CN111751272B - 一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法包括：将上、下基体块粘接形成理论粘接面积slv，对所述下基体块施加一个向下的实际拉伸力；获得所述理论粘接面积的实际粘接面积ssj；用步骤2中的所述实际拉伸力和步骤3中的所述实际粘接面积ssj计算第一实际粘接强度σsj1，用所述第一实际粘接强度σsj1与通过公式计算的第二实际粘接强度σsj2相比，验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性；重复步骤2至4，形成理论粘接面积、实际粘接面积和第一实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表；用工件的实际粘接面积从所述粘接面积粘接强度表里找出与该实际粘接面积相对应的实际粘接强度。用该方法不用另外再做拉伸实验获得工件的实际粘接强度。

Description

一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，特别是指一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法。
背景技术
表面涂层技术是在了解各类金属零件表面的失效机理及各种金属材料特性的基础上，赋予零件耐高温、耐磨损、耐腐烛、抗氧化和抗疲劳等所需性能以改善基体材料性能、提高零件的可靠性和延长使用寿命为目的，运用表面冶金强化或表面镀膜强化的表面涂层技术防护或修复已损零件。
各类涂层及表面涂层技术的发展及其应用，对涂层的可靠性、信赖性提出了越来越高的要求，涂层的性能检测已直接影响到表面涂层技术，特别是对于在耐热、耐磨、耐浊、及不同受力条件等环境中的应用与推广。涂层使用过程中的失效将带来巨大的破坏和惊人的损失。因此，为了更有效利用涂层技术，避免或减少因其失效对基底造成的破坏和损失，涂层性能的检测与评价就显得尤为重要。涂层生产及服役过程中对于其性能的检测与评证，主要是对涂层厚度、密度、弹性模量、耐腐蚀性和耐磨性等的表征，以及涂层结合质量和涂层中缺陷的尺寸、方位、类型等的检测。而在这些性能参量中，涂层界面粘接强度特性参量是否符合要求，往往是影响涂层材料性能和使用寿命的重要原因。
大量的数据证明涂层的失效很大情况下是由于涂层与基体结合强度不足所致，如热障涂层在高温热循环工作过程中粘接层与陶瓷层中生成TGO层使得界面发生缺陷从而导致基体发生局部脱层、飞机吸波涂层由于其与铝合金基体结合强度不足导致使用过程中脱落影响自身性能。因此，对于涂层界面粘接强度的检测非常重要。但是由于涂层结合强度是一个结构参数，并不是材料的物理特性，其影响因素多且模型复杂，对服役中的零件粘结强度的测量非常不便。
通过专利检索，专利申请号为CN91105192.9，名称为金属与非金属粘接的超声扫描检测方法的专利，公开了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，与本发明利用粘接强度九等份的粘接基体块，实现对涂层和粘接层的粘接强度进行超声检测与粘接强度等级标定以及粘接强度等级分类评定的方法不同。另一专利申请号为CN201610207616.5，名称为基于界面断裂韧性评价涂层结合强度的集成设备及检测方法的专利，通过涂层与基体弹性模量超声无损测量和涂层-基体界面连续压入测试，在一套设备中完成界面断裂韧性公式所有参量的定量检测，获得涂层-基体界面开裂的临界载荷及其对应的界面断裂韧性。该方法利用的是界面断裂韧性的两个参数来表征涂层结合强度值，且需要考虑涂层的厚度因素和直线拟合等。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法，用于标定一些不方便做实验的工件的粘接强度。
本发明的标定试验方法包括以下步骤：
步骤1，将上、下基体块分别设置在拉伸机上，所述上基体块固定设置，所述下基体块的上表面上设置有9个面积相同的粘结槽；
步骤2，通过所述粘结槽与所述上基体块粘接形成理论粘接面积slv，对所述下基体块施加一个向下的实际拉伸力；
步骤3，用超声扫查方法扫查步骤2中所述理论粘接面积的实际粘接面积ssj；
步骤4，用步骤2中的所述实际拉伸力和步骤3中的所述实际粘接面积ssj计算第一实际粘接强度σsj1，用所述第一实际粘接强度σsj1与通过后述公式计算的第二实际粘接强度σsj2相比，验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性；
步骤5，重复步骤2至4，每次理论粘接面积slv和实际拉伸力均不同，形成理论粘接面积、实际粘接面积和第一实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表；
步骤6，对需要测量粘接强度的相同材料的工件粘结层进行C扫，获得所述工件的实际粘接面积，从所述粘接面积粘接强度表里找出与该实际粘接面积相对应的实际粘接强度。
由上，本发明通过实验预先制定出一种材料的九个不同理论粘接面积(代表不同粘接强度)下不同拉伸力时的实际粘接强度，然后形成一个理论粘接面积、实际粘接面积和实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表，在需要标定同一材料的工件时，通过C扫获得工件的实际粘接面积，通过查找粘接面积粘接强度表，找到与工件的实际粘接面积相对应的实际粘接强度，不用另外再做拉伸实验获得工件的实际粘接强度，特别是对于一些不方便做拉伸实验的工件来说，该方法具有实际的意义，不仅节省了开支，又满足了工程需要。
较佳的，步骤4中所述第二实际粘接强度σsj2的公式为：
Figure GDA0003188830170000031
Z1、Z2分别为涂层、粘结层的声阻抗，σth为所述上基体块(2)的理论粘接强度，一般通过拉伸实验获得，取实验最小值σmin。
较佳的，步骤4中验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性的方法是：验证
Figure GDA0003188830170000032
是否在允许范围内。
较佳的，所述粘结槽为九个面积相同的方块槽或圆环槽，所述方块槽组合在一起形成一个大方块的九宫格，所述圆环槽从内向外依次同心排列设置形成九圆环。
较佳的，步骤2中的九宫格的每个等级的理论粘接面积是以九宫格中心为对称中心。
由上，九宫格的每个等级的理论粘接面积是以九宫格中心为对称中心，是为了拉伸机做拉伸实验时是以理论粘接面积的中心为向下拉伸的，否则做拉伸实验的结果不能保证准确性。
较佳的，步骤1中将上、下基体块分别设置在拉伸机上的方法是：将所述上、下基体块分别设置在拉伸机的上、下拉伸杆上，所述上拉伸杆固定设置。
附图说明
图1为超声换能器穿过涂层、粘结层和基体的示意图；
图2为超声换能器穿过涂层、粘结层和基体的透射示意图；
图3为超声换能器穿过涂层、粘结层和基体的反射示意图；
图4为下基体块的主剖面视图；
图5为下基体块的俯视图；
图6为上、下基体块在拉伸机上的安装示意图；
图7为九圆环粘接等级示意图之一；
图8为九圆环粘接等级示意图之二；
图9为九宫格的下基体块主剖面视图；
图10为九宫格的下基体块俯视图；
图11为九宫格的下基体块在拉伸机上的安装示意图；
图12为九宫格粘接等级示意图。
附图标记
1上加载块 2上基体块 3下基体块 4下加载块 31圆环槽 32螺栓 33方槽
具体实施方式
本发明一种粘接强度的等级超声检测与拉伸标定试验方法，利用九个等级的粘接强度粘接基体块，检测出九个等级的基体块与粘接层的粘接强度，并以检测的这九个等级的粘接强度为标准，进行评定相同材料的其他粘接层的粘接强度。
本发明设计制作了不同粘接强度的上、下基体块，经过研究和试验验证发现，该方法具有正确的理论基础、可行的技术方案、有效的实施方法和可靠可重复的检测结果，解决了涂层和其他粘接件粘接强度的超声检测与强度等级标定需求。
本发明所述粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法，能满足涂层与基体结合强度、界面与界面粘接强度的超声检测与等级标定以及等级分类评定，其中基体与粘接件材料可以是铝合金、低碳钢、复合材料、非金属材料等，涂层与粘接材料可以是化学粘接剂、热熔喷涂、焊接融覆等所有金属和非金属材料，将广泛应用于机械制造、航空航天、信息技术、微电子技术和生物工程等领域。
如图1至3所示，Z1，Z2，Z3分别为涂层、粘结层和基体材料的声阻抗，Pti(i＝1～4)分别为透射过涂层、粘结层、基体和耦合介质(水)时的脉冲信号，Psi(i＝1～3)分别为穿过涂层、粘结层和基体时反射的脉冲信号。采用脉冲回波方法检测时，结合完好的涂层，超声波分别穿过涂层、粘结层进入基体后，基体底波反射回波信号Ps3能量大，结合界面Ps2反射率低、透射率高；对于涂层完全脱落或未结合状态，超声波能量被涂层脱粘界面完全反射而形成涂层底波反射回波，涂层与涂层结合界面能量反射率高、透射率低；对于涂层结合不完好状态或弱结合状态，涂层与基体界面存在一定程度的反射回波和透射回波。总之，超声波能量透射率越高、结合状态越好，结合强度越高，反之亦然；因此，通过对涂层回波、基体回波和结合界面回波的幅值或能量检测，便可获得涂层结合强度。
在进行粘结强度标准测定时，因为涂层结合强度σ的公式为：
σ＝σth·Kr或σ＝σth·Kt (1)
式中σ为结合强度，单位为N/m2或者Pa；
σth为涂层理论结合强度，通过拉伸实验测定，单位为N/m2或者Pa；
Kr为超声反射法结合强度系数，是超声反射扫查的反射系数与全反射系数rSth之比，通过下面公式计算；
Figure GDA0003188830170000061
Kt为超声透射法结合强度系数，是超声透射扫查的透射系数与全透射系数tTth之比，通过下面公式计算获得：
Figure GDA0003188830170000062
超声波能量在涂层与粘结层界面的能量反射系数
Figure GDA0003188830170000063
超声波能量在粘接层与基体界面的能量反射系数
Figure GDA0003188830170000064
超声波能量在涂层与粘结层界面的能量透射系数
Figure GDA0003188830170000065
超声波能量在粘接层与基体界面的能量透射系数
Figure GDA0003188830170000066
Z1、Z2、Z3分别为涂层、粘结层和基体材料的声阻抗；
一般全反射系数rSth和全透射系数tTth均为1，所以：
利用反射法检测时，涂层与基体之间的结合强度
Figure GDA0003188830170000067
利用透射法检测时，涂层与基体之间的结合强度：
Figure GDA0003188830170000068
s为粘接面积，N为做拉伸实验时施加的拉伸力，下面对理论结合强度σth的测定方法进行说明：
理论结合强度σth可通过实验测定。涂层粘接面积不同、涂层材料不同，结合强度也就不同，为获得每种涂层结构的结合强度的具体数值，需要制备不同涂层结构的结合强度标准基体块，用拉伸装置拉伸不同试样取得不同结合强度，涂层结合强度σth检测前必须对检测仪器进行标定。
如图4至6所示，选用上下设置的上基体块2和下基体块3，下基体块3的上表面上设置9个同心的圆环槽31，由内向外依次同心布置形成九圆环，在圆环槽31里设置用于粘结上基体块2的下表面和下基体块3的上表面的粘接材料，用粘接材料将上、下基体块粘结好，在上基体块2的上部设置与之固连的上加载块1，在下基体块3的下部也设置与之固连的下加载块4，然后把上、下加载块分别放置在拉伸机的上、下拉伸杆上，上加载块1固定设置，拉伸机施加一定拉伸力通过下加载块4向下拉下基体块3，当涂层的面积不同和涂层材质不同时，施加的拉伸力也不相同，通过拉伸力与涂层面积之比得到的涂层结合强度也不相同。
如图7和图8所示，由内向外，圆的直径为di(i＝1、2，..，.9)，两个圆之间的部分为作为粘接槽的圆环槽，其中
Figure GDA0003188830170000071
即设置在圆环槽内的每个粘结材料形成的涂层面积均相等，如图8所示，从内到外通过设置不同个数的粘结材料来与上基体块2粘接表示粘结等级，一共设置10个等级的粘结涂层。
粘接槽除了圆环槽外，还可以为方槽33，这些方槽33可组合在一起形成九宫格的形式，如图9至11所示，用9个形成阵列的方槽33表示0至9级，共10个粘接涂层等级，如图12所示，每级涂层的中心都设置在方形九宫格的中心，比如6级涂层时需要在6个方槽33里设置粘接材料，这6个方槽33需要九宫格的中心为对称中心。
在实际检测涂层结合强度时，看工件涂层的形状是接近方形还是圆形来选用九宫格或九圆环形式的涂层结合强度标准。
通过设置不同的涂层面积和施加不同的拉伸力，得到九种涂层理论结合强度σth，然后利用公式(8)或公式(9)计算九种等级的涂层结合强度σ。
假设超声扫查声束入射时的反射系数rS1或rS2均为零或最小值、透射系数tt1或tt2均为1或最大值，则说明在超声束对应点位的涂层和粘接层界面完全粘接，超声信号能量出现全透射，此时对应的点结合强度为1或最大值或理论值σth。
假设超声扫查声束入射时的反射系数rS1或rS2均为1或最大值、透射系数tt1或tt2均为0或最小值，则说明在超声束对应点位的涂层和粘接层界面出现脱粘，超声信号能量出现全反射，此时对应的点结合强度为零或最小值。
工程应用中在工件厚度较厚时一般采用反射法来检测涂层结合强度，透射法在工件一侧发射超声波另一侧接收超声波，由于工件较厚，在另一侧可能接收不到超声信号，而发射和接收都在涂层同一侧的反射法可以接收到超声信号。另外实际测量时一般只测量涂层与粘结层界面的能量发射系数rs1，并用σr1代表涂层与基体的结合强度σ。实际测量时，知道涂层和粘结层材料的声阻抗Z1和Z2，从而根据公式(1)计算出涂层与粘结层界面的能量反射系数rs1。
粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法步骤如下：
步骤1，将上、下基体块2，3分别设置在拉伸机上，所述上基体块2固定设置，所述下基体块3的上表面上设置有9个面积相同的粘结槽，该粘接槽为圆环槽或方槽；
下加载块4与下基体块3通过螺栓固连后固连于拉伸机的下拉伸杆上，上加载块1与上基体块2通过螺栓32固连后固连于拉伸机的上拉伸杆上。
步骤2，通过所述粘结槽与所述上基体块2粘接形成理论粘接面积slv，对所述下基体块3施加一个向下的实际拉伸力；
做实验时在不同数量的方槽或圆环槽内充满粘接材料与上基体块2粘接，来体现不同的理论粘接面积，1-9个方槽粘接时要保证所有粘接方槽关于九宫格中心对称，以满足拉伸机沿轴向中心拉伸的需要，圆环槽粘接时要保证从里向外粘接，此时的拉伸力为实际拉伸力，此时的粘接面积为理论粘接面积。
步骤3，用超声扫查方法扫查步骤2中所述理论粘接面积的实际粘接面积ssj；
采用超声显微镜系统，根据底面回波法的检测原理，将跟踪闸门置于上或下基体块涂层的上表面回波，将数据闸门置于上或下基体块底的底面回波，对上或下基体块进行超声C扫，成像模式选择峰值成像。利用ImageJ提取粘结处的有效质点，得到粘结面的质点面积，即为实际粘接面积。
步骤4，用步骤2中的所述实际拉伸力和步骤3中的所述实际粘接面积ssj计算第一实际粘接强度σsj1，用所述第一实际粘接强度σsj1与通过公式计算的第二实际粘接强度σsj2相比，验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性；
步骤1得到的实际拉伸力和步骤2得到的实际面积之比为实际粘接强度σsj1，然后通过公式(8)计算实际粘接强度，因为实际验证时用反射法来验证只考虑能量全反射的情况，上、下基体块材料相同，知道上基体块的声阻抗Z1、粘接材料的声阻抗Z2，
Figure GDA0003188830170000091
其中ssj粘结层的实际粘接面积，slv为粘结层的理论粘接面积，σth为上基体块的理论粘接强度，一般通过拉伸实验获得，取实验最小值σmin，经过验证
Figure GDA0003188830170000092
在允许范围内。
步骤5，重复步骤2至4，每次理论粘接面积slv和实际拉伸力均不同，形成理论粘接面积、实际粘接面积和第一实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表；
用不同的实际拉伸力和不同的理论粘接面积去拉伸，并用超声扫查方法扫查粘结层得到实际粘接面积ssj，这样获得几组数据，制成理论粘接面积、实际粘接面积和第一实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表。
步骤6，对需要测量粘接强度的相同材料的工件粘结层进行C扫，获得所述工件的实际粘接面积，从所述粘接面积粘接强度表里找出与该实际粘接面积相对应的实际粘接强度。
对于通过C扫获得的工件的实际面积不等于九宫格或九环的粘接面积对应的实际面积的，可以用差值法求得对应的粘接强度。
该方法对于现实中一些不方便做粘接拉伸实验的工件来说很方便确定粘接层的粘接强度，而不用另外再做繁杂的实验确定粘接强度。
两片不同粘接强度的基体块可以是圆形的、方形的或三角形等其它任何形状，材料可以为铝合金、低碳钢、复合材料、非金属材料等。粘接强度的涂层材料可以是化学粘接剂、热熔喷涂、焊接融覆等所有金属和非金属材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种粘接强度等级超声检测与拉伸标定试验方法，其特征在于，
步骤1，将上、下基体块(2,3)分别设置在拉伸机上，所述上基体块(2)固定设置，所述下基体块(3)的上表面上设置有9个面积相同的粘结槽；
步骤2，通过所述粘结槽与所述上基体块(2)粘接形成理论粘接面积slv，对所述下基体块(3)施加一个向下的实际拉伸力；
步骤3，用超声扫查方法扫查步骤2中所述理论粘接面积的实际粘接面积ssj；
步骤4，用步骤2中的所述实际拉伸力和步骤3中的所述实际粘接面积ssj计算第一实际粘接强度σsj1，用所述第一实际粘接强度σsj1与第二实际粘接强度σsj2相比，验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性；
步骤5，重复步骤2至4，每次理论粘接面积slv和实际拉伸力均不同，形成理论粘接面积、实际粘接面积和第一实际粘接强度一一对应的粘接面积粘接强度表；
步骤6，对需要测量粘接强度的相同材料的工件粘结层进行超声 C扫，获得所述工件的实际粘接面积，从所述粘接面积粘接强度表里找出与该实际粘接面积相对应的实际粘接强度。
2.根据权利要求1所述的标定试验方法，其特征在于，
步骤4中所述第二实际粘接强度σsj2通过公式计算，所述公式为：
Figure FDA0003188830160000011
Z1、Z2分别为涂层、粘结层的声阻抗，σth为所述上基体块(2)的理论粘接强度，通过拉伸实验获得，取实验最小值σmin。
3.根据权利要求2所述的标定试验方法，其特征在于，步骤4中验证用理论粘接面积作为标定粘接强度的方法正确性的方法是：
验证
Figure FDA0003188830160000021
是否在允许范围内。
4.根据权利要求1所述的标定试验方法，其特征在于，所述粘结槽为九个面积相同的方块槽或圆环槽，所述方块槽组合在一起形成一个大方块的九宫格，所述圆环槽从内向外依次同心排列设置形成九圆环。
5.根据权利要求4所述的标定试验方法，其特征在于，步骤2中的九宫格的每个等级的理论粘接面积是以九宫格中心为对称中心。
6.根据权利要求1所述的标定试验方法，其特征在于，步骤1中将上、下基体块(2,3)分别设置在拉伸机上的方法是：
将所述上、下基体块(2,3)分别设置在拉伸机的上、下拉伸杆(1,4)上，所述上拉伸杆(1)固定设置。
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