CN1068891A

CN1068891A - 金属与非金属粘接的超声扫描检测方法

Info

Publication number: CN1068891A
Application number: CN 91105192
Authority: CN
Inventors: 路宏年; 韩焱; 梁溥墉; 费培端; 袁艺; 姜明
Original assignee: TAIYUAN MACHINERY COLLEGE
Current assignee: TAIYUAN MACHINERY COLLEGE
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1993-02-10

Abstract

一种金属与非金属粘接的超声扫描在线检测方法属于无损检测技术，主要用于金属与非金属粘接的粘接状态和粘接强度检测。超声横波多次扫描检测方法是利用入射到金属件内部的横波在置于金属件表面上的斜探头与金属件端面之间或置于金属件表面上发射，与接收斜探头之间的以“W”型路径的往返多次反射，实现对粘接面较大面积的超声多次扫描，由检测到的扫描回波积分值利用给出数据处理方法快速地得到扫描区的粘合面积。再由逐次检测的粘合面积获得整个粘合面的粘接状态。

Description

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及到一种金属与非金属粘接的粘接状态检测及依据粘接状态进行粘接强度分类预报的在线检测方法。

在金属与非金属粘接的粘接状态检测的各种方法中，超声检测仍然是最基本的有效方法。

下面参考图1说明现有的超声检测法。

图1是现有的两种超声检测法。一种是采用直探头11（发射，接收探头合一），将其耦合在粘接区金属件12的表面上，利用纵波检测探头下方的粘接状态。当此部位出现脱粘部位15时，如图1（a）探头发射的纵波在金属件12与脱粘部位15的空气隙界面形成全反射，于是接收到的的反射回波衰减很慢，如图1（e）所示的波形;当该部位处于粘合时，如图1（b），由于一部分纵波通过金属12与非金属13的界面进入非金属13，并为非金属13所吸收，于是接收的反射回波衰减很快，如图1（f）所示的波形。根据反射回波衰减情况可确定该部位的粘接状态。另一种是采用斜探头14耦合在金属件12的表面，斜探头14发射的纵波进入金属件12内部之后转换为横波，当探头下面的粘接区为脱粘部位15时，如图1（c）。由于横波不可能在脱粘区15的空气隙传播而在金属与空气界面上全反射后为接收探头16所接收，故接收到的回波衰减也很慢，类似图1（e）所示波形;反之当该部件粘合时，如图1（d），将有部分横波通过粘合界面进入非金属件13，使接收探头16接收到的回波衰减很快，类似图1（f）所示的波形，由于横波对脱粘界面反应十分敏感，即使金属与非金属处于良好的压合，也能可靠的检测出未粘合，故此横波检测法优越。上述两种方法，当在粘接区依次移动探头时，便可检测到粘接区的粘接状态。显然，此类检测方法，由于一次仅能检测探头下方一小块面积，而使检测速度难以适应在线大面积快速检测的要求，况且当有些粘接件或粘接的部分部位不能放置探头时，此检测法更难以实现。

本发明的目的是提供一种即使在一些粘接区域不能放置探头时，也能够在线快速检测出金属和非金属的粘接状态的超声横波多次扫描检测法;并依据粘接状态特征量对粘接强度进行分类预报提供一种贝叶斯分类判别法。

按照上述发明目的，本发明的具体解决技术方案是，斜探头产生的超声纵波进入金属后转换为横波，超声横波在金属和非金属粘接面上以“W”型传播方式对探头与金属件端面或两斜探头之间一段粘接面进行多次反射扫描，一次检测可获得横波扫描区的粘合信息，测取超声横波在粘接面上的反射扫描回波积分值，由反射扫描回波积分值的对数衰减量得到扫描区的总粘合面积。依次移动探头，便可检测到不同扫描区的粘合面积和沿探头移动方向上粘合面积的分布以及粘接状态检测结果。

粘接强度的贝叶斯分类预报方法，采用了多元统计数学上的贝叶斯分析判别法。当粘接件粘接工艺一定时，通过上述方法检测得到的粘接状态特征量进行分类预报。在对粘接状态或回波积分值特征量提取时，采用有效粘合面积或有效回波积分值的概念，即当检测点的粘合面积大于有效粘合面积或小于有效回波积分值时，取有效粘合面积或有效积分值提取粘接状态特征量。

下面结合附图详细阐述本发明。

图2是本发明的两种检测方式。

图2（a）为单探头检测方式，适合于检测板材或管材平面或曲面搭接或嵌入式粘接。纵波斜探头21通过耦合液置于金属件22的未粘接区（靠近粘接区）上表面，声波传播方向垂直于金属件22的端面。斜探头21产生的超声纵波进入金属件后转换为横波，在金属件22的上、下表面以“W”型路径向前传播到达端面后为端面所反射又以“W”型路径返回探头21，为探头21所接收，同时又为探头21所反射，于是探头21发射的声波在金属件22端面与探头21之间来回反射的过程中，实现了对粘接面上W×e的粘接区多次扫描。在扫描中，当某一部位24脱粘时，便在金属22与非金属23界面之间形成空气隙，由于横波不可能穿过空气隙进入非金属，只能在金属与空气界面上形成全反射再次进入金属件22，故探头21接收到的回波衰减仅为金属件对其衰减;当在扫描区内的另一部位26处于粘合时，则入射到粘合界面的横被一部分为界面所发射，另一部分则通过界面粘合层进入非金属材料22，并为其所吸收，这样探头21接收到的回波衰减便携带了声束扫描区粘合面积大小的信息。

图2（b）为双探头检测方式，适合于检测板材或管材的大面积粘接、局部粘接和在曲面上的粘接。它是发射探头21发射出的纵波进入金属件22转换为横波后，在发射探头21和接收探头25之间的金属件22内往返反射，从而实现了对图2（b）上W×e大小的粘接面进行多次扫描，同样接收探头25接收到的回波衰减携带了扫描区粘合面积的信息。

通过上述可知，当超声横波在粘接面上进行往返多次扫描时，探头接收到的扫描回波以其幅度的衰减而携带了粘合面积的信息。通常由于金属与非金属声阻抗相差较大，且当粘合面积较小时，单次扫描的回波衰减不大。但多次扫描的回波积分值衰减时，即使粘合面积不大，衰减也十分明显。

经理论分析和实验证明，探头接收到的回波信号其积分值的对数衰减量与声波扫描区内的粘接面积成正比。如果设检测的回波积分值为P，扫描区全部粘合时回波积分值为P₀，在扫描区全未粘合时回波积分值为P₁，Smax为扫描区的面积（W×e），则扫描区的实际粘合面积S如下式表示。

Ln[P-P₁/（P₀-P₁）]/Ln（P₀-P₁）＝S/max

P₀、P₁、可通过制作的试件测得，P由检测得到，通过上式便可求出每个扫描区内的粘合面积S。

当按图2（a）和图2（b）上箭头方向依次移动探头时，便依次可以得到不同扫描区的粘合面积，于是当整粘接面检测完毕后，就可以得到沿探头移动方向粘合面积的分布，图2（c）是当按图2（a）或图2（b）箭头方向以W步长依次检测N次时得到的粘接状态检测结果。由于扫描区的长度1可在60mm以内（或更大一些）选取，所以这种检测方法与现有的方法相比，显然具有很高的检测速度，可以方便地实现在线检测。由于它允许探头在粘接区以外的金属件表面进行耦合检测，又使得这种检测方法在工程上使用很少受到粘接结构上的限制。加之使用横波检测，即使金属与非金属紧密地贴合，也可无误地检测出未粘合，具有良好的检测可靠性。

本发明的目的之二在于提供一种金属与非金属粘接的-“粘接强度的贝叶斯（Bayes）分类判别法”，它同上述的“超声横波多次扫描检测法”配套使用，可由检测出的粘接状态适时地对粘接件的粘接强度进行分类预报。

这种预报的数理基础如下所述。

当粘接件的尺寸、材料和粘接工艺一定时，粘接的强度（指垂直上述检测探头移动方向上的拉伸强度）取决于粘合面积的大小和分布，当粘接的长度尺寸1在60mm以内时（或大些），与粘合面积在长度1上的位置无关，因此可用上述检测出的粘接状态，根据本发明提出的分类判别方法对粘接强度进行分类预报。

为此，按粘接件规定的正常粘接工艺制作一组（一般30～50个粘接件内有一定数量的非正常粘接件）粘接件，作为建立强度分类预报数学模型的样本。对这组粘接件按上述的检测方法检测它们的粘接状态，并在材料试验机上作出它们的相应拉伸粘接强度，再按要求的合格与不合格或正品、次品，废品的粘接强度限对上述样本进行分类编组。然后按多元统计数学上的“贝叶斯（Bayes）分析判别方法”建立上述样本的强度分类判别数学模型。考到非金属材料本身拉伸强度较低，当检测点粘合面积大于某一定值时，大于部分对粘接强度是没有贡献的，故在建模和判别时，测得的粘接状态的粘合面积应按有效粘合面积处理，处理之后的粘接状态称作有效粘接状态。

若设与粘接强度有关的有效粘接状态特征量为x_i，且个数为m，则每个粘接件的个体可用

X＝（x₁，x₂，…x_m）

表示。如果粘接强度按G类划分，则上述的粘接强度分类判别函数为

Y_g（X）＝1nq_g+C_og+C_1gx₁+…+C_mgx_m

g＝1，2，…，G

式中q_g为粘接件第g类的先验概率，可用样本总数除以样本中第g类样本个数代之;C_i为有效粘接状态特征量x_i的系数。

由于在按正常工艺粘接时，粘接强度的分布应服从统计规律，所以可用上述的判别函数对正常粘接的每个粘接件X＝（x₁，x₂，…，x_m）进行分类判别。

当由上式求得：

Y_g（X），g＝1，2，…，G

时，若

Y^＊ _g（X）＝max｛Y_g（X）｝

1≤g≤G

则将X判为g类。

线的导轨上自动移过1cm距离，进行下一个圆周表面的检测，移动10次后，发动机本体41的包覆层粘接一端检测完毕。而后组合探头46自动地移到另一端进行检测。对于依次检测出的1cm×3.2cm粘接区，在一台IBM-PC/XT微机光屏上显示出整个检测面的粘接状态，给出脱粘部位的位置和面积大小，如图4（c）所示。

上述的检测过程由一台IBM-PC/XT微机实施控制、管理、操作人员仅负责在检测台架上装卸被检测的火箭发动机，包括辅助时间在内，单发发动机检测时间不大于15分钟。

综上所述，本发明与现有的金属与非金属粘接检测技术相比，具有如下的优点：

1.检测速度高，且有较高的脱粘检测分辩力，故可使超声检测直接用于粘接件的在线检测，脱粘检测的分辩力不大于扫描区面积的十分之一。

2.对粘接结构适应性强，由于探头即可置于粘接区，也可置于非粘接区的金属件表面，故可以用于多种结构粘接的检测;

3.根据检测出的粘接状态可以适时地对粘接强度作出分类预报，且误报率足以满足工程上检测的要求。

4.本发明提出的“超声横波多次扫描检测方法”也可用于检测声阻抗相差较大的两种非金属材料粘接的粘接状态，“粘接强度的贝叶斯（Bayes）分类预报方法也可用于金属与金属粘接的强度分类预报。

附图简单说明：

图1是现有超声波检测法。

（a）是直探头纵波检测金属与非金属有脱粘部时的状态。

（b）是直探头纵波检测金属与非金属未脱粘部时的状态。

（c）是斜探头横波检测金属与非金属有脱粘部时的状态。

（d）是斜探头横波检测金属与非金属末脱粘部时的状态。

（e）是检测金属与非金属有脱粘部后的波形图。

（f）是检测金属与非金属未脱粘部后的波形图。

图2是本发明的两种检测方式

（a）是单探头置于粘接区以外检测金属与非金属有脱粘部和未脱粘部时的检测状态。

先作积分处理，再将积分值数字化送入310的IBM-PC/XT进行数据处理，完成筒底上一点的粘接面积检测。然后在微机的控制下，装在检测工作台内的步进电机303驱动探头306自动脱开与筒底的接触，药筒301在工作台回转盘305上自动转过9°（相当药筒周长的四十分之一，为10mm），同时自动地完成给探头306加耦合液的动作。此后探头306又返回与筒底下一个检测点耦合，并完成这一点粘接面积的检测。上述过程循环四十次，药筒301的粘接状态检测即告完毕。工作台上定位杆304自动复位，锁住工作台的回转盘305，并切断步进电机控制电源309的供电。

与此同时，在310的光屏上显示出沿筒底圆周上的粘接状态，如图3（c）所示，图上黑色区域的某点径向长度表示药筒圆周上该测点的粘合面积大小，如图上S_k即为第k个测点检测出的粘合面积。显示粘接状态的同时，在光屏上指示出粘接强度分类预报是采用本发明的”粘接强度的贝叶斯（Bayas）分类判别法”作出的。它的有效粘接状态是以有效粘合面积为扫描区面积的0.15给出。

实施例二

图4（a）上被检测的粘接件。是在钢质的火箭发动机41内壁粘有类似软橡胶的包覆层42，要求在线检测包覆层42与发动机41内壁的粘接状态，检测范围为包覆层两端各10cm区间。检测脱粘的分辩力不大于1cm²，检测脱粘部位的位置偏差在1cm（轴向）×3.5cm（周向）范围之内，不能出现将贴合误检为粘合的现象。单发检测时间不能大于15分钟。

该粘接件的粘接状态检测虽可利用现有的技术，但无法满足15分钟检测要求。它的检测使用了本发明的“超声横波多次扫描检测方法的双探头工作方式，如图4（b）所示。使用的探头为专用组合探头46，它由发射斜探头43和接收斜探头47以及两探头之间的声吸收材料45构成，探头在粘接面上的扫描区为1cm（轴向）×3.2cm（周向，对应的角度为30°）。发射与接收斜探头晶片尺寸为8×12，频率为1.25MHz，发射斜探头纵波入射角为36°14′。

检测时，组合探头46与火箭发动机本体41处于图4（b）的位置，耦合水导管44向发动机本体41和组合探头46之间的耦合空隙供耦合水。该位置检测完后，检测托架使发动机本体41绕其轴线自动转过30°，进入下一个位置的检测。经12次检测，发动机41转过360°，然后组合探头46在平行发动机轴

在判别模型建立之后，上述的粘接强度分类预报可在粘接状态检测完毕之后，由微机适时完成。

下面介绍本发明的实施例。

实施例一

图3（a）被检测的粘接件是一种半可燃药筒，它由钢质的筒底31和硝化棉为主体材料的可燃筒体32以及塑料闭气环33三部分构成。塑料闭气环33注塑到筒底31上，而筒体32与筒底31的联接则是采用胶粘（图上件号34所指粗黑线为粘接层），粘接强度（抗药筒轴向拉伸力的大小）要求不小于某一限定值。

检测的要求是：

1.按粘接强度限值对药筒的粘接作出合格与不合格的适时分类预报，对正常粘接的药筒误报率不大于2%，其中不允许出现将不合格判为合格的误报;

2.每发药筒检测完后给出沿筒底园周上粘接面积的分布;

3.一发药筒的检测时间（包括辅助工作时间）不大于3分钟。

该粘接件粘接结构较为复杂，不但金属件筒底31的粘接面为两段不同直径园柱面构成，并在根部有一段曲面，而且金属件31部分外表面开有多个沟槽，且为塑料闭气环所履盖，它的下方又有粘接面，显然现有的超声检测方法是无法检测它的粘接状态的。它的粘接状态检测采用了本发明的“超声横波多次扫描检测法”，为单探头工作方式，探头35耦合在靠近筒底31底缘的侧面，发射的纵波以36°14′入射到筒底31底缘的侧面，进入金属后转换为横波，在筒底侧面金属内以“W”型路径向右端面传播，并为右端面所反射，从而实现了对粘接面的多次扫描。如图3（a），探头35的晶片尺寸为12×8，频率为1.25MHz，采用变压器油作耦合液。一次耦合在粘接面上扫描区的宽度（园周方向）为10mm，长度为粘接面轴向长度40mm。

图3（b）是检测系统框图。检测系统由上述的超声探头306，超声探伤仪307，步进电机303驱动的检测工作台302，含积分器的数字采样器308和带控制卡的IBM-PC/XT微机310等部分构成。

当探头306与药筒筒底侧面处于耦合状态时，在超声探伤仪307驱动下，发射的纵波进入钢质筒底变成横波，对药筒的粘接面进行多次扫描，携带着粘接信息的超声回波为探头306所接收，通过超声探伤仪307进入数字采样器308，

（b）是双探头在粘接区检测金属与非金属有脱粘部和未脱粘部时的检测状态。

（c）是单探头、双探头检测后的粘接状态面积分布图。

图3是本发明单探头超声横波多次扫描检测半可燃药筒的粘接状态和粘接强度。

（a）为检测半可燃药筒的粘接状态图。

（b）为检测半可燃药筒粘接的系统框图。

（c）为半可燃药筒粘接状态检测结果在微机屏幕上的显示图。

其中311黑色区为粘合，312白色区为脱粘，313为零粘合线，314为粘接强度分类预报。

图4是组合探头超声横波多次扫描检测火箭发动机内的包覆层。

（a）是火箭发动机的结构图。

（b）是组合探头检测火箭发动机包覆层的示意图。

（c）是火箭发动机包覆层粘接状态检测结果的光屏显示图。

其中黑色区为粘合，白色区为脱粘。

Claims

1、一种金属与非金属粘接的超声扫描在线检测方法，采用超声横波在粘接面上多次反射，根据粘接状态不同而造成的反射回波信号衰减不同，来检测金属与非金属的粘接状态，其特征是：横波在金属与非金属粘接面上以“W”型传播方式对探头与金属件端面或两斜探头之间一段粘接面进行多次反射扫描，一次检测可以得到整个横波扫描区的粘合信息。

2、根据权利要求1所述的在线检测方法，其特征是：测取超声横波在粘接面上的反射扫描回波积分值，由反射扫描回波积分值的对数衰减量得到扫描区的总粘合面积。

3、根据权利要求1、2所述的在线检测方法，其特征是：依次移动探头，便可检测到不同扫描区的粘合面积和沿探头移动方向上粘合面积的分布以及粘接状态检测结果。

4、根据权利要求1所述的在线检测方法，其特征是：探头可置于粘接区以外对粘接区进行粘接状态检测。

5、粘接强度的贝叶斯分类预报方法，采用了多元统计数学上的贝叶斯分析判别法，其特征是：通过检测得到的粘接状态特征量进行分类预报。

6、根据权利要求5所述的粘接强度的贝叶斯分类预报方法，其特征是：在对粘接状态（或回波积分值）特征量提取时，采用了有效粘合面积或有效回波积分值的概念，当检测点的粘合面积大于有效粘合面积或小于有效回波积分值时，取有效粘合面积或有效回波积分值提取粘接状态特征量。

7、根据权利要求5所述的粘接强度的贝叶斯分类预报方法，其特征是：可用于金属与金属粘接，两种声阻相差较大的非金属与非金属粘接的粘接强度分类预报。