殘留物。因此，超聲波在缺陷處的漫反射使本就微弱的回波信號(hào)淹沒在雜波當(dāng)中，從而無法觀測，同時(shí)聚氨酯層消耗近半聲能，因此一界面回波數(shù)量少、峰值低。

圖3 聚氨酯界面的SEM形貌

綜合比較3種膠接狀態(tài)的典型波形，利用波形特點(diǎn)可以判斷玻璃-聚氨酯-玻璃多層結(jié)構(gòu)的粘接情況，并確定界面脫粘的位置。粘接良好時(shí)，48 mm和52 mm位置有明顯突起的波峰；一界面脫粘時(shí)，有大量間隔8 mm的波峰，且峰值較高；二界面脫粘時(shí)，有少量間隔8 mm的波峰，且峰值較低。

2.2界面脫粘缺陷的定量檢測

依據(jù)檢測波形判斷界面脫粘位置后，量化缺陷面積對(duì)于判斷結(jié)構(gòu)的安全隱患十分必要。在金屬焊縫和超薄復(fù)合材料的定量超聲檢測中，測長法、底波峰值法和當(dāng)量法最為常用。由于玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)一界面深度太小，回波峰值的精度受到探頭近場區(qū)聲壓起伏和聲波干涉的影響，在使用這些方法計(jì)算和比較時(shí)，需要在合理的參數(shù)設(shè)定條件下稍作變化，其中測長法和當(dāng)量法對(duì)玻璃-聚氨酯-玻璃結(jié)構(gòu)的界面脫粘缺陷進(jìn)行定量分析最有效。

2.2.1 測長法

對(duì)于缺陷大于波束截面的情況，可以用測長法測量脫粘缺陷面積。試驗(yàn)采用半峰值法，將二界面回波峰值作為“基準(zhǔn)”，沿脫粘缺陷長度方向移動(dòng)探頭，以降低的dB值判定長度。半峰值法測長原理如圖4所示，當(dāng)二界面回波峰值達(dá)到80%時(shí)為粘接良好；二界面回波峰值為一半時(shí)(40%)即確定脫粘缺陷的邊界，缺陷多為連續(xù)片狀。重復(fù)操作便能判定脫粘面積，合理地增加半峰值測量點(diǎn)可以提高定量精確度。

圖4 半峰值法測長原理示意

2.2.2 當(dāng)量法

由于動(dòng)車車窗尺寸的原因，缺陷面積大多小于波束截面，此時(shí)用當(dāng)量法進(jìn)行定量檢測更加準(zhǔn)確。

計(jì)算法：二界面深度大于探頭近場區(qū)，規(guī)則反射體的回波聲壓變化規(guī)律基本滿足球面波擴(kuò)散的變化規(guī)律，根據(jù)二界面回波峰值(dB值)，規(guī)則反射體的理論回波聲壓公式為

式中：a為與聲源點(diǎn)的距離；x為球面波在平面上反射后與反射面的距離；P0為探頭的起始聲壓。

從而通過計(jì)算可以確定界面脫粘缺陷面積。

曲線法：缺陷面積與二界面回波峰值密切相關(guān)，面積越大，峰值越低。據(jù)此，通過試塊預(yù)先作出“面積-峰值”當(dāng)量曲線，再由實(shí)際檢測回波對(duì)比曲線確定脫粘面積。圖5為在42 dB增益時(shí)的一界面脫粘和二界面脫粘“面積-峰值”當(dāng)量曲線，合理增加測量點(diǎn)可提高曲線精度，采用同樣的原理還可繪制“增益-缺陷尺寸-距離”曲線、“增益-面積-峰值”曲線等進(jìn)行當(dāng)量測定。

圖5 試樣在42 dB增益時(shí)的一界面和二界面脫粘“面積-峰值”當(dāng)量曲線

如圖5(b)所示，二界面回波峰值隨二界面脫粘面積的增加逐漸降低。二界面脫粘時(shí)，一界面回波峰值保持不變，二界面回波峰值隨著脫粘面積的增加而減少，因此二界面脫粘的“面積-峰值”曲線與一界面脫粘的不同。

在圖5中，隨著一界面脫粘面積(探頭面積占比)的增加，二界面峰值(屏幕縱向占比)先降低后增加，在一定范圍內(nèi)，一個(gè)峰值將對(duì)應(yīng)兩個(gè)脫粘面積。這是由于一界面不完全脫粘時(shí)，波形圖中48 mm位置處的峰值是二界面回波與一界面回波的疊加，此時(shí)一界面回波峰值的影響遠(yuǎn)大于二界面。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，利用波形特征可以確定脫粘面積，相同峰值不同面積的波形對(duì)比如圖6所示，當(dāng)48 mm處峰值均為62%時(shí)，脫粘面積大的波形更趨向于完全脫粘時(shí)的波形，反之亦然。

圖6 試樣相同峰值不同面積的波形對(duì)比

在工程應(yīng)用中，將當(dāng)量曲線輸入檢測設(shè)備中并設(shè)置報(bào)警閾值，可大大提高檢測效率。由于影響超聲探頭接收缺陷反射波的因素很多，以及動(dòng)車車窗結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，以上定量方法都存在一定程度的誤差，精度還有待進(jìn)一步提高。

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)波形特征可以對(duì)玻璃-聚氨酯-玻璃3層結(jié)構(gòu)界面脫粘缺陷進(jìn)行判斷并定位。

(2) 測長法和當(dāng)量法對(duì)界面脫粘缺陷面積進(jìn)行量化要以二界面回波作為基準(zhǔn)，檢測精度有待提高。

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UltrasonicTestingforInterfacialDebondingDefectofGlass-Polyurethane-GlassStructure

YANG Hongze, CHU Longsheng

(School of Material Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

The problem of interface debonding is a major hidden danger in operation of the vehicle. The experiment used longitudinal pulse-echo method, summarized the characteristics of three kinds of interface condition: there were obvious protruding crest at 48 mm and 52 mm when bonding well; when first-interface debond appeared, there was a large number of crest with 8 mm interval and high peak value; there was less crest with 8 mm interval and low peak when second-interface was of debond. Last, it was proven that length measurement and equivalent method as quantitative methods of interface debond defect was feasible when reasonable judgment benchmark was selected.

ultrasonic testing; interfacial debonding defect; second-interface echo; peak

2017-03-20

楊紅澤(1992-),男，碩士研究生，研究方向?yàn)槎鄬咏Y(jié)構(gòu)的無損檢測， hongze_yang@yeah.net

楚瓏晟(1974-),男，博士，副教授，研究方向?yàn)楣δ懿牧稀④壍澜煌P(guān)鍵材料，lshchu@swjtu.cn

10.11973/wsjc201711012

TB559；TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0053-05