2.雙入射角超聲波頻譜法對(duì)界面缺陷和粘接質(zhì)量的評(píng)價(jià)
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(zhì)，也依賴于粘接劑本身的性質(zhì)。有兩種方式會(huì)導(dǎo)致材料過(guò)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(cè)理論很難檢測(cè)粘接劑連接結(jié)構(gòu)的界面缺陷，鑒于粘接失效的早期通常會(huì)出現(xiàn)非線性現(xiàn)象，所以對(duì)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(guò)分析穿透粘接層或從粘接層反射回的超聲波來(lái)評(píng)價(jià)粘接層。研究認(rèn)為諧振振幅與粘接強(qiáng)度之間有明顯的相關(guān)性。另一種方法是在準(zhǔn)靜態(tài)或低頻加載情況下對(duì)粘接層的整體特性進(jìn)行測(cè)量。
研究表明，可以將非線性聲學(xué)測(cè)量方法用于復(fù)合材料中缺陷的探測(cè)和材料診斷，并且這已在廣泛采用的超聲波技術(shù)中得到部分證實(shí)。通過(guò)非線性聲學(xué)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(wú)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(yīng)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(duì)被測(cè)試樣施加動(dòng)態(tài)載荷，當(dāng)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(duì)超聲波信號(hào)的調(diào)制作用。由此造成的裂紋閉合及超聲波調(diào)制有利于提高對(duì)裂紋的檢測(cè)能力。這個(gè)調(diào)制作用也可以通過(guò)使用激光脈沖輻射造成的熱效應(yīng)或其他機(jī)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(diào)制方法，對(duì)粘接層的完整性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)粘接層表面施加低頻動(dòng)態(tài)壓縮/拉伸振動(dòng)，進(jìn)一步改善了超聲波脈沖技術(shù)對(duì)粘接層不完整性的識(shí)別效果。研究表明，基于反射高頻超聲波脈沖和低頻動(dòng)態(tài)振動(dòng)相結(jié)合的檢測(cè)方法建立起來(lái)的線性/非線性混合技術(shù)能夠反映粘接層質(zhì)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(píng)價(jià)粘接層特性和劣化程度。在線性檢測(cè)方法中，利用超聲波反射信號(hào)可以反演粘接層的完整性，該性質(zhì)與粘接質(zhì)量的劣化程度相關(guān)。最近提出了一種反演運(yùn)算，它允許通過(guò)垂直入射和斜入射的反射頻譜聯(lián)合從整體上無(wú)損評(píng)定界面剛度和粘接質(zhì)量。利用彈簧模型來(lái)描述粘接劑和基底的界面，當(dāng)界面彈簧的法向剛度和剪切剛度都大于1015N/m3時(shí)，線性超聲波檢測(cè)結(jié)果表明其粘接良好；當(dāng)剪切剛度為無(wú)限小時(shí)，界面粘接層對(duì)剪切應(yīng)力不再有阻力，也就是說(shuō)它已經(jīng)退化成一個(gè)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(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)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(diào)制方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，假設(shè)接觸彈簧的數(shù)目與調(diào)制載荷有關(guān)，對(duì)線性彈簧剛性的概念進(jìn)行了修正。提出了一種反演運(yùn)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(shí)測(cè)量出界面彈性和粘接接頭整體性能。反射波頻譜依賴多個(gè)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(fù)數(shù)形式的彈簧常數(shù)(該常數(shù)主要由四個(gè)參數(shù)表示：兩個(gè)實(shí)數(shù)和兩個(gè)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(kāi)來(lái)(實(shí)際上，聲波的衰減與界面彈簧常數(shù)中的虛部有關(guān))，因此，應(yīng)根據(jù)占主導(dǎo)地位的物理機(jī)制來(lái)假設(shè)層中衰減系數(shù)或界面損失哪個(gè)參數(shù)是未知的。通過(guò)兩套無(wú)量綱參數(shù)就可以完全確定這個(gè)未知變量。計(jì)算過(guò)程是通過(guò)對(duì)垂直和斜入射時(shí)測(cè)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(guò)線性理論應(yīng)該能判斷出由外界環(huán)境所導(dǎo)致的粘接劣化程度。但是粘接質(zhì)量的好壞在線性超聲波檢測(cè)結(jié)果中的反差很小，也就是說(shuō)很難從線性超聲波信號(hào)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(duì)準(zhǔn)等情況都會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果，致使僅僅按照線性超聲波方法在對(duì)粘接層進(jìn)行重構(gòu)時(shí)很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。此外，加工過(guò)程中在粘接層上產(chǎn)生的靜態(tài)殘余壓應(yīng)力也給線性超聲波檢測(cè)方法判斷粘接質(zhì)量帶來(lái)困難。在靜態(tài)壓應(yīng)力下，從不完整粘接層中反射回的小振幅高頻超聲波信號(hào)與良好粘接層中反射回的信號(hào)有時(shí)會(huì)有同樣的特征。這是因?yàn)槌暡☉?yīng)力幅度太小，以至于不能抵消殘余壓應(yīng)力的影響。在這種情況下，就不能通過(guò)線性超聲波方法區(qū)分粘接質(zhì)量不同的材料。
為此需對(duì)界面進(jìn)行應(yīng)力調(diào)制。如上所述，把粘接結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)與線性脈沖法混疊，用雙聲束測(cè)量技術(shù)測(cè)得的回波來(lái)共同評(píng)價(jià)接頭質(zhì)量。對(duì)于粘接良好的予以通過(guò)，其中界面剛度不依賴于本實(shí)驗(yàn)條件下的低頻應(yīng)力(假設(shè)調(diào)制應(yīng)力低于在良好粘接上產(chǎn)生非線性行為的門(mén)檻值)。在粘接不良的情況下，接頭由于低頻壓縮/拉伸應(yīng)力作用，其界面剛度會(huì)降低。在低頻壓縮/拉伸循環(huán)應(yīng)力作用下，界面剛度會(huì)發(fā)生變化，這種低頻拉壓應(yīng)力會(huì)對(duì)超聲波反射信號(hào)的頻譜極小值產(chǎn)生低頻調(diào)制。研究表明，由粘接層厚度改變產(chǎn)生的調(diào)制所引起的調(diào)頻效應(yīng)是可以忽略的。
圖10-21中形象地描繪了本研究中的應(yīng)力分布，如果在樣品上施加循環(huán)應(yīng)力，則粘接界面就會(huì)處于低頻拉壓交變應(yīng)力作用之下。如圖10-21所示(右側(cè))，對(duì)于弱粘接界面，從粘接層反射回的超聲波信號(hào)的頻譜極小值在加載條件下會(huì)發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于粘接層的不同應(yīng)力狀態(tài)，利用斜入射的周期性，通過(guò)超聲波頻譜可以對(duì)加載條件下粘接層的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。采取的方式是同步進(jìn)行低頻連續(xù)激發(fā)以及高頻超聲波脈沖觸發(fā)，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行頻譜測(cè)定。
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