復合材料是指由母材（又稱基材）與復合層通過物理、機械或化學方法復合而成的材料。常見的復合材料是在碳鋼或低合金鋼母材上，復合非金屬或金屬等復合層（例如硝化纖維、不銹鋼、鈦、銅等），以防止異常燃燒引發(fā)爆炸或提高復合材料的耐腐蝕等性能。黏接劑黏接的復合材料，一般是薄壁金屬與薄壁非金屬[1-4]。

復合材料中的缺陷主要是母材與復合層界面上的未完全復合，包括氣泡、夾渣或脫黏等，可能呈完全脫開或不完全脫開狀態(tài)[5-7]。

某薄壁圓筒的內(nèi)筒（為非金屬材料硝化棉，壁厚為3 mm）與外筒（為金屬材料鋼，壁厚為1 mm）為搭接結(jié)構(gòu)，由黏接劑黏結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖 1薄壁圓筒結(jié)構(gòu)示意

設計圖紙要求外筒相對于內(nèi)筒的軸向拔斷力（以下簡稱黏接強度）為：一組平均結(jié)果不小于6 000 N，一組單發(fā)最小值不小于4 000 N。

1. 檢測黏接質(zhì)量的超聲波多次反射衰減法

該試驗使用超聲波多次衰減法檢測外筒與內(nèi)筒搭接的黏接質(zhì)量。

1.1 不同黏結(jié)質(zhì)量的超聲反射波特點

超聲檢測時，超聲波從金屬外筒一側(cè)射入時，有如下特點：①在示波屏上出現(xiàn)的各種反射波是重合的；②形成的反射波包絡面積的特征：黏接良好時面積較小，黏接不良時面積中等，沒有黏接時面積較大，黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形如圖2所示。

圖 2黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形示意

出現(xiàn)該波形差異的原因如下：①外筒是金屬材料，內(nèi)筒是非金屬材料。金屬外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒三者之間的聲阻抗相差很大；②金屬外筒與非金屬內(nèi)筒都很薄，黏結(jié)層也很?。ㄒ话慵s1 mm）；③黏結(jié)層內(nèi)的缺陷，例如氣泡、夾渣或脫黏等，基本平行于外筒與內(nèi)筒的黏結(jié)面；金屬外筒/黏結(jié)面/黏結(jié)層（缺陷）/黏結(jié)面/非金屬內(nèi)筒等處黏結(jié)剖面圖如圖3所示。

圖 3薄壁圓筒黏結(jié)剖面圖

1.2 不同黏結(jié)質(zhì)量的黏結(jié)面積

（1）黏結(jié)良好時，超聲波透射過外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒，并在內(nèi)筒內(nèi)表面返回；超聲能量在內(nèi)筒內(nèi)部被強烈吸收衰減，反射波次數(shù)很少，則在示波屏上，超聲波包絡面所包絡的面積較小，即黏結(jié)面積較小[見圖2（a）]。

（2）黏接不良時，有極少部分超聲能量進入黏結(jié)面，透射至在內(nèi)筒內(nèi)表面返回，超聲能量損耗較少，反射波次數(shù)較多，在示波屏上，超聲波包絡面所包絡的面積中等，即黏結(jié)面積中等[見圖2（b）]。

（3）沒有黏接時，即脫黏時，超聲波在外筒內(nèi)表面幾乎100%全反射，超聲波傳播僅限于外筒內(nèi)；超聲能量損耗特別少，反射波次數(shù)特別多，則在示波屏上，超聲波包絡面所包絡的面積較大[見圖2（c）]。

綜上所述，根據(jù)示波屏上超聲波包絡面所包絡的面積大小，可以辨別該薄壁圓筒外筒與內(nèi)筒搭接的黏結(jié)質(zhì)量（黏結(jié)良好、黏結(jié)不良、沒有黏接/脫黏等）。

2. 仿真模型

2.1 仿真模型設計

該試驗設計了幾個不同類型的仿真模型，具體如下：①仿真模型試件均為尚未黏接的薄壁圓筒本體（參見圖1）；②根據(jù)不同的黏接面積{全部黏結(jié)良好、部分黏結(jié)良好（>25%）、脫黏等}及狀態(tài){對稱分布或偏心分布等}，試驗設定6個型號仿真模型、每個型號制作兩個試件，即Ⅰ①、②~Ⅵ①、②；③將薄壁圓筒的圓周分成八等份，八等分示意如圖4所示，各等分部位分別編號為1#~8#；④設計對圓筒進行，均勻測試40次，即將內(nèi)筒與外筒整個圓周（360°）均勻分成40份，每一份9°。

圖 4薄壁圓筒八等分示意

2.2 黏接質(zhì)量超聲檢測

（1）Ⅰ號仿真模型（①、②）（全部脫殼）：不涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，并對此組合的薄壁圓筒，進行40次均勻超聲檢測/信號采集/數(shù)據(jù)處理，得到40個反射回波包絡線所包絡的面積值。

（2）Ⅱ號仿真模型（①、②）全部黏結(jié)良好，全部施涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

（3）Ⅲ號/Ⅳ號仿真模型（黏結(jié)面積為50%）：Ⅲ號（①、②）對稱分布：1#，2#，5#，6#黏結(jié)；3#，4#，7#，8#不黏結(jié)。Ⅳ號（①、②）偏心分布：1#，2#，3#，4#黏結(jié)；5#，6#，7#，8#不黏結(jié)。將上述兩個仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

（4）Ⅴ號/Ⅵ號仿真模型（黏結(jié)面積為75%）Ⅴ號（①、②）偏心分布：1#~6#黏結(jié)；7#、8#不黏結(jié)。Ⅵ號（①、②）對稱分布：1#~3#黏結(jié)，4#不黏結(jié)；5#~7#黏結(jié)，8#不黏結(jié)。將上述兩個仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按 Ⅰ號仿真模型相同程序處理。

2.3 黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗

（1）使用超聲波多次反射衰減法對各個仿真模型均勻檢測40次。

（2）計算各次檢測的超聲波包絡面的面積值。

（3）計算全部黏結(jié)與全部未黏結(jié)的包絡面面積平均值。

（4）計算各個仿真模型的整體包絡面面積值。

（5）進行拔斷力試驗，并記錄拔斷力測試結(jié)果。

（6）建立超聲波包絡面面積與拔斷力測試值的對應關(guān)系。

（7）根據(jù)設計圖紙要求，建立仿真模型黏接強度評價程序。

2.4 黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗數(shù)據(jù)

黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

3. 黏接強度無損評價

3.1 仿真模型黏接強度評價程序

（1）對仿真模型實施超聲波檢測40次，計算出黏結(jié)與未黏結(jié)狀態(tài)的超聲波包絡面所包絡的面積值，結(jié)果表明黏結(jié)面積不大于800，未黏結(jié)面積不小于2 600。

（2）根據(jù)表1進行綜合分析，得到黏結(jié)質(zhì)量為合格的驗收標準為：①40個黏結(jié)數(shù)據(jù)中，全部為黏結(jié)面積（參見Ⅱ①、Ⅱ②）；②40個黏結(jié)數(shù)據(jù)中，黏結(jié)面積總數(shù)超過20個，呈均勻分布（參見Ⅲ①、Ⅲ②）；③40個黏結(jié)數(shù)據(jù)中，黏結(jié)面積總數(shù)超過30個（參見Ⅴ①、Ⅴ②、Ⅵ①、Ⅵ②）。

（3）將本節(jié)所獲得的驗收標準存儲于數(shù)據(jù)庫。

3.2 薄壁圓筒黏接強度無損評價程序

（1）對受檢薄壁圓筒（批次檢驗）超聲檢測，按文章4.1節(jié)進行黏接強度無損評價。

（2）黏結(jié)強度無損評價為不合格的薄壁圓筒，可進行拔斷力試驗。拔斷力試驗合格者，可評為合格。

4. 數(shù)字化黏接強度無損評價裝置

研制了數(shù)字化黏接強度無損價裝置，該裝置由檢測工作臺、數(shù)據(jù)采集控制臺及主控制臺組成，所用A型脈沖反射式數(shù)字超聲檢測儀經(jīng)過再次改裝，能對超聲波多次衰減形成的超聲反射波包絡面的包絡面積值進行計算，對薄壁圓筒黏結(jié)強度進行數(shù)字化無損評估（NDE）。評價裝置外形如圖5所示，具體工作流程如下。

圖 5數(shù)字化黏接強度無損評價裝置外形

（1）可對每個受檢薄壁圓筒均勻檢測40次。每次檢測，重復如下操作：首先自動裝夾薄壁圓筒。然后操作x軸/y軸位移超聲探頭；最后采用油脂，操作油泵，自動涂抹耦合油脂，使超聲探頭與受檢區(qū)聲學耦合良好。

（2）計算各個超聲波反射波包絡面面積。

（3）按文章驗收標準，確定受檢薄壁圓筒是否合格，完成黏結(jié)強度無損評價。

（4）輸出打印。

5. 結(jié)論

文章介紹了一種用于檢測薄壁圓筒復合材料黏接質(zhì)量的超聲波多次反射衰減法。通過設計不同黏接面積和狀態(tài)的仿真模型，研究了超聲反射波特性與黏結(jié)質(zhì)量的關(guān)系，建立了相應的黏接強度無損評價標準和程序，研制了數(shù)字化黏接強度無損評價裝置并已投入生產(chǎn)應用且獲得好評。該試驗工藝為復合材料黏接質(zhì)量檢測提供了有效方法和參考依據(jù)，在實際生產(chǎn)中有一定應用價值。

文章來源——材料與測試網(wǎng)