CN102087203A - 粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粘接结构界面粘接应力的超声波测量方法，属于无损检测技术领域。本发明利用粘接界面的反射回波确定反射系数，利用反射系数和谐振频率共同确定粘接结构处于理想粘接区的界面粘接应力。通过粘接界面的多次反射回波的特点，选取谐振频率。利用该谐振频率作为检测先进钢材-粘接剂-先进钢材的中心频率。在该谐振频率下，粘接界面随着刚度的变化超声波回波信号不断的发生变化，充分利用界面的反射回波得出反射系数，进而求得界面的粘接应力。本发明解决了界面粘接应力大小无法快速、准确及在役测量的现状。

Description

粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，具体涉及一种粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法。

背景技术

粘接结构是适应航空航天、军工等高科技领域的需要而发展起来的。常用作受力结构件或隔热作用，已成为火箭、卫星及航天飞机的关键性材料。然而由于粘接结构界面粘接质量的优劣不同或粘接缺陷的存在，使得这些部件的稳定性和安全性受到了极大的威胁。如果对缺陷的危害性进行准确的识别和判断，就可以很大程度的避免灾害的发生。因此，研究解决这种粘接界面质量的检测和识别问题显得尤为重要。

粘接结构在机械领域的使用也逐渐增多，常规钢材在历史上一直是用于制造车辆结构的关键材料。为了能满足人们对车辆安全性更高、噪声更小的需求，设计中通常采用重型钢结构部件，以符合抗冲撞性及耐久性标准。结果造成车辆重量加大，而且也使燃料的使用效率降低。重型钢结构部件通常采用铆接和焊接技术，进一步加大了车辆的重量。为了解决上述问题，众多公司利用先进的钢材进行粘接，解决了铆接和焊接所产生的应力集中、燃料的使用效率降低等问题。可见，粘接结构的健康状况的好坏直接影响这些结构的耐久性和整体安全性。在服役期间，由于承受不同类型的荷载、材料特性及环境条件的影响等原因，使粘接界面的强度下降，造成粘接界面的粘接应力下降，从而使粘接结构处于不良的工作状态甚至导致整个结构的破坏。因此，对粘接结构界面粘接应力的大小测量显得十分重要。

目前利用超声波检测粘接结构的研究已取得了一定进展，证实了超声波用于界面刚度系数测量的可行性及发展潜力。但目前所有的研究成果中全部是粘接界面刚度系数的测量，很少部分机构研究了粘接结构界面粘接应力的测量。廉国选等学者在2005年发表的文章“单层与衬底胶接结构超声反射波谱的低频特征”、Paul等学者在2007年J.Acoust.Soc.Am发表的文章“Reconstructing the adhesion stiffness distribution in a laminated elastic plate：Exact and approximate inverse scattering solutions”及安志武等学者在2009年应用声学发表的文章“等厚铝板粘接件超声反射频谱的低频特征”等发表的文章中对界面刚度系数进行了测量。

这些已发表或公开的研究成果并为充分利用粘接界面的粘接应力进行测量，没有对界面多次反射回波所引起的谐振频率进行优化选取。本发明的目的就是通过选择不同频段的谐振频率和粘接界面反射回波的反射系数变化较敏感的特点，对粘接结构界面的粘接应力进行精确测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决先进钢材界面粘接界面应力的大小无法准确和在役测量的现状，对先进钢材的粘接健康状况和界面粘接应力进行评估，提出一种粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法。

本发明的技术方案具体包括以下步骤：

步骤1)：确定检测粘接界面的谐振频率

利用波动方程得到粘接结构中波传播时的位移表达式①和应力表达式②，然后根据粘接界面连续的连接条件表达式③得到反射系数的表达式④，如下：

(a)粘接界面的位移和应力表达式：

$u=\left\{\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)={\mathrm{Ie}}^{i(k_{1}x-\mathrm{\ωt})}+A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\ωt})}}\\ u^{\left(2\right)}=A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.$ ①

$\mathrm{\σ}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}=i({\mathrm{\λ}}_1+{2\mathrm{\μ}}_1)\·k_1[{\mathrm{Ie}}^{i(k_{1}x-\mathrm{\ωt})}-A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\ωt})}]\\ {\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}=i({\mathrm{\λ}}_2+{2\mathrm{\μ}}_2)\·k_2\·A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.$ ②

(b)粘接界面的连接条件表达式：

$\left.\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)}=u^{\left(2\right)}\\ {\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}={\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}\end{array}\right\}$ ③

(c)通过上述方程得到界面一次反射回波的反射系数表达式：

$R_1=\frac{z_{2L}-z_{1L}}{z_{1L}+z_{2L}}$ ④

其中，I、A_R和A_T为幅值；

f为频率；μ₁、μ₂、λ₁和λ₂分别为固体和粘接层处的Lame常数；z_1L＝ρ₁c_1L、z_2L＝ρ₂c_2L，z_1L和z_2L分别为固体和粘接层的阻抗，ρ₁和ρ₂为固体和粘接层的密度，c_1L和c_2L分别为固体和粘接层的纵波波速；R₁为反射系数；u⁽¹⁾和u⁽²⁾分别为固体和粘接层中波传播的位移；

和

为固体和粘接层中波传播的应力；粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数表达式⑥：

${\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}={\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}=K_N(u^{\left(1\right)}-u^{\left(2\right)})$ ⑤

$R_2=\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{2L}{z}_{1L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{2L}{z}_{1L}/K_N}$ ⑥

粘接界面存在多次反射回波时，粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数的表达式⑦：

$\left|R_3\right|=\left|\frac{\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{-{2\mathrm{ik}}_{2}d}}{1+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{{-2\mathrm{ik}}_{2}d}}\right|$ ⑦

其中，K_N为粘接界面的法向刚度系数；R₂和R₃分别为粘接界面一次和多次的反射系数；d为粘接层厚度；k₂为波数；

对表达式⑦求极小值，从而得到表达式⑧：

$\mathrm{fd}=\frac{c_{2L}(2n-1)}{4}\×{10}^3$ ⑧

其中，n为谐振频率的阶数，为大于等于1的自然数，当n选定后，谐振频率与粘接层厚度的乘积为常数，d为粘接层厚度，单位为毫米；通过粘接层介质的纵波波速带入表达式⑧中可以确定粘接界面刚度检测的谐振频率；

步骤2)：粘接界面粘接应力的测定

通过大量实验，确定粘接界面应力的计算公式为：

σ＝(1-|R₁|-|R₁|²+|R₁|³)(1-|R₁|)σ₀      ⑨

其中，σ₀＝A_maxK_N，A_max为脉冲信号位移幅值，K_N为粘接界面的法向刚度系数；它们分别利用下面的关系得出：

其中实际检测的脉冲信号的电压幅值与脉冲信号位移幅值A_max的转化关系为：1mV＝6nm，即实际检测的脉冲信号的电压幅值乘以6nm就可得出位移幅值A_max，理论上的K_N值通过表达式④等于表达式⑥可以得出；

步骤3)：由函数发生器(4)产生一个中心频率可调的高斯脉冲波，激励频率为步骤1)得到的谐振频率；

步骤4)：激励信号经功率放大器(3)进行功率放大后，传入自激励自接收传感器(2)；

步骤5)：自激励自接收传感器(2)高斯脉冲波信号传入粘接结构(1)中不断的传播，并使其在粘接结构(1)中多次的反射；

步骤6)：自激励自接收传感器(2)接收高斯脉冲波在粘接结构(1)中多次反射后的信号，在示波器(5)上显示，并存储到计算机(6)中；

步骤7)：利用一维小波包分析方法对接收到的时域信号进行消噪处理，分析高斯脉冲回波在粘接固体界面的回波，分别将反射系数、脉冲信号位移幅值A_max、刚度系数K_N(带入表达式⑨中，从而得出粘接界面的粘接应力。

本发明具有以下优点：1)可以对粘接结构界面应力的大小进行快速和有效的测量；2)只需在粘接结构中安装传感器，即可对粘接结构的界面粘接应力进行检测，检测方便，劳动强度低。

附图说明

图1是检测装置原理图；

图2是粘接结构中传感器激励的信号；

图3是波在粘接层处多次反射时的变化图；

图4是激励频率为5.5MHz时的粘接结构中，自激励自接收传感器接收到的波形；

图中：1-粘接结构，2-自激励自接收传感器，3-功率放大器，4-函数发生器，5-示波器，6-计算机，A，B，C，D，E，F，G，H-信号幅值。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的内容做进一步的详细说明：

本发明所采用的装置参见图1，包括：先进钢材-粘接剂-先进钢材粘结结构1、自激励自接收传感器2、功率放大器3、函数发生器4、示波器5和计算机6。其中，在粘接结构1上安装传感器2，传感器2与功率放大器3相连，功率放大器3与函数发生器4相连，函数发生器4与示波器5相连，示波器5与计算机6相连。

本发明利用超声波对粘接结构的界面粘接应力进行测量，步骤如下：

1)本实例中以钢-环氧树脂-钢构成的粘接结构为基础，密度为ρ₁＝7800kg/m³，纵波波速为c_1L＝5850m/s，横波波速为c_1T＝3230m/s，环氧树脂密度为ρ₂＝1300kg/m³，纵波波速为c_2L＝2800m/s，横波波速为c_2T＝1100m/s，阻抗为z_1L＝ρ₁c_1L、z_1T＝ρ₁c_1T、z_2L＝ρ₂c_2L和z_2T＝ρ₂c_2T，钢板为5mm，利用表达式④和表达式⑥相等进行数值计算，给出理想粘接区界面刚度系数的取值为：3×10¹⁵N/m³。

利用表达式⑧选取谐振频率，设粘接层的厚度为单位1，n＝4，可以得到粘接结构的检测谐振频率为5.5MHz。

2)由函数发生器4产生高斯脉冲波，选择的频率为5.5MHz，其中时域波形为图2所示。

3)激励信号经过功率放大器放大，通过自激励自接收传感器2在粘接结构1中激励频率为5.5MHz的高斯脉冲波；

4)频率为5.5MHz的高斯脉冲波在粘接结构中接收到的波形见图4所示；

5)分析图4中的信号，通过数字滤波等技术，对信号进行处理，得出粘接界面处的反射系数，图4中信号幅值B与信号幅值C的比值为：实际脉冲电压最大幅值为31.2mv，将反射系数、刚度系数、位移幅值代入，表达式⑨中得出界面的粘接应力为：224.64MPa。与实际本实验的钢材应力为235MPa，界面的粘接应力接近与母材的应力，满足检测的强度要求。

以上是本发明的一个具体实施例，本发明的实施不限于此。

Claims (1)

1.粘接结构中界面粘接应力的超声波测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)：确定检测粘接界面的谐振频率

利用波动方程得到粘接结构中波传播时的位移表达式①和应力表达式②，然后根据粘接界面连续的连接条件表达式③得到反射系数的表达式④，如下：

(a)粘接界面的位移和应力表达式：

$u=\left\{\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)={\mathrm{Ie}}^{i(k_{1}x-\mathrm{\ωt})}+A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\ωt})}}\\ u^{\left(2\right)}=A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.$ ①

$\mathrm{\σ}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}=i({\mathrm{\λ}}_1+{2\mathrm{\μ}}_1)\·k_1[{\mathrm{Ie}}^{i(k_{1}x-\mathrm{\ωt})}-A_R{e}^{-i(k_{1}x+\mathrm{\ωt})}]\\ {\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}=i({\mathrm{\λ}}_2+{2\mathrm{\μ}}_2)\·k_2\·A_T{e}^{i(k_{2}x-\mathrm{\ωt})}\end{array}\right.$ ②

(b)粘接界面的连接条件表达式：

$\left.\begin{array}{c}{u}^{\left(1\right)}=u^{\left(2\right)}\\ {\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}={\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}\end{array}\right\}$ ③

(c)通过上述方程得到界面一次反射回波的反射系数表达式：

$R_1=\frac{z_{2L}-z_{1L}}{z_{1L}+z_{2L}}$ ④

其中，I、A_R和A_T为幅值；

f为频率；μ₁、μ₂、λ₁和λ₂分别为固体和粘接层处的Lame常数；z_1L＝ρ₁c_1L、z_2L＝ρ₂c_2L，z_1L和z_2L分别为固体和粘接层的阻抗，ρ₁和ρ₂为固体和粘接层的密度，c_1L和c_2L分别为固体和粘接层的纵波波速；R₁为反射系数；u⁽¹⁾和u⁽²⁾分别为固体和粘接层中波传播的位移；

和为固体和粘接层中波传播的应力；

粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数表达式⑥：

${\mathrm{\σ}}_x^{\left(1\right)}={\mathrm{\σ}}_x^{\left(2\right)}=K_N(u^{\left(1\right)}-u^{\left(2\right)})$ ⑤

$R_2=\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{2L}{z}_{1L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{2L}{z}_{1L}/K_N}$ ⑥

粘接界面存在多次反射回波时，粘接界面利用弹簧模型的连接条件表达式⑤得到反射系数的表达式⑦：

$\left|R_3\right|=\left|\frac{\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{-{2\mathrm{ik}}_{2}d}}{1+\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)\left(\frac{z_{2L}-z_{1L}+2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}{z_{2L}+z_{1L}-2\mathrm{\π}{\mathrm{fiz}}_{1L}{z}_{2L}/K_N}\right)e^{{-2\mathrm{ik}}_{2}d}}\right|$ ⑦

其中，K_N为粘接界面的法向刚度系数；R₂和R₃分别为粘接界面一次和多次的反射系数；d为粘接层厚度；k₂为波数；

对表达式⑦求极小值，从而得到表达式⑧：

$\mathrm{fd}=\frac{c_{2L}(2n-1)}{4}\×{10}^3$ ⑧

其中，n为谐振频率的阶数，为大于等于1的自然数，当n选定后，谐振频率与粘接层厚度的乘积为常数，d为粘接层厚度，单位为毫米；通过粘接层介质的纵波波速带入表达式⑧中可以确定粘接界面刚度检测的谐振频率；

步骤2)：粘接界面粘接应力的测定

通过大量实验，确定粘接界面应力的计算公式为：

σ＝(1-|R₁|-|R₁|²+|R₁|³)(1-|R₁|)σ₀         ⑨

其中，σ₀＝A_maxK_N，A_max为脉冲信号位移幅值，K_N为粘接界面的法向刚度系数；它们分别利用下面的关系得出：

其中实际检测的脉冲信号的电压幅值与脉冲信号位移幅值A_max的转化关系为：1mv＝6nm，理论上的K_N值通过表达式④等于表达式⑥可以得出；

步骤3)：由函数发生器(4)产生一个中心频率可调的高斯脉冲波，激励频率为步骤1)得到的谐振频率；

步骤4)：激励信号经功率放大器(3)进行功率放大后，传入自激励自接收传感器(2)；

步骤5)：自激励自接收传感器(2)高斯脉冲波信号传入粘接结构(1)中不断的传播，并使其在粘接结构(1)中多次的反射；

步骤6)：自激励自接收传感器(2)接收高斯脉冲波在粘接结构(1)中多次反射后的信号，在示波器(5)上显示，并存储到计算机(6)中；

步骤7)：利用一维小波包分析方法对接收到的时域信号进行消噪处理，分析高斯脉冲回波在粘接固体界面的回波，分别将反射系数、脉冲信号位移幅值A_max、刚度系数K_N带入表达式⑨中，从而得出粘接界面的粘接应力。

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