分享：搭接黏接薄壁圆筒的超声检测

复合材料是指由母材（又称基材）与复合层通过物理、机械或化学方法复合而成的材料。常见的复合材料是在碳钢或低合金钢母材上，复合非金属或金属等复合层（例如硝化纤维、不锈钢、钛、铜等），以防止异常燃烧引发爆炸或提高复合材料的耐腐蚀等性能。黏接剂黏接的复合材料，一般是薄壁金属与薄壁非金属[1-4]。 

复合材料中的缺陷主要是母材与复合层界面上的未完全复合，包括气泡、夹渣或脱黏等，可能呈完全脱开或不完全脱开状态[5-7]。 

某薄壁圆筒的内筒（为非金属材料硝化棉，壁厚为3 mm）与外筒（为金属材料钢，壁厚为1 mm）为搭接结构，由黏接剂黏结而成，其结构示意如图1所示。 

图  1  薄壁圆筒结构示意

设计图纸要求外筒相对于内筒的轴向拔断力（以下简称黏接强度）为：一组平均结果不小于6 000 N，一组单发最小值不小于4 000 N。 

1.   检测黏接质量的超声波多次反射衰减法

该试验使用超声波多次衰减法检测外筒与内筒搭接的黏接质量。 

1.1   不同黏结质量的超声反射波特点

超声检测时，超声波从金属外筒一侧射入时，有如下特点：①在示波屏上出现的各种反射波是重合的；②形成的反射波包络面积的特征：黏接良好时面积较小，黏接不良时面积中等，没有黏接时面积较大，黏接良好、不良与没有黏接的超声反射波形如图2所示。 

图  2  黏接良好、不良与没有黏接的超声反射波形示意

出现该波形差异的原因如下：①外筒是金属材料，内筒是非金属材料。金属外筒/黏结层/内筒三者之间的声阻抗相差很大；②金属外筒与非金属内筒都很薄，黏结层也很薄（一般约1 mm）；③黏结层内的缺陷，例如气泡、夹渣或脱黏等，基本平行于外筒与内筒的黏结面；金属外筒/黏结面/黏结层（缺陷）/黏结面/非金属内筒等处黏结剖面图如图3所示。 

图  3  薄壁圆筒黏结剖面图

1.2   不同黏结质量的黏结面积

（1）黏结良好时，超声波透射过外筒/黏结层/内筒，并在内筒内表面返回；超声能量在内筒内部被强烈吸收衰减，反射波次数很少，则在示波屏上，超声波包络面所包络的面积较小，即黏结面积较小[见图2（a）]。 

（2）黏接不良时，有极少部分超声能量进入黏结面，透射至在内筒内表面返回，超声能量损耗较少，反射波次数较多，在示波屏上，超声波包络面所包络的面积中等，即黏结面积中等[见图2（b）]。 

（3）没有黏接时，即脱黏时，超声波在外筒内表面几乎100%全反射，超声波传播仅限于外筒内；超声能量损耗特别少，反射波次数特别多，则在示波屏上，超声波包络面所包络的面积较大[见图2（c）]。

综上所述，根据示波屏上超声波包络面所包络的面积大小，可以辨别该薄壁圆筒外筒与内筒搭接的黏结质量（黏结良好、黏结不良、没有黏接/脱黏等）。 

2.   仿真模型

2.1   仿真模型设计

该试验设计了几个不同类型的仿真模型，具体如下：①仿真模型试件均为尚未黏接的薄壁圆筒本体（参见图1）；②根据不同的黏接面积{全部黏结良好、部分黏结良好（>25%）、脱黏等}及状态{对称分布或偏心分布等}，试验设定6个型号仿真模型、每个型号制作两个试件，即Ⅰ①、②~Ⅵ①、②；③将薄壁圆筒的圆周分成八等份，八等分示意如图4所示，各等分部位分别编号为1#~8#；④设计对圆筒进行，均匀测试40次，即将内筒与外筒整个圆周（360°）均匀分成40份，每一份9°。 

图  4  薄壁圆筒八等分示意

2.2   黏接质量超声检测

（1）Ⅰ号仿真模型（①、②）（全部脱壳）：不涂黏结剂，将外筒与内筒组合，并对此组合的薄壁圆筒，进行40次均匀超声检测/信号采集/数据处理，得到40个反射回波包络线所包络的面积值。 

（2）Ⅱ号仿真模型（①、②）全部黏结良好，全部施涂黏结剂，将外筒与内筒组合，按Ⅰ号仿真模型相同程序处理。 

（3）Ⅲ号/Ⅳ号仿真模型（黏结面积为50%）：Ⅲ号（①、②）对称分布：1#，2#，5#，6#黏结；3#，4#，7#，8#不黏结。Ⅳ号（①、②）偏心分布：1#，2#，3#，4#黏结；5#，6#，7#，8#不黏结。将上述两个仿真模型的外筒与内筒组合，按Ⅰ号仿真模型相同程序处理。 

（4）Ⅴ号/Ⅵ号仿真模型（黏结面积为75%）Ⅴ号（①、②）偏心分布：1#~6#黏结；7#、8#不黏结。Ⅵ号（①、②）对称分布：1#~3#黏结，4#不黏结；5#~7#黏结，8#不黏结。将上述两个仿真模型的外筒与内筒组合，按 Ⅰ号仿真模型相同程序处理。 

2.3   黏结质量与拔断力试验

（1）使用超声波多次反射衰减法对各个仿真模型均匀检测40次。 

（2）计算各次检测的超声波包络面的面积值。 

（3）计算全部黏结与全部未黏结的包络面面积平均值。 

（4）计算各个仿真模型的整体包络面面积值。 

（5）进行拔断力试验，并记录拔断力测试结果。 

（6）建立超声波包络面面积与拔断力测试值的对应关系。 

（7）根据设计图纸要求，建立仿真模型黏接强度评价程序。 

2.4   黏结质量与拔断力试验数据

黏结质量与拔断力试验数据如表1所示。 

3.   黏接强度无损评价

3.1   仿真模型黏接强度评价程序

（1）对仿真模型实施超声波检测40次，计算出黏结与未黏结状态的超声波包络面所包络的面积值，结果表明黏结面积不大于800，未黏结面积不小于2 600。 

（2）根据表1进行综合分析，得到黏结质量为合格的验收标准为：①40个黏结数据中，全部为黏结面积（参见Ⅱ①、Ⅱ②）；②40个黏结数据中，黏结面积总数超过20个，呈均匀分布（参见Ⅲ①、Ⅲ②）；③40个黏结数据中，黏结面积总数超过30个（参见Ⅴ①、Ⅴ②、Ⅵ①、Ⅵ②）。 

（3）将本节所获得的验收标准存储于数据库。 

3.2   薄壁圆筒黏接强度无损评价程序

（1）对受检薄壁圆筒（批次检验）超声检测，按文章4.1节进行黏接强度无损评价。 

（2）黏结强度无损评价为不合格的薄壁圆筒，可进行拔断力试验。拔断力试验合格者，可评为合格。 

4.   数字化黏接强度无损评价装置

研制了数字化黏接强度无损价装置，该装置由检测工作台、数据采集控制台及主控制台组成，所用A型脉冲反射式数字超声检测仪经过再次改装，能对超声波多次衰减形成的超声反射波包络面的包络面积值进行计算，对薄壁圆筒黏结强度进行数字化无损评估（NDE）。评价装置外形如图5所示，具体工作流程如下。 

图  5  数字化黏接强度无损评价装置外形

（1）可对每个受检薄壁圆筒均匀检测40次。每次检测，重复如下操作：首先自动装夹薄壁圆筒。然后操作x轴/y轴位移超声探头；最后采用油脂，操作油泵，自动涂抹耦合油脂，使超声探头与受检区声学耦合良好。 

（2）计算各个超声波反射波包络面面积。 

（3）按文章验收标准，确定受检薄壁圆筒是否合格，完成黏结强度无损评价。 

（4）输出打印。 

5.   结论

文章介绍了一种用于检测薄壁圆筒复合材料黏接质量的超声波多次反射衰减法。通过设计不同黏接面积和状态的仿真模型，研究了超声反射波特性与黏结质量的关系，建立了相应的黏接强度无损评价标准和程序，研制了数字化黏接强度无损评价装置并已投入生产应用且获得好评。该试验工艺为复合材料黏接质量检测提供了有效方法和参考依据，在实际生产中有一定应用价值。

文章来源——材料与测试网