CN109964122A - 用于通过超声对粘接的组件进行非破坏性检查的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过超声对粘接的组件(1)进行非破坏性检查的方法。方法包括两个步骤，这两个步骤包括通过被布置在粘接的组件(1)上的确定位置处的超声换能器(9)来测量粘接的组件(1)的黏合连接部(7)的厚度，以及通过被保持在所述确定位置处的同一超声换能器(9)来测量粘接的组件(1)的部件的黏合度，黏合度是通过ZGV兰姆波(13)测量的。

Description

用于通过超声对粘接的组件进行非破坏性检查的方法
技术领域
本发明涉及一种用于对非均质的(anisotrope)多层复合型介质进行非破坏性检查(nondestructive inspection，NDI)的方法，并且尤其涉及一种用于检查粘接的组件的旨在抵抗机械力的黏合连接部的黏合度的定量方法。
背景技术
在航空领域，复合材料相对于传统使用的金属材料具有许多优点。在这些复合材料的优点当中，要提到复合材料的大的刚度/质量比、良好的疲劳和腐蚀耐受性以及在使用期间对施加到该复合材料的特定载荷的良好的机械性能适应性。
因此，使用复合材料结果使得能够降低结构的重量。例如，在民用航空中，使用复合材料能够使部件的质量降低20％，同时具有相同的或甚至更高的结构刚度。这据估计节省了航空器的6％的总质量，使得较高地节省了燃料。
然而，由于复合材料的固有特性，复合材料不易于支持螺栓连接或铆钉连接并且不能够被焊接。因此，必须通过黏合来对该复合材料进行装配。必须能够定期地和可靠地通过诊断来检查这些结构，使得能够量化胶合的组件的机械性能，以满足安全标准。在这种背景下，在快速地评估通过黏合装配的结构的状态方面是有难度的；一些元件必须被部分地拆解以进入内部结构，从而使得必须在车间中将受检查的航空器固定不动。虽然存在许多种非破坏性的评估方法，但最简单的方法毫无疑问是目视检查法，现有的传统方法不能够真正量化粘接的组件的机械强度。
在没有合适的量化检查黏合质量的方法的情况下，难以(甚至是不可能)测量这些经装配的结构的黏合度，并因此难以检查、证实和保证黏合的质量和可靠性。这阻碍了粘接技术作为装配手段的通用化，并因此阻碍了在航空产业中使用由复合材料制成的结构部件的通用化。
为了克服这个缺陷，使用超声波的NDT技术已被研究了数年，例如Cho H.等人的文献：“使用零群速度兰姆波对三层的介质的厚度和粘接质量的评估”，或者Geslain A.等人的文献：“用于复杂的波数恢复的空间拉普拉斯变换及其在声学系统的衰减分析方面的应用”。这些机械波将最佳地适于检查机械强度(或粘接度)。近年来，研究尤其致力于一类超声波，即零群速度兰姆波(ZGV兰姆波)。
在具有有限的厚度的介质(例如，处于真空中的板的情况)中，如果板厚度相比于表面波的波长较大，两种表面波能够传播而不会在每个自由交界面上发生相互作用。当板的厚度具有与相同的数量级时，由于不同的分波在板的固体/真空交界面处的结合而出现了其它的波。这些板波、兰姆波是弥散的并且具有在结构的整个厚度中产生运动场的特殊性质。
术语泄漏兰姆波是指在结构中从其产生所在的位置传播的兰姆波的一种特定情况；这与零群速度(ZGV)兰姆波不同，对于该零群速度兰姆波，声能保持被限制在声产生的位置。
传统地并且以本身已知的方式，对兰姆波的传播的研究需要计算频散曲线，该频散曲线可由根据频率-厚度乘积的相速度曲线图来表示。
因此，可使用在所研究的介质中传播的泄漏兰姆波来完成对板和黏合的管组件的非破坏性检查。以本身已知的方式，对于一种给定的材料，存在ZGV兰姆波的一组谐振并且对这组谐振的检测提供了对泊松比的绝对测量值和局部测量值。也可使用这些非传播模式来表征多层结构。
发明内容
本申请提出了一种新的方法，该方法用于尤其使用泄漏兰姆波或ZGV兰姆波来对黏合部进行量化的非破坏性检查。
因此，本发明的目的在于一种用于通过超声来检查黏合的组件的非破坏性的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
-使用被置于黏合的组件上的确定位置的超声换能器来测量粘接的组件的粘接连接部的厚度，
-使用被保持在所述确定位置的同一超声换能器测量粘接的组件的部件的黏合度，黏合度是通过ZGV兰姆波测量的，
以及，换能器的至少一个发射元件被用于发射黏合连接部中的ZGV兰姆波并且被空间定位以产生周期性的空间梳，该空间梳的至少一个发射元件在每次采集过程中改变位置，并且其中换能器的其它至少一个元件被用于采集发射的ZGV兰姆波。
因此，该方法可使得对于单个换能器能够测量粘接的组件中的黏合连接部的厚度并且能够量化该黏合连接部的机械强度(黏合度)。这两个参数对于保证粘接的组件的良好设计而言是至关重要的。为此，方法提出了换能器的一种创新的用法；如果已知粘接的组件中所考虑的厚度，尤其是黏合连接部的厚度，则粘接的组件的机械强度(黏合度)可通过ZGV兰姆波被表征。然而，方法的第一步骤包括对该厚度进行精确的测量。因此，以这种方式使用换能器使得能够进行两次接续的测量而无需接触实验设备。于是，在工业环境中可快速而容易地执行检查。
根据本发明的方法可包括以下被单独采用或被彼此结合采用的特征中的一个或多个：
-方法可通过被置于粘接的组件上的确定位置处的超声换能器测量粘接的结构的不同层的厚度，
-超声换能器是多元件换能器，
-使用测量反射声飞行时间的方法来测量连接部厚度，
-在时域和空间域中进行采集，以得到频散曲线，该频散曲线用于与对黏合度的参数进行建模的仿真模型或与频散曲线的考虑到组件的厚度和机械粘接强度的量化的曲线图进行比较，这种比较对量化粘接的组件的机械强度而言是有用的，
-通过使用Bi-FFT方式或奇异值分解(SVD)方法对检测到的波进行反演来得到频散曲线，
-尤其在时域中对ZGV兰姆波进行采集，以便得到ZGV兰姆波的超声信号的B扫描型图像，
-通过对B扫描进行简单的BI-FFF或通过所谓的奇异值分解(SVD)方式得到与所记录的B扫描相关的ZGV兰姆波的频散曲线，
-由此得到的频散曲线用于与能够对黏合度的参数进行建模的仿真模型进行比较，以及
-接续地产生数个滑动梳，以接续地产生不同的ZGV模式，由此测得的每个黏合度的参数被用于对实验添加仿真并因此测量黏合连接部的黏合度。
附图说明
通过阅读作为非限制性示例的以下说明并且参照附图，本发明将被最佳地理解，并且本发明的其它特征和优点将变得更清楚，在附图中：
图1为示出了根据本发明的方法的第一步骤中的过程的图示，该过程通过使用测量声反射飞行(vol)时间的方法来实施，
图2为示出了根据本发明的方法的第二步骤中的过程的图示；
图3为使用滑动梳(un peigne glissant)的采集图，该滑动梳对得到频散曲线以观察所考虑的ZGV兰姆波模式而言是必需的。
具体实施方式
现在参照图1。图1示出了黏合的组件1的样品，所描述的方法的第一步骤使用在该样品上。黏合的组件1是由通过黏合连接部7装配在一起的第一层3和第二层5构成的组件，该第一层由第一复合材料构成，该第二层可由第二复合材料构成或者不由该第二复合材料构成。
超声设备9被安置成与黏合的组件1的样品接触。在示出的示例中，超声设备9是多元件超声11换能器9，该多元件超声换能器以接触的方式发挥作用。换能器9的固有特性(扁平的或柔性的、元件11的数量、尺寸、中心频率等)根据所考虑的粘接的组件1而可能不同，以使所涉及的物理现象的产生/检测(尤其是对发射的超声信号12的发射和采集)最优化。整个方法都是通过使用具有多个与粘接的组件1接触的元件11的单个换能器9来实施的。该换能器9被用于整个方法(两个步骤)并且在方法结束前不移动。
方法的第一步骤是使用对超声信号12的发射和采集来测量粘接的组件1的黏合连接部7的厚度。使用传统的脉冲/回波方法通过测量飞行时间来实施该第一步骤。
图1示出了该步骤。该步骤包括量取反射声飞行时间测量值t1、t2。在COSAC UT规程中详细描述了这种方式。该方式包括测量对前进/返回声路径而言所需的时间t1、t2以及了解在声波所通过的材料3、5、7中的声速，这样易于量化处于换能器9下方的材料3、5、7的厚度e1、e2。该方法适用于具有多个元件11的换能器9。
图2和图3示出了方法的第二步骤的操作。该第二步骤为使用ZGV兰姆波13来测量黏合部。ZGV兰姆波13是结构的超声谐振并且保持被限制在激励源下方。因此，这些波13的能量仅极微小地耗散并且这些波13具有较长的寿命和较强的与材料的相互作用。如上文所提到的，已经论证了如果已知黏合的组件1的不同层的特征厚度，则这些波13可使得能够测查黏合的组件1的质量。因此，必须已知黏合连接部7的厚度。由于方法中的第一步骤，该厚度是已知的。
这些波13难于发射/检测和追溯(jour)，检测这些波的唯一的方式是使用超声激光。因此，为了在粘接的组件1中产生ZGV兰姆波13，方法使用与用于实施方法中的第一步骤的换能器相同的具有多个元件11的换能器9。在对黏合连接部7的厚度进行测量之后实施方法中的第二步骤，并且在方法中的两个步骤之间换能器9未受影响或未被移动。
换能器9的元件11中的某些元件被用作为发射元件15，而其它元件11被用在接收模式下。
为了使ZGV兰姆波13的产生最优化，如图2和图3所示，换能器9的运行在发射模式下的元件15在空间上被定位成使得这些元件产生空间周期性激励(沿与粘接的组件1的材料3、5、7的不同层平行的轴线Z)。沿着Z的这种空间周期性激励被称为“空间产生梳(unpeigne spatial de génération)”。
对梳周期进行选择以对应于ZGV兰姆波13的所需的ZGV模式的波长。因此，换能器9的发射元件15具有梳形的分布在换能器9的整个表面上的空间分布。具有多个元件11的换能器9的其它元件11运行在接收模式下并且及时记录辨析出(résoudre)的信号。
对于每个元件11在时域中进行采集17，并且该采集使得能够得到在超声信号19的B扫描(B-Scan)传播模式下的图像。之后，在倒易空间(超声波长和超声频率)中进行数学变换，以得到由发射元件15发射的ZGV兰姆波13的频散曲线。优选地，使用数学SVD方式来进行变换，但也可使用简单的被称为Bi-FFT的数学方式来进行该变换。为了使得能够通过使用SVD方式来进行反演，梳必须如图5所示的进行滑动，即，发射元件15在每次采集17的过程中改变位置。用于每次发射/采集17的发射元件15被以横贯阴影线的形式示出，而接收元件11被以白色示出。
以与在第一步骤过程中相同的方式得到频散曲线：通过使用Bi-FFT或SVD数学方式来对信号13进行反演变换。为了使得能够通过使用SVD方式来进行反演，梳必须如图3所示的进行滑动，即，发射元件15在每次采集17的过程中改变位置。
之后，与仿真模型进行比较来解释ZGV兰姆模式13的频散曲线，在该仿真模型中交界面刚度(黏合度)被建模。可接续地产生数个不同的梳以接续地产生不同的ZGV模式。
交界面刚度参数被用于对实验添加仿真并因此测量这些黏合度，该黏合度包括完成的粘接的质量的特征，并且因此包括黏合连接部7的可靠性并因而包括粘接的组件1的可靠性。

Claims (6)

1.用于通过超声来检查黏合的组件(1)的非破坏性的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
-使用被置于所述黏合的组件(1)上的确定位置的超声换能器(9)来测量所述黏合的组件(1)的粘接连接部(7)的厚度，
-使用被保持在所述确定位置的同一超声换能器(9)测量所述黏合的组件(1)的部件的黏合度，所述黏合度是通过ZGV兰姆波(13)测量的，
以及，所述换能器(9)的至少一个发射元件(15)被用于发射所述粘接连接部(7)中的ZGV兰姆波并且被空间定位以产生周期性的空间梳，所述空间梳的至少一个发射元件(15)在每次采集(17)过程中改变位置，并且其中所述换能器(9)的其它至少一个元件(11)被用于采集(17)发射的ZGV兰姆波(13)。
2.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述超声换能器(9)是多元件(11)换能器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用测量反射声飞行时间的方法来测量所述粘接连接部(7)的厚度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在时域和空间域中进行所述采集(17)，以得到频散曲线，所述频散曲线用于与对所述黏合度的参数进行建模的仿真模型或与频散曲线的曲线图进行比较。
5.根据前一项权利要求所述的方法，其中，通过根据Bi-FFT方式或奇异值分解(SVD)方法对检测到的波(19，13)进行反演来得到频散曲线。
6.根据前一项权利要求所述的方法，其中，接续地产生数个滑动梳，以接续地产生不同的ZGV模式，由此测得的每个黏合度的参数被用于对实验添加仿真并因此测量所述粘接连接部(7)的黏合度。
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