板状构件粘结强度的非线性超声导波检测.pdf
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1、第 42 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.42,No.4Aug.,2023声学技术Technical Acoustics板状构件粘结强度的非线性超声导波检测江梦慧,徐吉超,朱武军,项延训(华东理工大学,上海 200237)摘要:相较于铆接、螺接、焊接等连接方式,板状粘结构件具有质量轻、应力分布均匀等特点,广泛运用于航空航天、车辆制造等工业领域。板状粘结构件在服役过程中出现的粘结强度退化、弱粘结等会影响其服役可靠性及安全性,因此对粘结强度进行检测十分必要。非线性超声导波对材料微观结构特征变化比较敏感,可用于粘结构件的粘结强度检测。采用非线性超声导波对铝合金-环氧树脂铝合金板状构件进行检测
2、,通过不同的固化工艺制备粘结结构件模拟不同粘结强度,检测结构件中传播的非线性超声导波,计算超声非线性参量,获得超声非线性参量在不同固化工艺下的变化趋势。通过拉伸实验测得粘结强度,进而构建超声非线性参量与粘结强度的关系。实验结果显示,粘结强度越大,超声导波的非线性参量越小。该研究表明,非线性超声导波可有效检测板状构件的粘结强度,为工业检测板状结构粘结强度提供了有效方法。关键词:非线性超声导波;粘结强度;二次谐波;非线性参量中图分类号:TB559 文献标志码:A 文章编号:1000-3630(2023)-04-0468-07Nonlinear ultrasonic guided wave meas
3、urement of bonding strength of plate componentsJIANG Menghui,XU Jichao,ZHU Wujun,XIANG Yanxun(East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)Abstract:Plate bonded structures are widely used in aerospace and vehicle manufacturing and other industrial fields due to the character
4、istics of light weight and uniform stress distribution compared with the connection methods of riveting,screw,welding and others.The bonding strength degradation and weak bonding will affect the reliability and security of bonded components,so it is very important to test them.The nonlinear ultrason
5、ic guided wave is sensitive to the microstructure change of materials and can be used to detect the bonding strength degradation of bonded components.In this paper,the nonlinear ultrasonic guided wave is used to test the aluminum alloy-epoxy resin-aluminum alloy plate bonded components,which are pre
6、pared through the different curing processes to simulate different bonding strengths.In the experiments,by detecting the nonlinear ultrasonic guided wave propagating in the components and then calculating the ultrasonic nonlinear parameters,the variation trends of ultrasonic nonlinear parameters und
7、er different curing processes are obtained.The corresponding bonding strengths of components are measured by tensile tests,and then the relationships between ultrasonic nonlinear parameters and bond strength are established.The experimental results show that the greater the bonding strength,the smal
8、ler the nonlinear parameters of the ultrasonic guided wave.So,the nonlinear ultrasonic guided wave can be effectively used to detect the bonding strength of plate components,providing an effective method for industrial testing of the bonding strength of plate components.Key words:nonlinear ultrasoni
9、c guided wave;bonding strength;second harmonic;nonlinear parameters0引 言粘结是利用粘结剂在连接界面上产生的机械结合力、物理吸附力和化学键合力使两个粘结件连接起来的工艺方法,不仅适用于同种材料,也适用于不同材料间的连接。粘结结构广泛应用于航空航天、国防军工、车辆船舶等各个领域1-3,如固体火箭发动机燃烧室包覆层、飞机机体金属粘结4-5。粘结强度很大程度上决定着粘结构件的力学性能,是评价粘结构件是否合格的重要指标,因此国内外学者对粘结构件的粘结质量检测进行了大量研究。超声无损检测技术具有检测灵敏度高、便捷高引用格式:江梦慧,徐吉
10、超,朱武军,等.板状构件粘结强度的非线性超声导波检测J.声学技术,2023,42(4):468-474.JIANG Menghui,XU Jichao,ZHU Wujun,et al.Nonlinear ultrasonic guided wave measurement of bonding strength of plate componentsJ.Technical Acous-tics,2023,42(4):468-474.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2023.04.009收稿日期:2022-03-01;修回日期:2022-04-13基金项目:国家自然科学基金(
11、U1930202,12025403)。作者简介:江梦慧(1998),女,安徽芜湖人,硕士研究生,研究方向为超声检测。通信作者:项延训,E-mail:第 4 期江梦慧等:板状构件粘结强度的非线性超声导波检测效等优点,广泛应用于工程实践中。超声导波可以进行长距离、大范围检测,提高检测效率和精度,更适用于板状结构的检测。在板状粘结构件的超声检测中,传统的超声导波检测技术可以表征粘结构件中的孔洞、裂纹、脱粘等缺陷6-7,但无法检测粘结构件的粘结强度、微小损伤以及早期性能退化情况。非线性超声导波检测技术可以弥补传统线性超声检测的缺点。材料性能的退化伴随着材料微观结构的改变和非线性力学行为,从而产生超声导
12、波传播的非线性。因此,可以提取超声检测信号中的非线性特征信号,实现板状构件粘结强度、微小损伤以及早期性能退化等的检测和评价。Younghouse8推导并分析了粘结层刚度系数对基波和二次谐波幅度的影响。文献9-10对在多层结构中超声导波二次谐波产生问题进行了理论分析,建立了非线性弹簧模型,利用应力波因子来定征粘结结构界面粘结强度,结果表明应力波因子随着固化时间的增长而增大。Shui等11-12对粘结试件进行高低温循环疲劳和冲击载荷的非线性超声检测实验,发现在一定范围内超声非线性参数随着高低温循环疲劳和冲击载荷次数增加而增加。Li等13采用数值模拟方法,证明了超声非线性参量随着粘结层微裂纹密度增大
13、呈线性增长趋势。国内外学者通过实验研究,建立了超声非线性参量与固化时间、应力循环次数、微裂纹密度等之间的关系,但尚未明确超声导波非线性参量与粘结强度之间的关系。鉴于板状构件粘结强度早期检测的重要性,且对检测精度要求较高,本文针对不同粘结强度的粘结构件进行非线性超声导波检测。基于不同固化工艺构造了不同粘结强度的铝合金-环氧树脂-铝合金板粘结构件,使用非线性超声导波检测技术对板状粘结构件进行检测,测量并计算超声非线性参量,并通过拉伸实验测量粘结强度,建立超声非线性参量和粘结强度之间的关系。1粘结结构中的非线性超声导波在粘结构件中,将上下粘结基体和中间粘结层简化为三层结构,示意图如图1所示。根据导波
14、部分波分析方法14,在三层固体板中某个确定的导波由12个满足边界条件的部分波组合而成。在粘结层与被粘接层界面处,应满足位移连续、法向和切向应力连续,可描述为 yy=yy=KN()uy-uyyz=yz=KT()uz-uz(1)式中:yy,yz分别是法向和切向应力;KN,KT是粘结界面的法向和切向界面刚度系数;uy,uz是质点沿y轴和z轴位移。由边界条件和波动方程,粘结结构中超声导波的频散关系可以描述为15-16|M(iiihiKNKTwk(f)(l)|=0(2)式中:i、i、i分别是每层固体板的密度和二阶弹性常数;M是边界条件方程的系数矩阵。一般可以计算数值解,得到频散曲线。假设材料是无频散、无
15、损耗的均匀介质,在每一层固体板中,由两个横波和两个纵波组成,分别用T和L表示横波和纵波,但仅基频纵波位移分量U(fl)(i)L自作用产生的驱动二次谐波才具有积累效应17,第i层中具有积累性质的驱动二次谐波幅值可以表示为18U(DL)(i)Lj-Lj=3k(i)+4(i)+2A(i)+6B(i)+2C(i)4(k(i)+4(i)/3)(K(i)Lk)2(khi)2(U(fl)(i)Lnhi)2(3)式中:A(i),B(i),C(i)是每层材料的三阶弹性常数。结合界面声非线性反射和导波模式展开分析方法,得到完备的超声导波二次谐波声场解析解,并将超声导波非线性参量定义为18=F(D(fl)L(fl)
16、TrKNKTC11C111)A2K2ZA21(4)式中:A1,A2分别为基频和二次谐波幅值。由式(4)可知,超声导波非线性参量与三阶弹性常数之间存在着定量关系。粘结构件的粘结强度取决于金属被粘结层与粘结层之间的界面强度和粘结层的自身强度。界面粘结力的主要来源是分子间氢键,根据氢键和弹簧模型,可以将单位面积上的法向界面粘结力Fn表示为19Fn(h)=-Nnk(ron-h)D(ron)dron(5)式中:h是环氧树脂平面和金属平面之间的距离;ron是氢键长度在法向上的投影;D(ron)为粘结界面上的弹簧长度分布函数。单位面积上氢键数量越图1 实验板状构件示意图Fig.1 Schematic dia
17、gram of experimental plate bonded com-ponent4692023 年声学技术多,粘结界面上的结合能高,宏观表现出的超声非线性较微弱;反之,单位面积上氢键数量越少,粘结界面上的结合能低,宏观表现出的超声非线性较强烈20。在外界载荷下,环氧树脂粘结剂内部发生较大形变,用非线弹性本构模型来描述其非线性行为21,其内部产生的应力与内部环氧基团和固化剂之间形成的交联长度、密度、机械连接等有关。因此,在有限振幅超声激励作用下,粘结结构的应力由粘结界面的法向结合力和粘结层内部的应力构成,表达式为20F=Pn(h)+=-Nn12ke(ron-h)2D(ron)dron+E
18、0+2+3+E10exp(-t-1)d+E20exp(-t-0)d(6)一般情况下,粘结强度的下降,主要表现为介质的三阶弹性常数的增加。在有限幅度超声导波信号激励下,可近似认为粘结结构产生的应力只与介质的三阶弹性常数有关,可表示为F(ronD(ron)Eii)C111(7)结合式(4)和式(7),粘结结构的粘结强度的变化会引起三阶弹性常数的改变,其非线性超声参量也会发生相应的变化,可以得出:F(ronD(ron)Eii)(8)由式(8)可知,超声导波非线性参量与粘结强度存在着某种对应关系。这为粘结强度的非线性超声导波检测提供了理论支持。2实验系统及试样制备2.1实验系统本实验基于Ritec R
19、AM-5000 SNAP非线性高能超声测试系统建立的实验平台如图2所示。利用RAM-5000 SNAP系统产生的高能量脉冲信号经过可调步进衰减器后加载到压电超声换能器上,压电超声换能器将电信号转换为超声振动,通过耦合剂入射到粘结试样中,有限幅度的超声信号与界面微观结构相互作用,传播过程中由于介质的非线性应力-应变关系产生畸变,最后被压电超声换能器接收,经过后续的功率放大器放大处理后输入到RAM-5000-SNAP系统和示波器中,对数据进行显示和保存。二次谐波信号通常比较微弱,为了接收到较明显的二次谐波信号,实验中选择用中心频率为f的窄带压电超声换能器来激发信号,选择中心频率为2f的宽带压电超声
20、换能器来接收信号。2.2粘结试样制备本文实验中的金属粘结试样使用Al7075-T6铝合金材料,尺寸为300 mm50 mm2 mm;选用环氧树脂双组份液态工业胶黏剂,粘结层厚度约为0.2 mm。第一组试样是5个不同固化温度的粘结试样,固化剂和环氧树脂质量比均为55。降低固化温度需要延长固化时间以达到相同的固化完成度,固化工艺如表1所示。第二组试样是5个不同固化比例的试样,环氧树脂和固化剂的比例分别为3 7、46、55、64、73,在常温25下固化24 h,固化工艺如表2所示。3实验与结果分析3.1超声导波二次谐波模式选择超声导波具有多模式和频散基本特征,一般来说,其复杂传播特性导致二次谐波的发
21、生效率非常图2 实验平台示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental platform表1第一组金属粘结试样固化工艺Table 1The first set of bonded metal samples序号12345固化温度/2535455565固化时间/h246321固化比例5555555555表2第二组金属粘结试样固化工艺Table 2The second set of bonded metal samples序号12345固化温度/2525252525固化时间/h2424242424固化比例3746556473470第 4 期江梦慧等:板状构件粘
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