CN115541709A - 陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法 - Google Patents

陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，对未粘接金属环前的陶瓷基复合材料用干耦合超声穿透C扫检测法进行检测，排除粘接区域有可检缺陷的复合材料天线罩；对未粘接前的金属环用喷水穿透超声C扫检测法进行检测，排除有可检缺陷的金属环；采用3个超声探头干耦合方式从复合材料一侧对粘接质量进行检测，A探头和B探头发射的超声信号入射至复合材料，经过粘接层达到金属环后，在金属内沿周向传播，并分别被探头B和探头A接收，根据叠加信号的幅值对粘接质量进行判断。本发明提供的方法解决了现有超声检测方法无法有效检测出陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构内部缺陷的技术问题。

Description

陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域以及粘接结构的超声检测方法，涉及一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，特别是陶瓷基复合材料天线罩与小厚度金属环粘接结构的超声检测方法。
背景技术
新型高超声速飞行器已开始采用陶瓷基复合材料天线罩与小厚度金属环粘接结构来代替树脂基复合材料天线罩，该结构可大幅度提高天线罩的使用温度和飞行速度。但是，该结构在使用过程中会遭受高温、高速气流的冲刷，粘接质量不好时会导致天线罩从金属环上脱落，造成重大事故，因此必须采用有效的无损检测技术对其质量进行检测。
上述天线罩结构中，陶瓷基复合材料在外侧，厚度为1mm～7mm，金属环在内侧，厚度1mm～3mm，复合材料与金属环之间采用耐高温胶层进行粘接。由于该结构为新型结构，具有复合材料和胶层信号衰减大、复合材料不能接触液体、金属层薄、只能从外侧检测的特点，国内外鲜有该类结构的无损检测案例。
经查阅，发现相关的专利和论文很少。其中，专利CN108872380A《多层粘接构件缺陷检测方法》，阐述了陶瓷/橡胶/金属多层粘接筒形构件粘接缺陷的超声检测方法，但检测时需要将超声探头从金属侧进行检测，无法满足陶瓷基复合材料天线罩只能从复合材料一侧(外侧)检测的要求；且检测时需使用液体耦合剂，无法满足陶瓷基复合材料天线罩不能接触液体的要求。专利CN201210551733.5《一种涂层钢板与橡胶粘接质量的超声波检测方法》，阐述了钢板与橡胶粘接质量的检测方法，检测时也需将超声探头从钢板侧进行检测，无法满足陶瓷基复合材料天线罩只能从复合材料一侧(外侧)检测的要求；而且只能检测金属与橡胶的粘接面，没有阐述如何检测复合材料和橡胶的粘接面；此外，检测时需使用液体耦合剂，无法满足陶瓷基复合材料天线罩不能接触液体的要求。专利CN 110749651 B《非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置》，阐述了非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法，没有阐述非金属内部和金属内部缺陷的检测方法，无法满足陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构中复合材料天线罩内部和金属环内部缺陷的检测；检测方法适合厚度大于8mm金属的情况，难以适用天线罩中厚度为1mm～3mm的金属环的情况；检测方法只能检测平板件，无法检测截面为圆形的天线罩；检测时干耦合压力没有实时监控和反馈，难以保证稳定的超声干耦合效果，难以对天线罩脱粘缺陷进行高准确性、高可靠性检测；只能检测出构件中Φ10mm及以上的脱粘缺陷，检测灵敏度无法达到5mm*5mm脱粘缺陷的要求。《无损探伤》期刊2013年2期出版的论文《超薄金属与陶瓷粘接件粘接质量的检测》，阐述了超薄金属与陶瓷粘接件粘接质量的超声检测方法，检测时需要采用水浸耦合方式，无法满足陶瓷基复合材料天线罩不能接触液体的要求；需将超声探头从金属侧进行检测且被检件下方需放置反射板，无法满足陶瓷基复合材料天线罩只能从复合材料一侧(外侧)检测的要求；此外，该方法只适合检测平板件，难以检测截面为圆形的天线罩。
目前，超声检测是复合材料常用的无损检测方法，但是，采用常规的超声检测方法对上述结构内部质量进行检测时，由于上述结构的特殊性会存在以下问题：超声信号难以穿透复合材料层和胶层、超声信号难以分辨粘接界面、复合材料表面不允许接触液体超声信号难以正常耦合、只能从复合材料一侧检测脱粘缺陷、要求检测灵敏度高等。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，实现了陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构内部质量的超声无损检测。
技术方案
一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用干耦合超声穿透C扫检测法，对陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前的粘接区域进行检测，排除粘接区域存在可检缺陷的复合材料天线罩；
当检测的超声信号低于超声仪满屏高度的20％～40％时，为复合材料天线罩存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
步骤2：采用喷水穿透超声C扫检测法，对未粘接金属环进行检测，排除存在可检缺陷的金属环；
当检测的超声信号低于超声仪满屏高度的30％～50％，为金属环存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
步骤3、对步骤1和步骤2检测合格后，粘接的陶瓷基复合材料天线罩和金属环的粘接区域质量进行检测基本参数，即缺陷参数和耦合状态参数：
1、采用三个超声探头，将A探头和B探头连接于多通道超声仪的第一通道1，C探头连接第二通道2；三个探头通过有机玻璃延迟块与检测面接触，且与检测面设有相吻合的弧度；所述有机玻璃延迟块与检测面之间设有柔性橡胶；
其中C探头位于A探头和B探头之间，沿C探头的轴线对称分布，且三个探头的轴线相互平行；
2、A探头和B探头发射超声信号入射至复合材料，经过粘接层达到金属环后，在金属内沿周向传播；A探头接收B探头发射超声信号，B探头接收A探头发射超声信号，两个相对的信号形成叠加信号；以两个相对信号形成叠加信号在超声仪满屏高度，作为缺陷判定阈值；当叠加信号幅值低于超声仪满屏高度的30％～50％时，粘接区域存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
3、C探头通过垂直入射的方式将超声信号传播至复合材料中，当C探头的信号幅值低于超声仪满屏高度的20％～40％时，粘接区域耦合状态合格；
4、测量粘接质量：对有机玻璃延迟块施加力，当通道2接收到的C探头的反射波幅值≤耦合状态判定阈值时，若通道1接收到的探A头和B探头的叠加超声波幅值≤缺陷判定阈值，则存在脱粘缺陷；若通道1接收到的A探头和B探头的叠加超声波幅值>缺陷判定阈值，则不存在脱粘缺陷；
当通道2接收到的C探头在延迟块/柔性橡胶/复合材料界面的反射波幅值>耦合状态判定阈值时，耦合状态不合格，对有机玻璃延迟块施加力调整耦合处于合格状态，再按照耦合状态合格判断是否存在脱粘缺陷。
所述步骤3中A探头和B探头发射超声信号时，以斜入射的方式将超声信号传播至复合材料中；所述斜入射角度相等且向外互反。
所述斜入射角度范围为10度～30度。
所述步骤1和步骤3扫查方向的探头滚动方向与天线罩的轴线方向一致，步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距不大于2.5mm。
所述步骤2采用喷水穿透超声C扫检测法时，水柱直径不大于5mm；探头沿着金属环的圆周的扫查行间距不大于1mm。
所述步骤1的超声探头为干耦合滚轮超声探头，探头频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm，探头具有压力调节装置，最大压力不小于20N。
所述步骤2的超声探头为高频聚焦探头，频率范围为10MHz～20MHz，-6dB焦点直径不大于3mm。
所述步骤3的超声探头的频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm。
所述步骤3的柔性橡胶的厚度小于0.5mm。
有益效果
本发明提出的一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，在陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前，对粘接区域的陶瓷基复合材料用干耦合超声穿透C扫检测法进行检测，排除粘接区域有可检缺陷的复合材料天线罩；在陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前，对金属环用喷水穿透超声C扫检测法进行检测，排除有可检缺陷的金属环；采用3个超声探头干耦合方式从复合材料一侧对粘接质量进行检测，A探头和B探头发射的超声信号入射至复合材料，经过粘接层达到金属环后，在金属内沿周向传播，并分别被B探头和A探头接收，根据叠加信号的幅值对粘接质量进行判断，C探头用于监控超声信号耦合状态。本发明提供的方法解决了现有超声检测方法无法有效检测出陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构内部缺陷的技术问题。
本发明相比于现有技术的特点及有益效果：
(1)本发明采用干耦合超声穿透C扫检测法对粘接区域的复合材料进行检测，所述方法不使用液体耦合剂，通过压力将探头与检测面之间的空气排除，达到干耦合效果，解决了陶瓷基复合材料不能接触液体的超声检测难题；所述方法采用的探头频率范围为0.2MHz～2.25MHz，超声信号的波长范围为1.3mm～15mm，晶片直径不大于10mm，频率低，晶片小，使检测信号同时具有高的穿透能力和高的横向分辨力，对高孔隙率高声衰减的陶瓷基复合材料具有良好的检测效果；所述方法采用滚轮干耦合探头，解决了常规干耦合只能采用点动平面扫查不能连续随构件外型面扫查的问题，提高检测准确率和效率；所述方法方法能够对陶瓷基复合材料进行自动超声扫查，形成直观的超声C扫描图像，大大提高了检测效率和检测结果的准确性。
(2)本发明采用喷水穿透超声C扫检测法对金属环进行检测，所述方法采用穿透法不存在检测盲区，解决了普通超声检测方法对1mm～3mm厚的金属环检测时近表面和近底面盲区的问题；所述方法采用高频聚焦探头，频率为10MHz～20MHz，以金属材料钢为例，超声信号的波长范围为0.3mm～0.6mm，且探头-6dB焦点直径不大于3mm，使在金属区域的检测信号具有较短的波长和较小的声束，可提高小缺陷的检出能力。
(3)本发明采用A探头和B探头组合在复合材料及粘接层沿深度方向传播超声纵波，在金属环内沿周向传播板波的方式进行检测，所述方法在正常区域A探头发射的信号会被B探头接收，B探头发射的信号会被A探头接收，2个接收的信号由于声程相同会产生叠加效应是信号进一步增强，使脱粘缺陷和正常区域超声信号幅值差别增大，提高缺陷的检出能力，且只需在复合材料一侧进行检测；所述方法只需通过调节A探头、B探头与C探头之间的距离来调节入射角，使入射角调整更加高效和准确；所述方法在有机玻璃延迟块与检测面之间放置薄的柔性橡胶的方式，达到干耦合检测效果，解决了复合材料不能接触液体耦合剂的难题；所述方法采用C探头监控超声信号的耦合状态，可实时监控A探头、B探头和C探头与复合材料之间的耦合效果，进一步提高检测结果的可靠性；A探头、B探头的频率为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm，可同时保证较高的穿透能力和检测灵敏度，既能穿透高衰减的复合材料层和胶层，又能保证发现5mm*5mm及以上脱粘缺陷。
综上，本发明的方法可不使用液体耦合剂从复合材料一侧检测出该结构中不大于5mm*5mm脱粘缺陷，解决了陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构无法检测的难题。
附图说明
图1为干耦合超声穿透C扫自动扫查设备检测粘接前复合材料区域示意图；
图2为喷水超声穿透C扫自动扫查设备检测粘接前金属环示意图；
图3为粘接缺陷检测示意图；
图4为A探头发射超声波的路径
图5为B探头发射超声波的路径
图6为通道1显示的超声信号
图7为通道2显示的超声信号
图中，1—干耦合滚轮超声探头，2—压力调节工装，3—探头臂，4—粘接前复合材料区域4，5—高频聚焦超声探头，6—喷水套，7—喷水穿透法探头臂，8—金属环，9—多通道超声仪，10—通道1，11—通道2，12—A探头，13—C探头，14—B探头，15—压力调节工装，16—有机玻璃延迟块，17—柔性橡胶，18—A探头发射信号传播路径，19—C探头发射信号传播路径，20—B探头发射信号传播路径，21—通道1形成的叠加信号，22—通道2形成的信号。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例是陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
步骤1，在陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前，对粘接区域的陶瓷基复合材料用干耦合超声穿透C扫检测法进行检测，排除粘接区域存在可检缺陷的复合材料天线罩；
步骤2，在陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前，对金属环用喷水穿透超声C扫检测法进行检测，排除存在可检缺陷的金属环；
步骤3，采用3个超声探头干耦合方式从复合材料一侧对粘接质量进行检测，A探头和B探头发射的超声信号入射至复合材料，经过粘接层，达到金属环后，在金属内沿周向传播，并分别被B探头和A探头接收，根据信号的幅值对粘接质量进行判断，C探头用于监控超声信号耦合状态。
进一步的，所述步骤1，具体包括：(1)确定超声探头和超声C扫设备；(2)确定基本检测参数；(3)确定检测灵敏度；(4)根据确定的检测灵敏度，按照确定的基本检测参数对粘接区域的陶瓷基复合材料进行扫查。
进一步的，上述步骤1中的超声探头为干耦合滚轮超声探头，探头频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm，探头具有压力调节装置，最大压力不小于20N。
进一步的，上述步骤1中的基本检测参数中关键参数包括：
a、扫查方向与干耦合滚轮超声探头滚动方向、天线罩的轴线方向一致，步进方向与天线罩周向一致；
b、探头压力值P范围为15N～20N，工作时压力值稳定在(P-1)N～(P+1)N之间；
c、缺陷判定的阈值范围为超声仪满屏高度的20％～40％；
d、扫查行间距不大于2.5mm。
进一步的，上述步骤1中的确定检测灵敏度包括：
a、准备2个5mm*5mm、厚度小于0.05mm的不透声材料；
b、将上述2个不透声材料四周对齐叠好，放置在复合材料天线罩上与金属环粘接的区域，且不透声材料边缘与天线罩边缘的距离不小于20mm，用单层透明胶带将不透声材料粘贴在复合材料表面，保证透明胶带与不透声材料、复合材料之间没有气泡、皱褶，胶带的边缘与不透声材料边缘的距离大于10mm；
c、调整超声仪的增益值，并按确定的基本检测参数对粘贴不透声材料处进行自动扫查，若C扫图中不透声材料处对应的红色面积和在22.5mm2～27.5mm2范围内，则此时的增益值即为检测灵敏度，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。
进一步的，所述步骤2，具体包括：(1)确定超声探头和超声C扫设备；(2)确定基本检测参数；(3)确定检测灵敏度；(4)根据确定的检测灵敏度，按照确定的基本检测参数对金属环进行扫查。
进一步的，上述步骤2中所述的超声探头为高频聚焦探头，频率范围为10MHz～20MHz，-6dB焦点直径不大于3mm。
进一步的，上述步骤2中所述的基本检测参数中关键参数包括：
a、水柱直径不大于5mm；
b、缺陷判定的阈值范围为超声仪满屏高度的30％～50％；
c、扫查行间距不大于1mm。
进一步的，所述步骤3，具体包括：(1)确定超声仪和超声探头；(2)确定基本检测参数；(3)确定检测灵敏度；(4)根据确定的检测灵敏度，按照确定的基本检测参数对粘接质量进行扫查。
进一步的，上述步骤3中所述的超声仪为多通道超声仪，通道数不小于2个，A探头和B探头连接通道1，C探头连接通道2。所述的A探头、B探头和C探头的频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm，探头固定在有机玻璃延迟块上，延迟块下端的为弧面，弧度与检测面弧度相同，检测面与有机玻璃延迟块之间放置厚度小于0.5mm的柔性橡胶，A探头、B探头、C探头轴线相互平行，A探头和B探头沿C探头的轴线对称分布。
进一步的，上述步骤3中所述的A探头和B探头通过斜入射的方式将超声信号传播至复合材料中，A探头和B探头的入射角相等，入射角范围为10度～30度，可通过调节A探头、B探头与C探头之间的距离来调节入射角。C探头通过垂直入射的方式将超声信号传播至复合材料中。
进一步的，上述步骤3中所述的基本检测参数中关键参数包括：
a、缺陷判定阈值范围为超声仪满屏高度的30％～50％；
b、耦合状态判定阈值范围为超声仪满屏高度的20％～40％；
c、扫查行间距不大于2.5mm。
进一步的，上述步骤3中所述的确定检测灵敏度包括：
a、准备2个5mm*5mm、厚度小于0.05mm的不透声材料；
b、将上述2个不透声材料四周对齐叠好，在复合材料天线罩与金属环粘接之前放置在粘接界面上；
c、将A探头入射点对准不透声材料区域的中间部位，调节超声仪的增益值，使通道1接收到的A探头和B探头的叠加超声波幅值≤缺陷判定阈值，同时将A探头入射点对准正常区域，若通道1接收到的A探头和B探头的叠加超声波幅值>80％，则此时的增益值即为检测灵敏度。
进一步的，上述步骤3中所述的粘接质量判断方法为：
a、对有机玻璃延迟块施加不小于10N的力，按确定的检测灵敏度，使用A探头、B探头、C探头进行检测。
b、当通道2接收到的C探头在延迟块/柔性橡胶/复合材料界面的反射波幅值≤耦合状态判定阈值时，说明耦合良好，可进行一下判断：若通道1接收到的A探头和B探头的叠加超声波幅值≤缺陷判定阈值，则存在脱粘缺陷；若通道1接收到的A探头和B探头的叠加超声波幅值>缺陷判定阈值，则b不存在脱粘缺陷；
c、当通道2接收到的C探头在延迟块/柔性橡胶/复合材料界面的反射波幅值>耦合状态判定阈值时，说明耦合不好，需调整耦合状态，符合b的条件再判断缺陷。
具体实施例：
实施例1
以本发明方法实现厚度3mm～5mm的二氧化硅纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料天线罩与厚度1mm～3mm、外径330mm的钛合金金属环，采用厚度小于0.2mm高温环氧胶粘接结构的超声检测为实例，步骤如下：
一、粘接金属环前，排除粘接区域存在缺陷的复合材料天线罩：
(1)参见图1，使用干耦合超声穿透C扫自动扫查设备进行扫查，该设备包括干耦合滚轮超声探头1，压力调节工装2，探头臂3。发射和接收超声探头1频率均为1MHz，晶片直径为8mm，即可保证足够的超声波能量穿透天线罩的粘接前复合材料区域4，又可保证较高的检测灵敏度。压力调节工装2施加给探头1的压力为16N～18N，保证良好的干耦合效果。C扫扫查方向与干耦合滚轮超声探头1滚动方向、天线罩的轴线方向一致，保证连续干耦合扫查效果；C扫步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距1mm，保证较高的横向分辨率。设置穿透波的幅值为超声仪满屏高度的20％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷。
(2)检测灵敏度确定：将2个5mm*5mm、厚度0.02mm的聚四氟乙烯薄膜四周对齐叠好，放置在复合材料天线罩上与金属环粘接的区域，且不透声材料边缘与天线罩边缘的距离为20mm，消除边缘对检测效果的影响，用单层透明胶带将不透声材料粘贴在复合材料表面，保证透明胶带与不透声材料、复合材料之间没有气泡、皱褶，避免胶带粘接不良对检测效果的影响，胶带的边缘与不透声材料边缘的距离为15mm；调整超声仪的增益值，并按确定的基本检测参数对粘贴不透声材料处进行自动扫查，若C扫图中不透声材料处对应的红色面积和在22.5mm2～27.5mm2范围内，则此时的增益值即为检测灵敏度，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数对复合材料天线罩上与金属环粘接的区域进行扫查，扫查完成后，红色区域判为缺陷，有缺陷的被检件排除掉，不能进行下一步工序。
二、粘接金属环前，排除存在缺陷的金属环：
(1)参见图2，使用喷水超声穿透C扫自动扫查设备进行扫查，该设备包括高频聚焦超声探头5，喷水套6，探头臂7。发射和接收超声探头5频率均为15MHz，-6dB焦点直径2mm，喷水套内径4mm，扫查行间距1mm，即可保证足够的超声波能量穿透金属环8，又可保证较高的检测灵敏度和横向分辨力。设置穿透波的幅值为超声仪满屏高度的40％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷的尺寸。
(2)检测灵敏度的确定：检测前，将耦合水柱对准金属环，调整超声仪的增益值，使得直通穿透波的幅值为超声仪满屏高度的80％，此时的增益值为检测灵敏度。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数进行扫查，扫查完成后，红色区域判为缺陷，有缺陷的金属环排除掉，不能进行下一步工序。三、检测复合材料天线罩与金属环脱粘缺陷：
(1)参见图3，采用A探头(12)、B探头(14)和C探头(13)干耦合方式从复合材料一侧对粘接质量进行检测。检测所需的硬件包含多通道超声仪9、A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)、压力调节工装15、有机玻璃延迟块16和柔性橡胶17。A探头(12)、B探头(14)连接到通道1(10)，C探头(13)连接到通道2(11)上。
A探头(12)、B探头(14)和C探头(13)的频率为1MHz，晶片直径10mm，同时保证较高的穿透能力和检测灵敏度；探头固定在有机玻璃延迟块16上，延迟块16下端的为弧面，弧度与检测面弧度相同，检测面与有机玻璃延迟块16之间放置厚度0.4mm的柔性橡胶17，通过压力调节工装15对有机玻璃延迟块16施加25N的力，保证良好的干耦合效果；A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)轴线相互平行，A探头(12)和B探头(14)沿C探头(13)的轴线对称分布，只需通过调节A探头、B探头与C探头之间的距离来调节入射角，使入射角调整更加高效和准确。扫查方向与天线罩轴线方向一致，步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距2mm，保证较高的横向分辨率。
参见图4和图5，探头的工作原理为：A探头(12)入射方向向左，B探头(14)入射方向向右，A探头(12)和B探头(14)的入射角相等，入射角等于20度。A探头(12)发射超声波沿路径18传播，被B探头(14)接收；B探头(14)发射超声波沿路径20传播，被A探头(12)接收。2个接收信号由于声程相同会产生叠加效应，多通道超声仪9的通道1形成叠加信号21(参见图6)，使信号进一步增强，使脱粘区域和正常区域超声信号幅值差别增大，根据信号的幅值对粘接质量进行判断，提高缺陷的检出能力。缺陷判定阈值为超声仪满屏高度的40％。
C探头(13)发射的超声信号沿路径19传播并接收，从有机玻璃延迟块16传播至有机玻璃/柔性橡胶/复合材料界面，界面反射信号沿原路返回被C探头(13)接收，多通道超声仪9的通道2形成信号22(参见图7)。有机玻璃、柔性橡胶、复合材料三种材料的声阻抗接近，当耦合好时，反射波幅值较低，当耦合不好时，界面会有空气层，反射波幅值很高，根据该反射波幅值可准确快速来判断超声耦合效果。耦合状态判定阈值为超声仪满屏高度的30％。
(2)检测灵敏度确定：将上述2个5mm*5mm、厚度小于0.05mm聚四氟乙烯薄膜四周对齐叠好，在复合材料天线罩与金属环粘接之前放置在粘接界面上。将A探头(12)入射点对准不透声材料区域的中间部位，调节超声仪的增益值，使A探头(12)和B探头(14)接收到的超声波幅值≤40％，同时将A探头(12)入射点对准正常区域，若A探头(12)和B探头(14)接收到的超声波幅值>80％，则此时的增益值即为检测灵敏度。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数对粘接质量进行检测。粘接质量判断方法为：
通过压力调节工装15对有机玻璃延迟块16施加25N的力，按确定的检测灵敏度，使用A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)进行检测。当通道2形成的信号22幅值≤耦合状态判定阈值时，说明耦合良好，可进行一下判断：若通道1形成的叠加信号21幅值≤缺陷判定阈值，则存在脱粘缺陷，若通道1形成的叠加信号21幅值>缺陷判定阈值，则不存在脱粘缺陷；当通道2形成的信号22幅值>耦合状态判定阈值时，说明耦合不好，需调整耦合状态，符合耦合条件再判断缺陷。
采用本发明的方法，对某二氧化硅纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料天线罩与钛合金金属环粘接结构实际产品进行检测，检测结果及实际解剖结果见表1。
表1检测缺陷情况
序号 检测结果(mm*mm) 实际解剖结果(mm*mm)
1 6*6 5*5
2 5*8 4*5
3 10*16 9*15
实施例2
以本发明方法实现厚度1mm～3mm的氮化硅陶瓷复合材料天线罩与厚度2mm～3mm、外径160mm的殷钢金属环，采用厚度小于0.2mm的丁腈橡胶粘接结构的超声检测为实例，步骤如下：
三、粘接金属环前，排除粘接区域存在缺陷的复合材料天线罩：
(1)参见图1，使用干耦合超声穿透C扫自动扫查设备进行扫查，该设备包括干耦合滚轮超声探头1，压力调节工装2，探头臂3。发射和接收超声探头1频率均为2.25MHz，晶片直径为5mm，即可保证足够的超声波能量穿透天线罩的粘接前复合材料区域4，又可保证较高的检测灵敏度。压力调节工装2施加给探头1的压力为16N～18N，保证良好的干耦合效果。C扫扫查方向与干耦合滚轮超声探头1滚动方向、天线罩的轴线方向一致，保证连续干耦合扫查效果；C扫步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距1mm，保证较高的横向分辨率。设置穿透波的幅值为超声仪满屏高度的20％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷。
(2)检测灵敏度确定：将2个5mm*5mm、厚度0.02mm的聚四氟乙烯薄膜四周对齐叠好，放置在复合材料天线罩上与金属环粘接的区域，且不透声材料边缘与天线罩边缘的距离为20mm，消除边缘对检测效果的影响，用单层透明胶带将不透声材料粘贴在复合材料表面，保证透明胶带与不透声材料、复合材料之间没有气泡、皱褶，避免胶带粘接不良对检测效果的影响，胶带的边缘与不透声材料边缘的距离为15mm；调整超声仪的增益值，并按确定的基本检测参数对粘贴不透声材料处进行自动扫查，若C扫图中不透声材料处对应的红色面积和在22.5mm2～27.5mm2范围内，则此时的增益值即为检测灵敏度，其中，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数对复合材料天线罩上与金属环粘接的区域进行扫查，扫查完成后，红色区域判为缺陷，有缺陷的被检件排除掉，不能进行下一步工序。
四、粘接金属环前，排除存在缺陷的金属环：
(1)参见图2，使用喷水超声穿透C扫自动扫查设备进行扫查，该设备包括高频聚焦超声探头5，喷水套6，探头臂7。发射和接收超声探头5频率均为15MHz，-6dB焦点直径2mm，喷水套内径4mm，扫查行间距1mm，即可保证足够的超声波能量穿透金属环8，又可保证较高的检测灵敏度和横向分辨力。设置穿透波的幅值为超声仪满屏高度的40％为阈值，C扫图中信号值小于等于阈值的区域显示为红色，保证C扫图可准确和明显地显示缺陷的尺寸。
(2)检测灵敏度的确定：检测前，将耦合水柱对准金属环，调整超声仪的增益值，使得直通穿透波的幅值为超声仪满屏高度的80％，此时的增益值为检测灵敏度。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数进行扫查，扫查完成后，红色区域判为缺陷，有缺陷的金属环排除掉，不能进行下一步工序。三、检测复合材料天线罩与金属环脱粘缺陷：
(3)参见图3，采用A探头(12)、B探头(14)和C探头(13)干耦合方式从复合材料一侧对粘接质量进行检测。检测所需的硬件包含多通道超声仪9、A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)、压力调节工装15、有机玻璃延迟块16和柔性橡胶17。A探头(12)、B探头(14)连接到通道1(10)，C探头(13)连接到通道2(11)上。
A探头(12)、B探头(14)和C探头(13)的频率为1MHz，晶片直径10mm，同时保证较高的穿透能力和检测灵敏度；探头固定在有机玻璃延迟块16上，延迟块16下端的为弧面，弧度与检测面弧度相同，检测面与有机玻璃延迟块16之间放置厚度0.4mm的柔性橡胶17，通过压力调节工装15对有机玻璃延迟块16施加25N的力，保证良好的干耦合效果；A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)轴线相互平行，A探头(12)和B探头(14)沿C探头(13)的轴线对称分布，只需通过调节A探头、B探头与C探头之间的距离来调节入射角，使入射角调整更加高效和准确。扫查方向与天线罩轴线方向一致，步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距2mm，保证较高的横向分辨率。
参见图4和图5，探头的工作原理为：A探头(12)入射方向向左，B探头(14)入射方向向右，A探头(12)和B探头(14)的入射角相等，入射角等于20度。A探头(12)发射超声波沿路径18传播，被B探头(14)接收；B探头(14)发射超声波沿路径20传播，被A探头(12)接收。2个接收信号由于声程相同会产生叠加效应，多通道超声仪9的通道1形成叠加信号21(参见图6)，使信号进一步增强，使脱粘区域和正常区域超声信号幅值差别增大，根据信号的幅值对粘接质量进行判断，提高缺陷的检出能力。缺陷判定阈值为超声仪满屏高度的45％。
C探头(13)发射的超声信号沿路径19传播并接收，从有机玻璃延迟块16传播至有机玻璃/柔性橡胶/复合材料界面，界面反射信号沿原路返回被C探头(13)接收，多通道超声仪9的通道2形成信号22(参见图7)。有机玻璃、柔性橡胶、复合材料三种材料的声阻抗接近，当耦合好时，反射波幅值较低，当耦合不好时，界面会有空气层，反射波幅值很高，根据该反射波幅值可准确快速来判断超声耦合效果。耦合状态判定阈值为超声仪满屏高度的30％。
(4)检测灵敏度确定：将上述2个5mm*5mm、厚度小于0.05mm聚四氟乙烯薄膜四周对齐叠好，在复合材料天线罩与金属环粘接之前放置在粘接界面上。将A探头(12)入射点对准不透声材料区域的中间部位，调节超声仪的增益值，使A探头(12)和B探头(14)接收到的超声波幅值≤40％，同时将A探头(12)入射点对准正常区域，若A探头(12)和B探头(14)接收到的超声波幅值>80％，则此时的增益值即为检测灵敏度。
(3)扫查和缺陷的判定：按照确定的检测灵敏度和确定的基本检测参数对粘接质量进行检测。粘接质量判断方法为：
通过压力调节工装15对有机玻璃延迟块16施加25N的力，按确定的检测灵敏度，使用A探头(12)、B探头(14)、C探头(13)进行检测。当通道2形成的信号22幅值≤耦合状态判定阈值时，说明耦合良好，可进行一下判断：若通道1形成的叠加信号21幅值≤缺陷判定阈值，则存在脱粘缺陷，若通道1形成的叠加信号21幅值>缺陷判定阈值，则不存在脱粘缺陷；当通道2形成的信号22幅值>耦合状态判定阈值时，说明耦合不好，需调整耦合状态，符合耦合条件再判断缺陷。
采用本发明的方法，对某氮化硅陶瓷复合材料天线罩与殷钢金属环粘接结构实际产品进行检测，检测结果及实际解剖结果见表2。
表2检测缺陷情况
序号 检测结果(mm*mm) 实际解剖结果(mm*mm)
1 5*5 4*4
2 6*8 4*5
3 6*10 5*8
结果表明，本发明的方法可准确地检测出陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构中的脱粘缺陷，且检测灵敏度优于5mm*5mm脱粘。
本发明未详细说明的内容为本领域人员公知的技术。

Claims (9)

1.一种陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用干耦合超声穿透C扫检测法，对陶瓷基复合材料天线罩未粘接金属环前的粘接区域进行检测，排除粘接区域存在可检缺陷的复合材料天线罩；
当检测的超声信号低于超声仪满屏高度的20％～40％时，为复合材料天线罩存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
步骤2：采用喷水穿透超声C扫检测法，对未粘接金属环进行检测，排除存在可检缺陷的金属环；
当检测的超声信号低于超声仪满屏高度的30％～50％，为金属环存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
步骤3、对步骤1和步骤2检测合格后，粘接的陶瓷基复合材料天线罩和金属环的粘接区域质量进行检测基本参数，即缺陷参数和耦合状态参数：
1、采用三个超声探头，将A探头和B探头连接于多通道超声仪的第一通道1，C探头连接第二通道2；三个探头通过有机玻璃延迟块与检测面接触，且与检测面设有相吻合的弧度；所述有机玻璃延迟块与检测面之间设有柔性橡胶；
其中C探头位于A探头和B探头之间，沿C探头的轴线对称分布，且三个探头的轴线相互平行；
2、A探头和B探头发射超声信号入射至复合材料，经过粘接层达到金属环后，在金属内沿周向传播；A探头接收B探头发射超声信号，B探头接收A探头发射超声信号，两个相对的信号形成叠加信号；以两个相对信号形成叠加信号在超声仪满屏高度，作为缺陷判定阈值；当叠加信号幅值低于超声仪满屏高度的30％～50％时，粘接区域存在可检缺陷，否则为不存在可检缺陷；
3、C探头通过垂直入射的方式将超声信号传播至复合材料中，当C探头的信号幅值低于超声仪满屏高度的20％～40％时，粘接区域耦合状态合格；
4、测量粘接质量：对有机玻璃延迟块施加力，当通道2接收到的C探头的反射波幅值≤耦合状态判定阈值时，若通道1接收到的探A头和B探头的叠加超声波幅值≤缺陷判定阈值，则存在脱粘缺陷；若通道1接收到的探头A和探头B的叠加超声波幅值>缺陷判定阈值，则不存在脱粘缺陷；
当通道2接收到的C探头在延迟块/柔性橡胶/复合材料界面的反射波幅值>耦合状态判定阈值时，耦合状态不合格，对有机玻璃延迟块施加力调整耦合处于合格状态，再按照耦合状态合格判断是否存在脱粘缺陷。
2.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤3中A探头和B探头发射超声信号时，以斜入射的方式将超声信号传播至复合材料中；所述斜入射角度相等且向外互反。
3.根据权利要求3所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述斜入射角度范围为10度～30度。
4.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤1和步骤3扫查方向的探头滚动方向与天线罩的轴线方向一致，步进方向与天线罩周向一致，扫查行间距不大于2.5mm。
5.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤2采用喷水穿透超声C扫检测法时，水柱直径不大于5mm；探头沿着金属环的圆周的扫查行间距不大于1mm。
6.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤1的超声探头为干耦合滚轮超声探头，探头频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm，探头具有压力调节装置，最大压力不小于20N。
7.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤2的超声探头为高频聚焦探头，频率范围为10MHz～20MHz，-6dB焦点直径不大于3mm。
8.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤3的超声探头的频率范围为0.2MHz～2.25MHz，晶片直径不大于10mm。
9.根据权利要求1所述陶瓷基复合材料天线罩与金属环粘接结构的超声检测方法，其特征在于：所述步骤3的柔性橡胶的厚度小于0.5mm。
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