金屬鋼板／陶瓷材料膠結(jié)缺陷超聲波C掃描成像技術(shù)

劉 凱，陳 斌，鄭立生，朱 杉

（空軍駐山東地區(qū)軍事代表室，濟(jì)南 250023）

金屬鋼板／陶瓷材料粘接結(jié)構(gòu)是導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中的重要構(gòu)件。它既是導(dǎo)彈彈體的組成部分，又是雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)的組成部分；它既是導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)件，又是功能件。因此，對(duì)金屬鋼板／陶瓷材料粘接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量提出了很高的要求。導(dǎo)彈的飛行速度很高，一般為3～5倍的音速，金屬鋼板／陶瓷材料粘接結(jié)構(gòu)中有任何一點(diǎn)缺陷都會(huì)對(duì)整個(gè)導(dǎo)彈的飛行安全構(gòu)成威脅，甚至?xí)?dǎo)致導(dǎo)彈無(wú)法完成對(duì)目標(biāo)的打擊。

在金屬鋼板／陶瓷材料粘接件制造過(guò)程中，由于制造工藝的波動(dòng)性，尤其是在金屬鋼板與陶瓷材料的粘接裝配工藝中，難免會(huì)出現(xiàn)局部的工藝缺陷，盡管有時(shí)缺陷非常小，但它對(duì)金屬鋼板／陶瓷材料粘接構(gòu)件性能、可靠性與安全性會(huì)構(gòu)成很大威脅。因此，為了確保金屬鋼板／陶瓷材料粘接構(gòu)件質(zhì)量，準(zhǔn)確、有效地對(duì)粘接膠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，研究金屬鋼板／陶瓷材料粘接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有著十分重要的意義。

超聲C掃描成像技術(shù)是實(shí)現(xiàn)缺陷定性、定位、定量以及無(wú)損評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。工程材料在制造和使用過(guò)程中呈現(xiàn)出各種尺度和維數(shù)的缺陷，極大地影響著材料整體力學(xué)性能，因此對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)成為深入認(rèn)識(shí)工程結(jié)構(gòu)材料性能的首要任務(wù)，超聲C掃描成像技術(shù)是判定材料內(nèi)部質(zhì)量缺陷的最佳無(wú)損檢測(cè)手段之一。

筆者采用超聲波C掃描彩色成像技術(shù)對(duì)金屬鋼板／陶瓷材料粘接質(zhì)量進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)對(duì)反射圖像色彩的對(duì)比分析，判定金屬鋼板與陶瓷材料粘接界面存在的缺陷類型，從而對(duì)金屬鋼板／陶瓷材料粘接結(jié)構(gòu)質(zhì)量做出準(zhǔn)確評(píng)判。

1 試驗(yàn)部分

1.1 超聲波C掃描檢測(cè)膠接缺陷的原理

圖1 超聲波C掃描檢測(cè)鋼－陶瓷膠接缺陷示意圖

圖1為采用超聲波C掃描技術(shù)檢測(cè)金屬鋼板／陶瓷材料膠接缺陷示意圖。探傷儀通過(guò)探頭向被測(cè)金屬鋼板／陶瓷材料膠接件發(fā)射脈沖超聲波，垂直入射的超聲波一部分會(huì)在金屬鋼板表面產(chǎn)生反射，形成反射波，另一部分入射到鋼內(nèi)部繼續(xù)向前傳播，并在鋼－膠粘劑－陶瓷膠接界面產(chǎn)生折射和反射。當(dāng)膠接界面的粘接質(zhì)量發(fā)生改變時(shí)，超聲波在膠接界面的反射和折射能量的分配將會(huì)直接受到影響［1］。

由于鋼的聲阻抗比石英陶瓷和粘接膠層的聲阻抗大得多（鋼、陶瓷和粘接膠層的聲阻抗分別為4.87×106，0.98×106和0.67×106g·cm－2·s－1），而陶瓷與粘接膠層的聲阻抗相近，且膠層很?。é模?.2mm）。因此，分析時(shí)將它等效為鋼－陶瓷膠接結(jié)構(gòu)，如圖2。

圖2 鋼－陶瓷膠接結(jié)構(gòu)超聲波反射和透射

當(dāng)金屬鋼板－陶瓷材料膠接界面在聲波傳播方向的厚度大于聲波波長(zhǎng)時(shí)，各次聲波在膠接界面的反射聲強(qiáng)I1表示為［1］：

式中I0為入射聲強(qiáng)；Z1和Z2分別為鋼和陶瓷的聲阻抗。

當(dāng)超聲波從粘接膠層垂直入射到與缺陷（大多為氣孔）的交界處時(shí)，在該處產(chǎn)生反射和透射，此時(shí)，在膠接界面的反射聲強(qiáng)I2表示為：

式中Z3和Z4分別為粘接膠層和空氣的聲阻抗。

（1）如果金屬鋼板－陶瓷材料膠接界面無(wú)膠接缺陷（如脫粘）存在，在其它條件一定時(shí)，聲波在膠接界面的反射取決于膠接層和兩側(cè)材質(zhì)的聲阻抗，對(duì)于圖1所示的金屬鋼板－陶瓷材料膠接結(jié)構(gòu)，由于鋼的聲阻抗Z1比Z2陶瓷的阻抗大，（Z1／Z2）≈4.97，根據(jù)式（1）計(jì)算，反射聲強(qiáng)I2≈0.44I0。如果不考慮散射等其它因素影響，每次入射到膠接界面的聲波將有約44%的能量反射回去（圖2）。

（2）如果膠接界面存在缺陷（如脫粘），由于通常脫粘缺陷內(nèi)多為分層或氣孔，而空氣的聲阻抗Z4只有40g·cm－2·s－1，而Z4?Z3，根據(jù)式（2）計(jì)算，反射聲強(qiáng)I2≈I0，超聲波都將在缺陷處產(chǎn)生反射。

由此可見，用超聲波方法可以有效地檢測(cè)金屬鋼板－陶瓷材料膠接結(jié)構(gòu)存在的缺陷。

1.2 試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備

某型導(dǎo)彈用金屬鋼板與陶瓷材料粘接件（自制）。超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)為TomoScan FOCUSLT型，由加拿大RD／TECH公司生產(chǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波C掃描工藝

根據(jù)膠接界面情況，超聲波C掃描檢測(cè)系統(tǒng)采用水浸聚焦探頭、水浸式脈沖回波反射法檢測(cè)。檢測(cè)前，應(yīng)對(duì)制品進(jìn)行目視檢查，確保制品表面清潔無(wú)污染，異?，F(xiàn)象應(yīng)記錄下來(lái)并在超聲記錄圖上和制品表面上進(jìn)行標(biāo)示。然后將導(dǎo)彈雷達(dá)天線罩固定在超聲C掃描系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤上并旋緊固定。

為了提高分辨率，一般在作超聲波C掃描時(shí)應(yīng)根據(jù)探頭的焦距和金屬鋼板的厚度，確定探頭與金屬鋼板表面的距離，使得探頭的焦點(diǎn)落在膠接層上。檢測(cè)時(shí)，掃描速度不大于50mm／s，步進(jìn)速度不大于30mm／s；掃描精度不大于最小缺陷的1／3，一般選擇0.2mm；對(duì)金屬鋼板－陶瓷材料膠接區(qū)域進(jìn)行100%檢測(cè)。超聲C掃描成像檢測(cè)具體工藝參數(shù)如下：頻率為5MHz，晶片直徑為25.4mm（1in），焦距為76.2mm（3in），耦合劑力純凈水，耦合方式為水浸耦合。

2.2 結(jié)果分析

在金屬鋼板／陶瓷材料膠接界面主要缺陷有：分層、孔隙和弱粘型缺陷。其中孔隙缺陷比例最高，超過(guò)70%，分層和弱粘型缺陷相對(duì)較低。

從超聲C掃描檢測(cè)原理可知，有膠接缺陷的聲壓反射率明顯高于無(wú)膠接缺陷的聲壓反射率。反映到超聲波C掃描圖像上，膠接缺陷處的顏色明顯比無(wú)膠接缺陷處顏色深一些。因而可根據(jù)超聲波C掃描圖像上色彩的差異，辨別出金屬鋼板／陶瓷材料膠接界面內(nèi)部的分層、孔隙和弱粘型等常見缺陷。由于金屬鋼板／陶瓷材料粘接過(guò)程的復(fù)雜性和固化過(guò)程的差異，引起粘接過(guò)程受力和溫度分布的復(fù)雜，致使膠粘劑流動(dòng)形式也相對(duì)復(fù)雜得多，產(chǎn)生的缺陷類型及分布也有所不同［2－3］。

2.2.1 分層缺陷

對(duì)于層間檢測(cè)，超聲波C掃描檢測(cè)結(jié)果只能提供金屬鋼板／陶瓷材料粘接界面的質(zhì)量信息，無(wú)法給出缺陷形成的確切原因。缺陷與被檢制品的結(jié)構(gòu)形式有一定的關(guān)聯(lián)性，分層缺陷的形成機(jī)制較為復(fù)雜，原因較多。

圖3為分層缺陷。相對(duì)于無(wú)粘接缺陷區(qū)域，分層缺陷處顏色明顯較深，接近黑色，呈連續(xù)不規(guī)則皺折狀。這是由于分層缺陷處，存在膠粘劑與空氣的界面，當(dāng)超聲波入射到該界面時(shí)，根據(jù)式（2），反射聲強(qiáng)I2＝I0，而無(wú)缺陷區(qū)域反射聲強(qiáng)I1＝0.44I0，因而超聲波C掃描圖像上分層缺陷處顏色較深，接近黑色。這種缺陷一般發(fā)生在粘接界面的邊緣。

圖3 分層缺陷超聲波C掃描圖像

結(jié)合金屬鋼板／陶瓷材料粘接工藝分析，局部的分層表征著嚴(yán)重的局部損傷。一方面粘接過(guò)程中受力不均會(huì)造成膠粘劑分布不均，以及結(jié)構(gòu)中溫度分布不均，固化過(guò)程中制品內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致分層；另一方面排氣不暢，固化過(guò)程中孔隙長(zhǎng)大連接在一起形成分層，其形成機(jī)制與孔隙相同；還有可能是膠粘劑局部污染、夾雜等造成分層。

2.2.2 孔隙缺陷

孔隙和氣孔形成機(jī)制基本相同，主要來(lái)源均是夾雜空氣、吸濕水、揮發(fā)性溶劑等。氣孔是孔隙長(zhǎng)大到一定程度，呈宏觀狀態(tài)出現(xiàn)的一種缺陷形式。氣孔多以單個(gè)狀態(tài)出現(xiàn)，而孔隙多呈密集型分布。

圖4 孔隙缺陷超聲波C掃描圖像

圖4為孔隙缺陷。由于孔隙缺陷中大都是空氣，因此在超聲波C掃描圖像上孔隙缺陷區(qū)域比無(wú)粘接缺陷區(qū)域顏色深一些；而又因?yàn)榭紫度毕莩拭芗头植迹虼朔从吃诔暡–掃描圖像上，深色區(qū)域與淺色區(qū)域交替分布。

結(jié)合金屬鋼板／陶瓷材料粘接工藝分析，孔隙缺陷可能是由于固化工藝不當(dāng)、夾雜空氣和揮發(fā)成份不易排出等原因造成的。

2.2.3 弱粘型缺陷

圖5為弱粘型缺陷的超聲波C掃描圖像。弱粘型缺陷區(qū)域與無(wú)缺陷區(qū)域色差較小，無(wú)明顯邊界。弱粘型缺陷可能是膠粘劑成分差異，造成固化不充分，從而使固化后的膠粘層存在局部密度差異，進(jìn)而導(dǎo)致超聲波C掃描圖像中小區(qū)域內(nèi)輕微色差。

圖5 弱粘型缺陷超聲波C掃描圖像

結(jié)合粘接工藝分析，弱粘型缺陷可能是制備膠粘劑時(shí)，各組分?jǐn)嚢璨痪?，固化時(shí)受壓不均，或局部溫度異常導(dǎo)致膠粘劑固化不均，造成弱粘型缺陷。

3 超聲波C掃描成像的影響因素

超聲波C掃描成像時(shí)有許多影響因素。這些影響因素會(huì)引起誤判，掩蓋缺陷。超聲波C掃描成像的主要影響因素為：耦合劑的純度和水浸聚焦探頭頻率的選擇。

試驗(yàn)采用的耦合劑是純凈水。但通常桶裝的純凈水中都溶解有大量的空氣，即在檢測(cè)時(shí)耦合劑中含有大量氣泡，這會(huì)嚴(yán)重影響超聲波C掃描檢測(cè)缺陷的能力，容易引起誤判。因此在檢測(cè)前，應(yīng)將純凈水倒入檢測(cè)槽中，靜置8h以上，釋放溶解的空氣，從而減小氣泡的影響。

對(duì)于高頻率的水浸聚焦探頭，分辨力好、脈沖窄、能量小、穿透性差、噪聲高、信噪比差；而對(duì)于低頻率的水浸聚焦探頭，分辨力差、脈沖寬、能量大、穿透性好、噪聲低、信噪比好；所以必須選擇一個(gè)合適頻率的探頭。高頻探頭雖然分辨力好，但它同時(shí)會(huì)帶來(lái)噪聲高，使雜波增多（因探頭、儀器、耦合劑等產(chǎn)生的一些雜亂的非缺陷回波），而且雜波常出現(xiàn)在底波之前，與缺陷回波混在一起，干擾缺陷回波的確認(rèn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)多次試驗(yàn)優(yōu)選，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比所使用的水浸聚焦探頭，在同樣掃描條件下，5MHz水浸聚焦探頭要比10MHz水浸聚焦探頭C掃描檢測(cè)結(jié)果更加清晰可辨，所以選擇5MHz水浸聚焦探頭更加適合來(lái)檢測(cè)金屬鋼板／陶瓷材料膠接缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

采用超聲波C掃描成像技術(shù)對(duì)金屬鋼板／陶瓷材料粘接缺陷特征進(jìn)行了分析研究，其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。將超聲波C掃描成像檢測(cè)與制造工藝相結(jié)合，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并改進(jìn)制品生產(chǎn)工藝，對(duì)提高制品質(zhì)量有較大的實(shí)際意義。

［1］劉松平，郭恩明，張謙琳，等.復(fù)合材料深度方向超聲C掃描檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2001，23（1）：12－15.

［2］曹宗杰，陳懷東，薛錦，等.一種基于超聲C掃描成像原理的圖像邊緣檢測(cè)方法［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（5）：392－394.

［3］劉德鎮(zhèn)，魏星，周艷華.焊接缺陷的超聲C掃描成像［J］.焊接學(xué)報(bào)，1999，20（2）：77－83.