CN102608204A

CN102608204A - 薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法

Info

Publication number: CN102608204A
Application number: CN2012100402674A
Authority: CN
Inventors: 王晓勇; 熊建平; 余天雄
Original assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Current assignee: Hubei Sanjiang Space Jiangbei Mechanical Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开一种薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法采用超声波仪器检测，首先制作对比试样，根据对比试样上的脱粘缺陷测试孔校准超声波仪器灵敏度；然后对产品进行缺陷位置测试：采用上述校准的超声波仪器对薄壁金属与非金属材料粘接质量进行检测，将超声波仪器纵波探头输出端口放置在材料制品的金属外表面，采用移动扫查方式对粘接面进行100％扫查；移动扫查时发现有仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度达到或超过起始灵敏度，探头的下方即为存在脱粘缺陷位置或存在粘接不良缺陷，仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线低于50％递减到20％或无反射波时，即为粘接质量完好。

Description

薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法

技术领域

本发明涉及一种薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，属于无损检测技术领域，具体为钢、铝、钛等薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法。

背景技术

薄壁金属材料与非金属材料粘接后形成新的复合材料，使综合性能优于原有的金属材料和非金属材料，薄壁金属与非金属材料粘接后具有比强度高、绝热性能好等特点，常规的检测技术对其粘接质量检测均不具备完整的有效性，检测结果的可靠性低。

薄壁金属与非金属材料粘接的主要生产工序为金属材料加工→金属材料粘接面喷砂→非金属材料加工→粘接面清理→施加粘接剂→加压→加温或常温固化→清理→检测；产品粘接过程中，由于工艺参数及过程控制等原因将导致粘接面出现脱粘缺陷，从而降低材料及产品的性能，影响产品的使用安全性，为保障产品质量，提高产品的使用安全性，必须采用有效的检测技术手段对薄壁金属与非金属材料粘接质量进行完整有效的质量控制。

超声波检测原理是利用超声波仪和探头激发出一定频率的超声波，并将超声波传入被检测物体介质中，超声波在物体介质中传播遇异质介面时，声波将发生反射，声波在传播过程中会发生扩散和衰减；当被检测物体介质中的组织结构中存在不连续性(缺陷)时，超声波会在此处发生反射，采用超声波仪探头采集反射信号，通过对反射信号的声压变化情况进行分析，即可确定缺陷的部位、特性及尺寸等。

按照现有的声敲击比对法和超声波单脉冲检测方法对薄壁金属与非金属材料及制品进行检测，声敲击比对法没有专用的对比试样，检测时不能进行灵敏度校准，材料及制品的粘接质量完全依靠检测人员的经验进行评定，检测结果的可靠性差；超声波单脉冲检测方法，采用未粘接非金属材料的薄壁金属作为对比试样，不具备量化的人工脱粘缺陷，导致起始灵敏度校准误差大，不能准确的判断脱粘缺陷的面积，定量计算误差大，同时由于超声波单脉冲检测时为单个反射波显示，当粘接面中存在细小的气泡时也会产生声波的反射，从而误判为脱粘，检测结果的可靠性低。

发明内容

本发明针对目前使用的薄壁金属与非金属材料粘接质量检测方法存在的检测灵敏度低、定性、定量评定不准确问题，提供一种薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，提高薄壁金属与非金属材料粘接质量检测方法的检测灵敏度和缺陷定性、定量准确度，确保检测结果满足材料、制品质量控制需求。

本发明的技术方案：本发明的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法采用超声波仪器检测，具体为：

一.超声波仪器灵敏度校准：

1)对比试样加工：选取与被检制品相同的金属与非金属材料制作对比试样，对比试样的粘接工艺方法与实际制品的粘接工艺方法相同，先在非金属材料沿厚度方向加工通孔，通孔直径为φ15～φ50mm，再与金属材料进行粘接固化，上述通孔形成盲孔，对盲孔的根部进行清理后形成脱粘缺陷测试孔；

2)超声波仪器初始灵敏度校准：将超声波仪器纵波探头输出端口放置在对比试样金属材料外表面的缺陷测试孔中心处，在超声波仪器处于宽带模式、检波方式为正半波或负半波情况下，调节超声波仪器的衰减旋钮和波形调节旋钮，纵波多次脉冲反射波高在仪器示波屏水平基线0～5格处达到仪器示波屏的100％，在仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高由90％递减到40％，形成每格递减量为10％的包络线；移动探头至缺陷测试孔边缘时，在仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲各反射波包络线高度降低50％，此时所确定的检测参数即为初始灵敏度；

二.检测：

1)缺陷位置测试：采用上述校准的超声波仪器对薄壁金属与非金属材料粘接质量进行检测，将超声波仪器纵波探头输出端口放置在材料制品的金属外表面，采用移动扫查方式对粘接面进行100％扫查；移动扫查时发现有仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度达到或超过起始灵敏度即由90％递减到40％包络线时，探头的下方即为存在脱粘缺陷位置；发现仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线处于50％递减到20％与90％递减到40％之间时，探头的下方即存在粘接不良缺陷，仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线低于50％递减到20％或无反射波时，即为粘接质量完好；

2)缺陷定量：采用6dB定位测长计算法对脱粘缺陷进行定量：在脱粘缺陷位置移动探头找到脱粘区域内的最大纵波多次脉冲反射波高度包络线点，以该点为中心点向周边各方向移动探头，观察超声波仪示波屏波形显示情况，当仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线降低至中心点包络线高度的50％时即相差6dB时，探头的中心点下方即为脱粘缺陷边缘，将中心点周边各方向的脱粘缺陷边缘点连线显示的即为脱粘缺陷区域，以连线显示的脱粘缺陷区域的最大长、宽之积计算单个脱粘缺陷面积，各单个脱粘缺陷面积之合为材料制品脱粘总面积；同样的方法计算粘接不良缺陷。

所述的步骤一在非金属材料沿厚度方向加工通孔有三种，通孔直径分别为φ20±0.5mm、φ30±0.75mm、φ50±1mm。

所述的步骤二缺陷定量时，脱粘缺陷边缘点或粘接不良缺陷边缘点找6～8个。

所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤二.1)缺陷位置测试中，探头移动扫查时，相邻扫查线路探头晶片重叠半个直径。

所述的超声波仪器探头的检测频率为2.25MHz～5MHz。

所述的探头晶片尺寸为φ6～φ30mm的纵波直探头。

所述的步骤一的2)超声波仪器初始灵敏度校准时，在仪器示波屏水平基线1～10格整个屏幕的纵波脉冲个数调节为10～20个，优选10个。

本发明的优点：

本发明与现有检测方法相比，具有对比试样具备人工脱粘缺陷、可进行量化校准、起始灵敏度校准误差小、脱粘缺陷定性、定位、定量准确、检测速率高、检测成本低等优点，检测方法适用于薄壁金属与非金属材料粘接制品的大批量生产检测，极大的提高了材料制品的质量可靠性和使用安全性。改变了人工脱粘缺陷加工样式，采用纵波多次脉冲反射法进行检测，对缺陷的定量采用了6dB定位测长计算法。本发明解决了薄壁金属与非金属材料粘接质量控制难度大，产品粘接质量状况不稳定的问题。通过采用此方法对薄壁金属与非金属材料粘接质量进行检测，可以有效保障薄壁金属与非金属材料制品粘接质量，提高产品的使用安全可靠性。

附图说明

图1对比试样结构示意图。

图2是缺陷检测示意图。

图3是缺陷定量示意图。

图4仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度达到或超过起始灵敏度(由90％递减到40％包络线)、即脱粘缺陷示意图。

图5仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度为粘接不良缺陷示意图。

图6仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度为低于50％递减到20％、即为粘接质量完好示意图。

具体实施方式

本发明提供一种薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，采用超声波仪器检测，具体为：

一.超声波仪器灵敏度校准：

1)对比试样加工：选取与被检制品相同的金属与非金属材料制作对比试样，对比试样的粘接工艺方法与实际制品的粘接工艺方法相同，先在非金属材料沿厚度方向加工通孔，通孔直径为φ15～φ50mm，再与金属材料进行粘接固化，上述形成盲孔，对盲孔的根部进行清理后形成脱粘缺陷测试孔；

2)超声波仪器初始灵敏度校准：将超声波仪器纵波探头输出端口放置在对比试样金属材料外表面的缺陷测试孔中心处，在超声波仪器处于宽带模式、检波方式为正半波或负半波情况下，调节超声波仪器的衰减旋钮和波形调节旋钮，纵波多次脉冲反射波高在仪器示波屏水平基线0～5格处达到仪器示波屏的100％，在仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高由90％递减到40％，形成每格递减量为10％的包络线；移动探头至缺陷测试孔边缘时，在仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲各反射波包络线高度降低50％，此时所确定的检测参数即为初始灵敏度；超声波仪器初始灵敏度校准时，在仪器示波屏水平基线1～10格整个屏幕的纵波脉冲个数调节为10～20个为宜，优选10个。

二.检测：

1)缺陷位置测试：采用上述校准的超声波仪器对薄壁金属与非金属材料粘接质量进行检测，将超声波仪器纵波探头输出端口放置在材料制品的金属外表面，采用移动扫查方式对粘接面进行100％扫查；移动扫查时发现仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度达到或超过起始灵敏度即由90％递减到40％包络线时，探头的下方即为存在脱粘缺陷位置；发现仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线处于50％递减到20％与90％递减到40％之间时，探头的下方即存在粘接不良缺陷，仪器示波屏水平基线6～10格处的纵波多次脉冲反射波高度包络线低于50％递减到20％或无反射波时，即为粘接质量完好；

图1对比试样结构示意图：在非金属材料2上沿厚度方向加工通孔3三种，通孔直径分别为φ20±0.5mm、φ30±0.75mm、φ50±1mm。再与金属材料1进行粘接固化，上述形成盲孔，对盲孔的根部进行清理后形成脱粘缺陷测试孔；通孔的直径可根据制品的外形尺寸及质量控制要求进行调整。

图2是缺陷检测示意图：

采用校准的超声波仪器对薄壁金属1与非金属材料2粘接质量进行检测，将超声波仪器纵波探头4输出端口放置在材料制品的金属外表面，光波5与薄壁金属1表面垂直，采用移动扫查方式对粘接面进行100％扫查；移动扫查采用之字形扫查或圆周扫查等方式，6是探头移动轨迹。探头移动扫查时，相邻扫查线路探头晶片重叠半个直径。

图3是缺陷定量示意图：

在脱粘缺陷位置移动探头找到脱粘区域内的最大纵波多次脉冲反射波高度包络线点，以该点为中心点7向周边各方向移动探头，观察超声波仪器示波屏波形显示情况，找到脱粘缺陷边缘8，脱粘缺陷边缘点8找6～8个。将中心点周边各方向的脱粘缺陷边缘点连成线9，线9显示的即为脱粘缺陷区域。

超声波仪器探头的检测频率为2.25MHz～5MHz。探头晶片尺寸为φ6～φ30mm的纵波直探头。

超声波仪器探头选配需考虑以下几个方面：

(1)探头的检测频率：通常探头的检测频率应为每个探头固定频率，根据被检测薄壁金属与非金属及胶接剂的材料、状态所具有的声速、声阻抗等声衰减特性及检测精度要求确定，一般为2.25MHz～5MHz，当薄壁金属的组织结构相对粗大或检测精度较低时可选用较低检测频率，当薄壁金属的组织结构相对致密或检测精度较高时可选用较高检测频率。

实施例1：当检测某外径φ300mm、壁厚3.0mm的ZTC4铸造钛合金圆筒外壳与高硅氧模压材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于2000mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品金属材料组织结构、材料的声衰减特性及检测精度要求，则可选用探头的检测频率为2.25MHz。

实施例2：当检测某外径φ600mm、内径200mm、厚度5.0mm的ZL104铸造铝合金平板圆环与橡胶材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于800mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品金属材料组织结构、材料的声衰减特性及检测精度要求，则可选用探头的检测频率为3MHz。

实施例3：当检测某大端外径φ450mm、小端外径300mm、壁厚4.0mm的钢锻件锥筒外壳与碳纤维编织材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于400mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品金属材料组织结构、材料的声衰减特性及检测精度要求，则可选用探头的检测频率为5MHz。

(2)探头的晶片尺寸：根据被检测薄壁金属与非金属材料制品的外形尺寸和结构及检测精度确定探头的晶片尺寸，所确定的晶片尺寸在使探头与材料制品金属的外表面能良好耦合的同时，还应满足检测精度的要求，且具有较好的信噪比，在被检测制品薄壁金属为平面或曲率较小且检测精度较低时可选用大尺寸的晶片，当被检测制品薄壁金属曲率较大且检测精度较高时可选用小尺寸的晶片。

实施例1：当检测某外径φ600mm、内径200mm、厚度5.0mm的ZL104铸造铝合金平板圆环与橡胶材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于1000mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品外形尺寸、结构及检测精度要求，则可选用探头的晶片尺寸为φ30mm。

实施例2：当检测某外径φ400mm、壁厚3.0mm的ZTC4铸造钛合金圆筒外壳与高硅氧模压材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于500mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品外形尺寸、结构及检测精度要求，则可选用探头的晶片尺寸为φ14mm。

实施例3：当检测某外径φ240mm、壁厚2.0mm的钢锻件圆环与内径φ241mm陶瓷材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于300mm²的脱粘缺陷存在，按照所检制品外形尺寸、结构及检测精度要求，则可选用探头的晶片尺寸为φ6mm。

(3)对比试样盲孔的选择：根据被检测薄壁金属与非金属材料制品验收技术要求规定的检测精度确定对比试样盲孔尺寸的选用，所确定的对比试样盲孔尺寸面积应小于验收技术要求规定的允许单个脱粘缺陷面积，当同件制品不同部位的验收技术要求不同时，应按验收技术要求规定，分别选用盲孔尺寸进行起始灵敏度校准。

实施例1：当检测某外径φ240mm、壁厚2.0mm的钢锻件圆环与内径φ241mm陶瓷材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于300mm²的脱粘缺陷存在，按照验收技术要求确定的检测精度，所选用的对比试样盲孔尺寸面积应小于允许的单个脱粘缺陷面积，则可选用的对比试样盲孔尺寸为φ15mm。

实施例2：当检测某外径φ400mm、壁厚3.0mm的ZTC4铸造钛合金圆筒外壳与高硅氧模压材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于500mm²的脱粘缺陷存在，按照验收技术要求确定的检测精度，所选用的对比试样盲孔尺寸面积应小于允许的单个脱粘缺陷面积，则可选用的对比试样盲孔尺寸为φ20mm。

实施例3：当检测某外径φ600mm、内径200mm、厚度5.0mm的ZL104铸造铝合金平板圆环与橡胶材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于1000mm²的脱粘缺陷存在，按照验收技术要求确定的检测精度，所选用的对比试样盲孔尺寸面积应小于允许的单个脱粘缺陷面积，则可选用的对比试样盲孔尺寸为φ30mm。

实施例4：当检测某外径φ300mm、壁厚3.0mm的ZTC4铸造钛合金圆筒外壳与高硅氧模压材料粘接制品的粘接质量时，验收技术要求规定不得有单个面积大于2000mm²的脱粘缺陷存在，按照验收技术要求确定的检测精度，所选用的对比试样盲孔尺寸面积应小于允许的单个脱粘缺陷面积，则可选用的对比试样盲孔尺寸为φ50mm。

(4)起始灵敏度校准：在确定了探头检测频率、探头晶片尺寸及对比试样盲孔尺寸后，调节超声波仪器确定起始检测灵敏度。

例如：当检测某壁厚3.0mm、直径为φ180mm的钢圆筒外壳与碳纤维模压材料粘接制品的粘接质量时，技术文件规定制品粘接面不得有单个面积大于200mm²的脱粘缺陷，总脱粘面积不得大于粘接总面积的20％；此时的起始灵敏度校准方法为：

将选用的检测频率5MHz、晶片尺寸φ10mm的纵波直探头耦合对准对比试样上的φ15mm人工脱粘盲孔中心，在超声波仪器处于宽带模式、检波方式为正半波或负半波情况下，调节超声波仪器使纵波多次脉冲反射波高在水平基线0～5格达到仪器示波屏的100％，水平基线6～10格的纵波多次脉冲反射波高由90％递减到40％，形成递减量约为10％的包络线，移动探头至人工脱粘缺陷边缘，水平基线6～10格的纵波多次脉冲反射波包络线高度降低50％，此时的设置参数为起始灵敏度。

上述只是对本发明的实施例进行说明，而并不限定它的保护范围，本领域人员可对其进行局部改动，只要没有超出本发明的实质，都将视为对本技术方案的等同替换，因此都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，采用超声波仪器检测，具体为：

一.超声波仪器灵敏度校准：

二.检测：

2.根据权利要求1所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤一在非金属材料沿厚度方向加工通孔有三种，通孔直径分别为φ20±0.5mm、φ30±0.75mm、φ50±1mm。

3.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤二缺陷定量时，脱粘缺陷边缘点或粘接不良缺陷边缘点找6～8个。

4.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤二.1)缺陷位置测试中，探头移动扫查时，相邻扫查线路探头晶片重叠半个直径。

5.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：超声波仪器探头的检测频率为2.25MHz～5MHz。

6.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：探头晶片尺寸为φ6～φ30mm的纵波直探头。

7.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤一的2)超声波仪器初始灵敏度校准时，在仪器示波屏水平基线1～10格整个屏幕的纵波脉冲个数调节为10～30个。

8.根据权利要求1或2所述的薄壁金属与非金属材料粘接质量超声波检测方法，其特征在于：步骤一的2)超声波仪器初始灵敏度校准时，在仪器示波屏水平基线1～10格整个屏幕的纵波脉冲个数调节为10个。