本發(fā)明涉及一種檢測(cè)方法，尤其是涉及一種金屬基復(fù)合材料脫粘檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

金屬基復(fù)合材料是航空航天領(lǐng)域的常用材料，在民用領(lǐng)域中也常用于絕熱層等。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在金屬基體(如鋼)下表面粘接有一層或多層材料(如其他金屬、橡膠、陶瓷)，工藝要求各粘接層之間不允許出現(xiàn)脫粘，否則將嚴(yán)重影響金屬?gòu)?fù)合材料的整體性能。

針對(duì)這種材料的檢測(cè)方法以前出現(xiàn)過(guò)x射線(xiàn)、紅外熱成像、激光全息、超聲導(dǎo)波等技術(shù)，在檢測(cè)脫粘損傷方面存在著各種缺點(diǎn)。

x射線(xiàn)透射照相技術(shù)是利用x射線(xiàn)對(duì)材料進(jìn)行多方位的切向膠片照相，從膠片上對(duì)脫粘、層厚及其不一致性作人工判讀。由于x射線(xiàn)對(duì)空氣層非常不敏感，該方法常常不能保證界面處于貼合脫粘狀態(tài)的檢出，另外檢測(cè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、設(shè)備龐大、檢測(cè)不方便、對(duì)人體不安全。

紅外檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)被測(cè)件在加熱或冷卻過(guò)程中溫度變化的差異來(lái)判斷粘接結(jié)構(gòu)，該方法對(duì)基層的厚度和材料的導(dǎo)熱系數(shù)有一定的要求，基層太厚或者導(dǎo)熱系數(shù)太高都會(huì)影響到檢測(cè)靈敏度。

激光全息檢測(cè)技術(shù)受制于金屬?gòu)?fù)合材料的剛性運(yùn)動(dòng)和溫度變化，而且激光的穿透性很差，設(shè)備穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性也比較差，該技術(shù)目前尚不成熟。

超聲導(dǎo)波是利用超聲導(dǎo)波在材料中傳播的色散特性會(huì)受粘接界面缺陷的影響而進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)導(dǎo)波模式和頻率的選擇性較高，如果是傳統(tǒng)壓電超聲該方法需要耦合劑，對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料表面要求較高，不能適應(yīng)復(fù)雜的曲面，而且傳統(tǒng)壓電超聲方法比較難以產(chǎn)生豐富的超聲導(dǎo)波模式。另外受制于頻率和波長(zhǎng)等的影響，該方法檢測(cè)分辨率較低。

而且上述方法對(duì)粘接材料為其他種類(lèi)的金屬時(shí)，通常無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是：提供一種對(duì)脫粘狀態(tài)的辨識(shí)度高，不需要耦合劑，對(duì)被檢測(cè)的金屬?gòu)?fù)合材料沒(méi)有形狀要求，同時(shí)也可以在野外環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)的金屬基復(fù)合材料脫粘檢測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種金屬基復(fù)合材料脫粘檢測(cè)方法，主要包括以下步驟:

步驟1：將電磁超聲體波換能器放置于金屬基復(fù)合材料的金屬基體表面上；

步驟2：根據(jù)金屬基復(fù)合材料中金屬基體的厚度，由下述公式(1)、公式(2)計(jì)算出激勵(lì)源的激發(fā)頻率f，同時(shí)設(shè)置激勵(lì)時(shí)間超過(guò)至少一個(gè)回波的時(shí)間；

f＝nf0公式(2)

式中f0為金屬基復(fù)合材料的共振基頻，v為超聲波沿厚度方向的傳播速度，d為金屬基體的厚度；f為金屬基復(fù)合材料的激發(fā)頻率，且n為整數(shù)，超聲波在金屬基復(fù)合材料中形成共振；

步驟3：將上述激勵(lì)源輸入電磁超聲體波換能器，在金屬基體中產(chǎn)生超聲波，超聲波傳播至粘接面后發(fā)生反射，反射的超聲波向上傳播至電磁超聲體波換能器，在電磁超聲體波換能器中形成回波信號(hào)，并將回波信號(hào)反饋至計(jì)算機(jī)，生成圖像和數(shù)據(jù)，并對(duì)粘接程度進(jìn)行分析；

步驟4：將電磁超聲體波換能器依次移動(dòng)到其他待檢測(cè)位置，形成回波信號(hào)，并將回波信號(hào)反饋至計(jì)算機(jī)，分別生成對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置的圖像和數(shù)據(jù)，并分別對(duì)其他檢測(cè)位置的粘接程度進(jìn)行分析。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述電磁超聲體波換能器包括永磁體和體波線(xiàn)圈，所述永磁體施加垂直于金屬基體表面的磁場(chǎng)，所述體波線(xiàn)圈平行置于金屬基體表面并由脈沖電流激勵(lì)，通過(guò)感應(yīng)自金屬中產(chǎn)生表面電流，電流在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用，在金屬基體表面形成振動(dòng)的應(yīng)力波，并垂直向下傳播。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述應(yīng)力波為徑向偏振的橫波。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述體波線(xiàn)圈為螺旋狀線(xiàn)圈。

作為優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激勵(lì)源采用正負(fù)交變多周期連續(xù)脈沖。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1.本發(fā)明方法使用電磁超聲體波，由于該模式為徑向偏振的橫波，傳播速度相對(duì)于傳統(tǒng)壓電超聲的縱波要慢，更容易將頻率調(diào)制到超聲檢測(cè)的常用頻段范圍；同時(shí)不需要耦合劑，對(duì)被檢測(cè)的金屬?gòu)?fù)合材料沒(méi)有形狀要求，也可以在野外環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)；

2.本發(fā)明方法采用的共振原理對(duì)脫粘狀態(tài)的辨識(shí)度非常高，具有非常高的靈敏度，分辨率通常為電磁超聲體波換能器的線(xiàn)圈面積的一半；

3.本發(fā)明方法使用電磁超聲體波換能器，由于不需要耦合劑，電磁超聲體波換能器吸收從金屬?gòu)?fù)合材料中發(fā)射回來(lái)的超聲波能量非常低，超聲波在金屬基體界面來(lái)回反射損失的能量相比傳統(tǒng)壓電超聲要低很多，這對(duì)電磁超聲體波換能器捕捉復(fù)合材料內(nèi)部界面反射的超聲波信號(hào)尤其重要；

4.本發(fā)明方法的電磁超聲體波換能器與金屬?gòu)?fù)合材料表面無(wú)需接觸且對(duì)金屬?gòu)?fù)合材料表面無(wú)要求，檢測(cè)速度快；

5.本發(fā)明方法可以采用手持式電磁超聲體波換能器，也可以采用自動(dòng)化的電磁超聲體波換能器，使用方式非常靈活。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1為金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為單周期脈沖5mhz激發(fā)4mm鋼板電磁超聲回波信號(hào)示意圖；

圖3為單周期脈沖2.5mhz激發(fā)2mm鋼板電磁超聲的模擬回波信號(hào)示意圖；

圖4為19周期脈沖2.5mhz激發(fā)2mm鋼板電磁超聲模擬十次回波信號(hào)示意圖(每周期衰減設(shè)為前一周期的0.9)；

圖5為19周期脈沖2.5mhz激發(fā)2mm鋼板電磁超聲模擬十次回波信號(hào)示意圖(每周期衰減設(shè)為前一周期的0.72)；

圖6為厚度2mm的鋼板在2.5mhz電磁超聲測(cè)厚儀7周期激發(fā)時(shí)的共振回波信號(hào)示意圖；

圖7為圖6中在鋼板背面貼有橡膠層復(fù)合材料的回波信號(hào)示意圖；

其中：1金屬基體，2第二復(fù)合層，3第三復(fù)合層，4第四復(fù)合層。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：一種金屬基復(fù)合材料脫粘檢測(cè)方法，主要包括以下步驟:

步驟1：將電磁超聲體波換能器放置于金屬基復(fù)合材料的金屬基體1表面上；

步驟2：根據(jù)金屬基復(fù)合材料中金屬基體1的厚度，由下述公式(1)、公式(2)計(jì)算出激勵(lì)源的激發(fā)頻率f，同時(shí)設(shè)置激勵(lì)時(shí)間超過(guò)至少一個(gè)回波的時(shí)間，該激勵(lì)源采用正負(fù)交變多周期連續(xù)脈沖進(jìn)行激勵(lì)，在金屬?gòu)?fù)合材料厚度方向產(chǎn)生共振；

f＝nf0公式(2)

式中f0為金屬基復(fù)合材料的共振基頻，v為超聲波沿厚度方向的傳播速度，d為金屬基體1的厚度；f為金屬基復(fù)合材料的激發(fā)頻率，當(dāng)n為整數(shù)時(shí)，每次反射回金屬?gòu)?fù)合材料表面的超聲波會(huì)與后面激發(fā)出來(lái)的超聲波或者是前次反射的超聲波疊加在一起，由于二者頻率和相位一致，會(huì)不斷增強(qiáng)，最終在一段時(shí)間內(nèi)接收到的每次回波信號(hào)的振幅依次增強(qiáng)，超聲波在金屬基復(fù)合材料中形成共振；若n不為整數(shù)，回波信號(hào)會(huì)呈現(xiàn)自然阻尼衰減的狀態(tài)，如圖2所示；

步驟3：將上述激勵(lì)源輸入電磁超聲體波換能器，在金屬基體1中產(chǎn)生超聲波，超聲波傳播至粘接面后發(fā)生反射，反射的超聲波向上傳播至電磁超聲體波換能器，在電磁超聲體波換能器中形成回波信號(hào)，并將回波信號(hào)反饋至計(jì)算機(jī)，生成圖像和數(shù)據(jù)，并對(duì)粘接程度進(jìn)行分析；

步驟4：將電磁超聲體波換能器依次移動(dòng)到其他待檢測(cè)位置，形成回波信號(hào)，并將回波信號(hào)反饋至計(jì)算機(jī)，分別生成對(duì)應(yīng)檢測(cè)位置的圖像和數(shù)據(jù)，并分別對(duì)其他檢測(cè)位置的粘接程度進(jìn)行分析。

本發(fā)明選用的直徑18毫米的電磁超聲體波換能器，對(duì)第一界面脫粘的分辨率達(dá)到直徑9毫米，該電磁超聲體波換能器包括永磁體和體波線(xiàn)圈，所述永磁體施加垂直于金屬基體1表面的磁場(chǎng)，所述體波線(xiàn)圈平行置于金屬基體1表面并由脈沖電流激勵(lì)，通過(guò)感應(yīng)自金屬中產(chǎn)生表面電流，電流在磁場(chǎng)中受洛倫茲力的作用，在金屬基體1表面形成振動(dòng)的應(yīng)力波，并垂直向下傳播，其中應(yīng)力波為徑向偏振的橫波，體波線(xiàn)圈為螺旋狀線(xiàn)圈，該形狀的優(yōu)點(diǎn)是帶寬高，共振頻率高，制作時(shí)可以根據(jù)需要密集環(huán)繞以增強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)又可以在遠(yuǎn)離線(xiàn)圈共振的頻率工作。

為了說(shuō)明本方法的效果，圖3模擬了2.5mhz的一個(gè)激發(fā)周期對(duì)2mm鋼板的測(cè)厚信號(hào)，發(fā)射信號(hào)峰峰值為2mv，假設(shè)剛開(kāi)始全部能量都打入金屬?gòu)?fù)合材料，以后每次回波振幅都會(huì)衰減到上一個(gè)的0.9，由圖3可知回波幅度從峰值2mv依次遞減。

圖4相對(duì)于圖3的參數(shù)變化是激發(fā)周期從一個(gè)周期變成了19個(gè)周期，這樣金屬?gòu)?fù)合材料在厚度方向發(fā)生了共振，到12μs時(shí)回波幅度單峰值達(dá)到了近200mv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于圖3的回波信號(hào)。

圖5相對(duì)于圖4的參數(shù)變化是衰減系數(shù)變了，衰減系數(shù)由0.9變成0.72，即每次增加了20％的衰減幅度。這種情況對(duì)應(yīng)金屬基復(fù)合材料粘接完好的情況，相應(yīng)圖4對(duì)應(yīng)金屬基復(fù)合材料脫粘的情況。

由圖5可知，每次回波增加20％的衰減就完全破壞了圖4中回波信號(hào)快速遞增的勢(shì)頭，在15μs左右差別已經(jīng)非常明顯了。

由于圖4和圖5都只模擬了10次回波，如果觀(guān)察時(shí)間更長(zhǎng)，比如說(shuō)15μs以后，我們可以推斷圖4和圖5的信號(hào)差別會(huì)更加明顯，這為我們利用電磁超聲測(cè)厚儀器在金屬?gòu)?fù)合材料厚度方向產(chǎn)生共振來(lái)檢測(cè)金屬基復(fù)合材料脫粘提供了依據(jù)。

圖6為使用本方法檢測(cè)一塊厚度2毫米金屬基復(fù)合材料時(shí)，在脫粘處和非脫粘處的信號(hào)，檢測(cè)的頻率為2.5mhz，大約為基本頻率的3倍；激勵(lì)時(shí)間約為單回波時(shí)間的2.3倍。在脫粘處，20μs到40μs時(shí)間范圍內(nèi)信號(hào)出現(xiàn)最強(qiáng)共振信號(hào)；而在粘接完好的地方(圖7)，由于粘接物的存在，信號(hào)阻尼衰減變大，在20μs到40μs范圍內(nèi)我們觀(guān)察到差別非常明顯的信號(hào)。如果對(duì)20μs到40μs設(shè)置一個(gè)報(bào)警閘門(mén)窗口，我們就會(huì)很方便地自動(dòng)檢測(cè)出脫粘的地方。

如果要對(duì)第二界面(第二復(fù)合層2和第三復(fù)合層3之間)、第三界面(第三復(fù)合層3和第四復(fù)合層4之間)的粘接程度進(jìn)行檢測(cè)，則只需要計(jì)算出金屬基體1與第一粘接層結(jié)合后新的共振基頻，重新調(diào)制激勵(lì)源頻率即可。

本檢測(cè)方法檢測(cè)金屬基復(fù)合材料非常有效，通常200v的激勵(lì)電壓就能達(dá)到非常好的效果，為了提高在特殊情況下系統(tǒng)的靈敏度，本方法采用了峰峰值1200vpp的激勵(lì)源，極大地提高了對(duì)第二界面和第三界面的檢測(cè)靈敏度。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。