2.雙入射角超聲波頻譜法對界面缺陷和粘接質量的評價
粘接劑連接的完整性依賴于粘接劑與被粘接體之間的界面性質，也依賴于粘接劑本身的性質。有兩種方式會導致材料過早失效，一是粘接劑本身發(fā)生破裂；二是粘接劑和被粘接層的接觸面或接近于接觸面處發(fā)生破裂。按照傳統(tǒng)的線性檢測理論很難檢測粘接劑連接結構的界面缺陷，鑒于粘接失效的早期通常會出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，所以對于粘接劣化的早期缺陷，通常采用非線性理論予以研究。其中一種非線性理論是基于高次諧波，通過分析穿透粘接層或從粘接層反射回的超聲波來評價粘接層。研究認為諧振振幅與粘接強度之間有明顯的相關性。另一種方法是在準靜態(tài)或低頻加載情況下對粘接層的整體特性進行測量。
研究表明，可以將非線性聲學測量方法用于復合材料中缺陷的探測和材料診斷，并且這已在廣泛采用的超聲波技術中得到部分證實。通過非線性聲學理論，已從小裂紋中觀察到高次諧波和次諧波的產(chǎn)生及其無秩序行為。不規(guī)則的裂紋表面之間為非線性赫茲接觸，裂紋兩表面之間的撞擊應力取決于諧振狀態(tài)下的聲波幅值。在非線性超聲波診斷中，有一種方法與上述理論略有不同，即對被測試樣施加動態(tài)載荷，當然該載荷的交變頻率低于超聲波頻率。然后分析不完整表面或裂紋對超聲波信號的調制作用。由此造成的裂紋閉合及超聲波調制有利于提高對裂紋的檢測能力。這個調制作用也可以通過使用激光脈沖輻射造成的熱效應或其他機械方式產(chǎn)生。
S.I.Rokhlin等人給出一種由線性和非線性組合式的超聲波調制方法，對粘接層的完整性進行定量評價。通過對粘接層表面施加低頻動態(tài)壓縮/拉伸振動，進一步改善了超聲波脈沖技術對粘接層不完整性的識別效果。研究表明，基于反射高頻超聲波脈沖和低頻動態(tài)振動相結合的檢測方法建立起來的線性/非線性混合技術能夠反映粘接層質量的劣化。
基于早期的研究工作，s. I. Rokhlin等人提出采用斜入射超聲波頻譜方法表征和評價粘接層特性和劣化程度。在線性檢測方法中，利用超聲波反射信號可以反演粘接層的完整性，該性質與粘接質量的劣化程度相關。最近提出了一種反演運算，它允許通過垂直入射和斜入射的反射頻譜聯(lián)合從整體上無損評定界面剛度和粘接質量。利用彈簧模型來描述粘接劑和基底的界面，當界面彈簧的法向剛度和剪切剛度都大于1015N/m3時，線性超聲波檢測結果表明其粘接良好；當剪切剛度為無限小時，界面粘接層對剪切應力不再有阻力，也就是說它已經(jīng)退化成一個理想的滑移層了(完全脫粘)。因此，在線性超聲波方法中，界面彈簧的剛性已經(jīng)被作為評價界面損壞程度的定量參數(shù)。根據(jù)垂直入射和斜入射情況下得到的粘接層諧振頻譜，可以從實驗數(shù)據(jù)中重建粘接層的完整性和界面彈簧的剛度。在本研究中，為了解釋采用調制方法得到的實驗結果，假設接觸彈簧的數(shù)目與調制載荷有關，對線性彈簧剛性的概念進行了修正。提出了一種反演運算方法，它可以根據(jù)垂直和斜入射情況下得到的反射波頻譜同時測量出界面彈性和粘接接頭整體性能。反射波頻譜依賴多個參數(shù)：彈性模量、厚度、密度、縱向和剪切方向的衰減，還有垂直方向和剪切方向復數(shù)形式的彈簧常數(shù)(該常數(shù)主要由四個參數(shù)表示：兩個實數(shù)和兩個虛數(shù))。由于聲波在層中的衰減與界面的損失通常很難區(qū)分開來(實際上，聲波的衰減與界面彈簧常數(shù)中的虛部有關)，因此，應根據(jù)占主導地位的物理機制來假設層中衰減系數(shù)或界面損失哪個參數(shù)是未知的。通過兩套無量綱參數(shù)就可以完全確定這個未知變量。計算過程是通過對垂直和斜入射時測量到的頻譜使用最小二乘法獲得的。
按照這樣一種方式，通過線性理論應該能判斷出由外界環(huán)境所導致的粘接劣化程度。但是粘接質量的好壞在線性超聲波檢測結果中的反差很小，也就是說很難從線性超聲波信號中區(qū)別出粘接不良區(qū)和粘接良好區(qū)。首先基材性能的變化和聲束是否對準等情況都會直接影響檢測結果，致使僅僅按照線性超聲波方法在對粘接層進行重構時很容易產(chǎn)生錯誤。此外，加工過程中在粘接層上產(chǎn)生的靜態(tài)殘余壓應力也給線性超聲波檢測方法判斷粘接質量帶來困難。在靜態(tài)壓應力下，從不完整粘接層中反射回的小振幅高頻超聲波信號與良好粘接層中反射回的信號有時會有同樣的特征。這是因為超聲波應力幅度太小，以至于不能抵消殘余壓應力的影響。在這種情況下，就不能通過線性超聲波方法區(qū)分粘接質量不同的材料。
為此需對界面進行應力調制。如上所述，把粘接結構的低頻振動與線性脈沖法混疊，用雙聲束測量技術測得的回波來共同評價接頭質量。對于粘接良好的予以通過，其中界面剛度不依賴于本實驗條件下的低頻應力(假設調制應力低于在良好粘接上產(chǎn)生非線性行為的門檻值)。在粘接不良的情況下，接頭由于低頻壓縮/拉伸應力作用，其界面剛度會降低。在低頻壓縮/拉伸循環(huán)應力作用下，界面剛度會發(fā)生變化，這種低頻拉壓應力會對超聲波反射信號的頻譜極小值產(chǎn)生低頻調制。研究表明，由粘接層厚度改變產(chǎn)生的調制所引起的調頻效應是可以忽略的。
圖10-21中形象地描繪了本研究中的應力分布，如果在樣品上施加循環(huán)應力，則粘接界面就會處于低頻拉壓交變應力作用之下。如圖10-21所示(右側)，對于弱粘接界面，從粘接層反射回的超聲波信號的頻譜極小值在加載條件下會發(fā)生移動。對于粘接層的不同應力狀態(tài)，利用斜入射的周期性，通過超聲波頻譜可以對加載條件下粘接層的特性進行評價。采取的方式是同步進行低頻連續(xù)激發(fā)以及高頻超聲波脈沖觸發(fā)，并對接收信號進行頻譜測定。
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