CN105388214A - 一种粘接质量的超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种粘接质量的超声波检测方法，包括以下步骤：1)利用超声波特征扫描技术找到橡胶、粘接剂、金属件的特征波；通过超声波在指定深度范围进行超声层析成像，得到任何区域的脱粘或弱粘接的面积，计算机自动识别后分别统计；2)根据特征波成像的结果，判断粘接质量；具体的方法是：采用模拟软件计算出每一缺陷的面积和所有缺陷面积各自弹性波幅以判断各自的相对结合强度；本发明一种粘接质量的超声波检测方法，采用计算机模拟识别和控制技术，减少传统抽检方法人为的不确定因素，提高监测工艺的稳定性，从而提高粘接产品质量的可靠性,并且制定出符合航空产品的航空质量验收标准。

Description

一种粘接质量的超声波检测方法

技术领域

本发明属于无损检测领域，特别涉及一种带金属骨架的橡胶零件粘接界面的无损检测方法。

背景技术

由于对带金属骨架的橡胶零件粘接界面传统的检测手段的不完善，这类产品主要依靠抽检和破坏性检查来保证质量，致使我公司先后因粘接质量不符合要求而引起橡胶皮碗脱落、垫子起泡、石墨环脱落等重大质量问题。面对公司各类定型产品长寿命、高可靠性这一设计要求，必须有一种新的非破坏性无损检测的方法来100％对带金属骨架的橡胶零件粘接界面进行检测和控制，以确保所有产品均符合设计要求,保证所交出的每一件产品都是合格的，所以确定正确有效的无损检测方法和验收标准迫在眉际。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种粘接质量的超声波检测方法，采用计算机模拟识别和控制技术，减少传统抽检方法人为的不确定因素，提高监测工艺的稳定性，从而提高粘接产品质量的可靠性,并且制定出符合航空产品的航空质量验收标准。

本发明的技术解决方案是：一种粘接质量的超声波检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)利用超声波特征扫描技术找到橡胶、粘接剂、金属件的特征波；

通过超声波在指定深度范围进行超声层析成像，得到任何区域的脱粘或弱粘接的面积，计算机自动识别后分别统计；

2)根据特征波成像的结果，判断粘接质量；具体的方法是：

采用模拟软件计算出每一缺陷的面积和所有缺陷面积各自弹性波幅以判断各自的相对结合强度；

超声波是弹性波，橡胶和金属骨架是固体，遵循牛顿第二定律F＝ma，

当用在层状介质粘接时声学方程：

$\mathrm{\μ}=1/\mathrm{\ρ}\∫\frac{\∂P}{\∂x}dt---\left(1\right)$

平面波情况下，声压与质点速度：

μ＝aP/Z(2)

其中P和μ分别是介质中层中的声压和质点速度，Z是介质声阻抗；声压沿X方向传播，a＝1，逆X方向传播，a＝-1；

根据界面连续条件，界面两边的法向声压和法向质点，速度相等，并利用②式，可以得到各界面两边的声压和质点速度关系，转换到频域就有：

零界面(x＝0)即橡胶表面层，由法向声压连续得到：

P_i0+P_r0＝P_i1+P_r1(3)

由法向质点速度连续得到

P_i0-P_r0/Z₀＝P_i1-P_r1/Z₁(4)

一界面(x＝d₁)即橡胶与金属粘接层：

P_i1e^-jk1d1+P_r1e^jk1＝P_i2e^-jk1d1-P_r2e^jk1d1(5)

由(4)可得法向质点速度

二界面(x＝d₁+d₂)即金属骨架与橡胶粘接层：

由法向声压连续得到：

P_i2e^-jk2(d1+d2)+P_r2e^jk2(d1+d2)＝P_i3e^-jk2(d1+d2)(6)

以此类推，得出介质m层到介质n层的反射系数和透射系数：

R_mn＝Z_n-Z_m/Z_n+Z_m(7)

T_mn＝2Z_n/Z_n+Z_m(8)

其中，P_i0、P_i1分别为第一和第二界面的入射声压；P_r0、P_r1分别为第一和第二界面的反射声压；

d₁、d₂分别为第一和第二界面的厚度；k1、k2分别为第一和第二界面的波数；

超声波以橡胶层进入金属层时，脱粘程度与反射率和透射率存在线性关系，根据计算以判断脱粘、弱粘接、粘接完好，得出各种尺寸大小的缺陷，通过特征扫描层析缺陷建立超声幅值与脱粘引起强度损失比的关系。

发明的有益效果：可以实现发动机密封零件粘接质量的100％检测，提高产品的可靠性，满足长寿命、高可靠性的要求，减少了故障的发生率，保证了飞行安全。

具体实施方式

粘接质量的检测通常分为两大类：一类是脱粘缺陷的检测，另一类是粘接强度的检测。脱粘缺陷的检测又可分为空气夹层脱粘和机械贴合脱粘检测；粘接强度的检测则分为胶结层内聚强度和介质界面附着强度检测。不同于一般的材料中的缺陷检测，粘接质量的检测主要关注材料介质的界面部位，因而检测的难度更大些，一般的无损检测方法(如射线、涡流、常规等)检测比较困难，必须根据检测的特殊性研究相应的检测方法与技术。橡胶和金属粘接质量的检测必须通过对透射波的研究，找出特征波，按照特征波的变化规律，判断粘接质量。首先通过大量的理论研究和的具体检测试验过程在这些透射波中找出特征波，通过研究特征波的变化规律，确定哪种状态属于粘接良好、弱粘接、脱粘；在这一过程中粘接剂和橡胶对超声波的衰减比较相近，更加不易找到特征波和不易扑捉到特征波微小的变化规律，研究利用超声特征扫描成像技术检测金属与非金属材料粘接质量,使原来的抽检变为100％检测，确保交付产品的质量；

本发明的粘接质量的超声波检测方法原理是：

超声特征波的确定方法：本项目针对带骨架零件粘接结构的特点，通过对典型缺陷样件的检测试验，研究脱粘缺陷扫描时超声波传播特点、缺陷识别、特征选取、成像方法。

特征波方法技术充分利用超声回波中所提供的有关缺陷和材料的有用信息进行全波列采集，以波形上升时间、下降时间、脉冲周期和频谱特性等波形特征和缺陷类型、形状和大小等缺陷特征作为特征量进行信号提取和处理，处理主要是通过调整闸门的位置、宽度以及高度并通过微小差异进行成像。超声特征成像技术有数据采集、数据处理和自动做出评价的功能，利用这种检测技术可以很好的检测和评价检测对象的质量。

利用超声波特征扫描技术找到橡胶、粘接剂、金属件的特征波，由于三种材料声阻抗是有差异的，超声波的峰值幅度是一个均方根值，它的信号的上升时间、脉冲持续时间等任何时间域信号都遗传了声程材料上的阻抗特征，因此，原始的信号通过快速傅里叶变换可获得频谱信息，这样就能完成诸如峰频率，6db带宽，以及特定频带的衰减、频率偏移等频率域特征分析，根据时间域特征和频率域特征，结合橡胶-粘接剂-金属件层间的信号被调制后的特点，当完全脱粘时，出现“W”波，脱粘程度与超声波回波幅度成线性关系，把幅度百分比分厂7种颜色，每种颜色代表不同的幅度，而幅值又与粘接强度关联，利用计算机可以自动统计各种颜色的百分比，以计算失去粘接强度的百分比。根据超声波特征扫描成像的结果，结合指定的工件进行力学试验建立数据库，达到通过对成像信号的幅值特征可以比对粘接强度，通过超声波在指定深度范围进行超声层析成像，可以看到任何区域的脱粘或弱粘接的面积，计算机能自动识别后分别统计。

利用超声波特征波成像检测技术，通过对到寿命分解出的零件的检测，制定非金属材料与金属材料粘接质量验收标准；

采用模拟软件计算出每一缺陷的面积和所有缺陷面积各自弹性波幅以判断各自的相对结合强度，我们知道超声波是弹性波，橡胶和金属骨架是固体，它们之间同样遵循牛顿第二定律F＝ma，当用在层状介质粘接时声学方程可写成 平面波情况下，声压与质点速度有μ＝aP/Z--②,其中P和μ分别是介质中层中的声压和质点速度，Z是介质声阻抗。声压沿X方向传播，a＝1，逆X方向传播，a＝-1。

根据界面连续条件，界面两边的法向声压和法向质点，速度相等，并利用②式，可以得到各界面两边的声压和质点速度关系，转换到频域就有：

(1)零界面(x＝0)即橡胶表面层，由法向声压连续得到

P_i0+P_r0＝P_i1+P_r1--------③

由法向质点速度连续得到

P_i0-P_r0/Z₀＝P_i1-P_r1/Z₁-----④

(2)一界面(x＝d₁)即橡胶与金属粘接层

P_i1e^-jk1d1+P_r1e^jk1＝P_i2e^-jk1d1-P_r2e^jk1d1-----⑤

仿④可得法向质点速度

(3)同理二界面(x＝d₁+d₂)即金属骨架与橡胶粘接层

由法向声压连续得到：

P_i2e^-jk2(d1+d2)+P_r2e^jk2(d1+d2)＝P_i3e^-jk2(d1+d2)-----⑥

以此类推，可得出，介质m层到介质n层的反射系数和透射系数：

R_mn＝Z_n-Z_m/Z_n+Z_m-----⑦

T_mn＝2Z_n/Z_n+Z_m-----⑧

其中，P_i0、P_i1分别为第一和第二界面的入射声压_；P_r0、P_r1分别为第一和第二界面的反射声压；

d₁、d₂分别为第一和第二界面的厚度；k1、k2分别为第一和第二界面的波数；

超声波以橡胶层进入金属层时，脱粘程度与反射率和透射率存在线性关系，我们可以通过对比实验得出缺陷的当量，以判断脱粘、弱粘接、粘接完好，可以得出各种尺寸大小的缺陷，通过特征扫描层析缺陷建立超声幅值与脱粘引起强度损失比的关系。

通过对使用到寿命分解出的零件的检测情况，制定非金属材料与金属材料粘接质量验收标准，形成了技术标准：70-1008《带骨架零件脱粘缺陷扫描超声波检测方法》。

Claims (1)

1.一种粘接质量的超声波检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)利用超声波特征扫描技术找到橡胶、粘接剂、金属件的特征波；

通过超声波在指定深度范围进行超声层析成像，得到任何区域的脱粘或弱粘接的面积，计算机自动识别后分别统计；

2)根据特征波成像的结果，判断粘接质量；具体的方法是：

采用模拟软件计算出每一缺陷的面积和所有缺陷面积各自弹性波幅以判断各自的相对结合强度；

超声波是弹性波，橡胶和金属骨架是固体，遵循牛顿第二定律F＝ma，

当用在层状介质粘接时声学方程：

$\mathrm{\μ}=1/\mathrm{\ρ}\∫\frac{\∂P}{\∂x}dt---\left(1\right)$

平面波情况下，声压与质点速度：

μ＝aP/Z(2)

其中P和μ分别是介质中层中的声压和质点速度，Z是介质声阻抗；声压沿X方向传播，a＝1，逆X方向传播，a＝-1；

根据界面连续条件，界面两边的法向声压和法向质点，速度相等，并利用②式，可以得到各界面两边的声压和质点速度关系，转换到频域就有：

零界面(x＝0)即橡胶表面层，由法向声压连续得到：

P_i0+P_r0＝P_i1+P_r1(3)

由法向质点速度连续得到

P_i0-P_r0/Z₀＝P_i1-P_r1/Z₁(4)

一界面(x＝d₁)即橡胶与金属粘接层：

P_i1e^-jk1d1+P_r1e^jk1＝P_i2e^-jk1d1-P_r2e^jk1d1(5)

由(4)可得法向质点速度

二界面(x＝d₁+d₂)即金属骨架与橡胶粘接层：

由法向声压连续得到：

P_i2e^-jk2(d1+d2)+P_r2e^jk2(d1+d2)＝P_i3e^-jk2(d1+d2)(6)

以此类推，得出介质m层到介质n层的反射系数和透射系数：

R_mn＝Z_n-Z_m/Z_n+Z_m(7)

T_mn＝2Z_n/Z_n+Z_m(8)

其中，P_i0、P_i1分别为第一和第二界面的入射声压；P_r0、P_r1分别为第一和第二界面的反射声压；

d₁、d₂分别为第一和第二界面的厚度；k1、k2分别为第一和第二界面的波数；

超声波以橡胶层进入金属层时，脱粘程度与反射率和透射率存在线性关系，根据计算以判断脱粘、弱粘接、粘接完好，得出各种尺寸大小的缺陷，通过特征扫描层析缺陷建立超声幅值与脱粘引起强度损失比的关系。