復(fù)合材料是指由母材（又稱基材）與復(fù)合層通過物理、機(jī)械或化學(xué)方法復(fù)合而成的材料。常見的復(fù)合材料是在碳鋼或低合金鋼母材上，復(fù)合非金屬或金屬等復(fù)合層（例如硝化纖維、不銹鋼、鈦、銅等），以防止異常燃燒引發(fā)爆炸或提高復(fù)合材料的耐腐蝕等性能。黏接劑黏接的復(fù)合材料，一般是薄壁金屬與薄壁非金屬[1-4]。 

復(fù)合材料中的缺陷主要是母材與復(fù)合層界面上的未完全復(fù)合，包括氣泡、夾渣或脫黏等，可能呈完全脫開或不完全脫開狀態(tài)[5-7]。 

某薄壁圓筒的內(nèi)筒（為非金屬材料硝化棉，壁厚為3 mm）與外筒（為金屬材料鋼，壁厚為1 mm）為搭接結(jié)構(gòu)，由黏接劑黏結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。 

圖  1  薄壁圓筒結(jié)構(gòu)示意

設(shè)計(jì)圖紙要求外筒相對(duì)于內(nèi)筒的軸向拔斷力（以下簡稱黏接強(qiáng)度）為：一組平均結(jié)果不小于6 000 N，一組單發(fā)最小值不小于4 000 N。 

1.   檢測黏接質(zhì)量的超聲波多次反射衰減法

該試驗(yàn)使用超聲波多次衰減法檢測外筒與內(nèi)筒搭接的黏接質(zhì)量。 

1.1   不同黏結(jié)質(zhì)量的超聲反射波特點(diǎn)

超聲檢測時(shí)，超聲波從金屬外筒一側(cè)射入時(shí)，有如下特點(diǎn)：①在示波屏上出現(xiàn)的各種反射波是重合的；②形成的反射波包絡(luò)面積的特征：黏接良好時(shí)面積較小，黏接不良時(shí)面積中等，沒有黏接時(shí)面積較大，黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形如圖2所示。 

圖  2  黏接良好、不良與沒有黏接的超聲反射波形示意

出現(xiàn)該波形差異的原因如下：①外筒是金屬材料，內(nèi)筒是非金屬材料。金屬外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒三者之間的聲阻抗相差很大；②金屬外筒與非金屬內(nèi)筒都很薄，黏結(jié)層也很?。ㄒ话慵s1 mm）；③黏結(jié)層內(nèi)的缺陷，例如氣泡、夾渣或脫黏等，基本平行于外筒與內(nèi)筒的黏結(jié)面；金屬外筒/黏結(jié)面/黏結(jié)層（缺陷）/黏結(jié)面/非金屬內(nèi)筒等處黏結(jié)剖面圖如圖3所示。 

圖  3  薄壁圓筒黏結(jié)剖面圖

1.2   不同黏結(jié)質(zhì)量的黏結(jié)面積

（1）黏結(jié)良好時(shí)，超聲波透射過外筒/黏結(jié)層/內(nèi)筒，并在內(nèi)筒內(nèi)表面返回；超聲能量在內(nèi)筒內(nèi)部被強(qiáng)烈吸收衰減，反射波次數(shù)很少，則在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積較小，即黏結(jié)面積較小[見圖2（a）]。 

（2）黏接不良時(shí)，有極少部分超聲能量進(jìn)入黏結(jié)面，透射至在內(nèi)筒內(nèi)表面返回，超聲能量損耗較少，反射波次數(shù)較多，在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積中等，即黏結(jié)面積中等[見圖2（b）]。 

（3）沒有黏接時(shí)，即脫黏時(shí)，超聲波在外筒內(nèi)表面幾乎100%全反射，超聲波傳播僅限于外筒內(nèi)；超聲能量損耗特別少，反射波次數(shù)特別多，則在示波屏上，超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積較大[見圖2（c）]。

綜上所述，根據(jù)示波屏上超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積大小，可以辨別該薄壁圓筒外筒與內(nèi)筒搭接的黏結(jié)質(zhì)量（黏結(jié)良好、黏結(jié)不良、沒有黏接/脫黏等）。 

2.   仿真模型

2.1   仿真模型設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)設(shè)計(jì)了幾個(gè)不同類型的仿真模型，具體如下：①仿真模型試件均為尚未黏接的薄壁圓筒本體（參見圖1）；②根據(jù)不同的黏接面積{全部黏結(jié)良好、部分黏結(jié)良好（>25%）、脫黏等}及狀態(tài){對(duì)稱分布或偏心分布等}，試驗(yàn)設(shè)定6個(gè)型號(hào)仿真模型、每個(gè)型號(hào)制作兩個(gè)試件，即Ⅰ①、②~Ⅵ①、②；③將薄壁圓筒的圓周分成八等份，八等分示意如圖4所示，各等分部位分別編號(hào)為1#~8#；④設(shè)計(jì)對(duì)圓筒進(jìn)行，均勻測試40次，即將內(nèi)筒與外筒整個(gè)圓周（360°）均勻分成40份，每一份9°。 

圖  4  薄壁圓筒八等分示意

2.2   黏接質(zhì)量超聲檢測

（1）Ⅰ號(hào)仿真模型（①、②）（全部脫殼）：不涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，并對(duì)此組合的薄壁圓筒，進(jìn)行40次均勻超聲檢測/信號(hào)采集/數(shù)據(jù)處理，得到40個(gè)反射回波包絡(luò)線所包絡(luò)的面積值。 

（2）Ⅱ號(hào)仿真模型（①、②）全部黏結(jié)良好，全部施涂黏結(jié)劑，將外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號(hào)仿真模型相同程序處理。 

（3）Ⅲ號(hào)/Ⅳ號(hào)仿真模型（黏結(jié)面積為50%）：Ⅲ號(hào)（①、②）對(duì)稱分布：1#，2#，5#，6#黏結(jié)；3#，4#，7#，8#不黏結(jié)。Ⅳ號(hào)（①、②）偏心分布：1#，2#，3#，4#黏結(jié)；5#，6#，7#，8#不黏結(jié)。將上述兩個(gè)仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按Ⅰ號(hào)仿真模型相同程序處理。 

（4）Ⅴ號(hào)/Ⅵ號(hào)仿真模型（黏結(jié)面積為75%）Ⅴ號(hào)（①、②）偏心分布：1#~6#黏結(jié)；7#、8#不黏結(jié)。Ⅵ號(hào)（①、②）對(duì)稱分布：1#~3#黏結(jié)，4#不黏結(jié)；5#~7#黏結(jié)，8#不黏結(jié)。將上述兩個(gè)仿真模型的外筒與內(nèi)筒組合，按 Ⅰ號(hào)仿真模型相同程序處理。 

2.3   黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)

（1）使用超聲波多次反射衰減法對(duì)各個(gè)仿真模型均勻檢測40次。 

（2）計(jì)算各次檢測的超聲波包絡(luò)面的面積值。 

（3）計(jì)算全部黏結(jié)與全部未黏結(jié)的包絡(luò)面面積平均值。 

（4）計(jì)算各個(gè)仿真模型的整體包絡(luò)面面積值。 

（5）進(jìn)行拔斷力試驗(yàn)，并記錄拔斷力測試結(jié)果。 

（6）建立超聲波包絡(luò)面面積與拔斷力測試值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 

（7）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，建立仿真模型黏接強(qiáng)度評(píng)價(jià)程序。 

2.4   黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

黏結(jié)質(zhì)量與拔斷力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。 

3.   黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)

3.1   仿真模型黏接強(qiáng)度評(píng)價(jià)程序

（1）對(duì)仿真模型實(shí)施超聲波檢測40次，計(jì)算出黏結(jié)與未黏結(jié)狀態(tài)的超聲波包絡(luò)面所包絡(luò)的面積值，結(jié)果表明黏結(jié)面積不大于800，未黏結(jié)面積不小于2 600。 

（2）根據(jù)表1進(jìn)行綜合分析，得到黏結(jié)質(zhì)量為合格的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為：①40個(gè)黏結(jié)數(shù)據(jù)中，全部為黏結(jié)面積（參見Ⅱ①、Ⅱ②）；②40個(gè)黏結(jié)數(shù)據(jù)中，黏結(jié)面積總數(shù)超過20個(gè)，呈均勻分布（參見Ⅲ①、Ⅲ②）；③40個(gè)黏結(jié)數(shù)據(jù)中，黏結(jié)面積總數(shù)超過30個(gè)（參見Ⅴ①、Ⅴ②、Ⅵ①、Ⅵ②）。 

（3）將本節(jié)所獲得的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫。 

3.2   薄壁圓筒黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)程序

（1）對(duì)受檢薄壁圓筒（批次檢驗(yàn)）超聲檢測，按文章4.1節(jié)進(jìn)行黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)。 

（2）黏結(jié)強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)為不合格的薄壁圓筒，可進(jìn)行拔斷力試驗(yàn)。拔斷力試驗(yàn)合格者，可評(píng)為合格。 

4.   數(shù)字化黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)裝置

研制了數(shù)字化黏接強(qiáng)度無損價(jià)裝置，該裝置由檢測工作臺(tái)、數(shù)據(jù)采集控制臺(tái)及主控制臺(tái)組成，所用A型脈沖反射式數(shù)字超聲檢測儀經(jīng)過再次改裝，能對(duì)超聲波多次衰減形成的超聲反射波包絡(luò)面的包絡(luò)面積值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)薄壁圓筒黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)字化無損評(píng)估（NDE）。評(píng)價(jià)裝置外形如圖5所示，具體工作流程如下。 

圖  5  數(shù)字化黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)裝置外形

（1）可對(duì)每個(gè)受檢薄壁圓筒均勻檢測40次。每次檢測，重復(fù)如下操作：首先自動(dòng)裝夾薄壁圓筒。然后操作x軸/y軸位移超聲探頭；最后采用油脂，操作油泵，自動(dòng)涂抹耦合油脂，使超聲探頭與受檢區(qū)聲學(xué)耦合良好。 

（2）計(jì)算各個(gè)超聲波反射波包絡(luò)面面積。 

（3）按文章驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，確定受檢薄壁圓筒是否合格，完成黏結(jié)強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)。 

（4）輸出打印。 

5.   結(jié)論

文章介紹了一種用于檢測薄壁圓筒復(fù)合材料黏接質(zhì)量的超聲波多次反射衰減法。通過設(shè)計(jì)不同黏接面積和狀態(tài)的仿真模型，研究了超聲反射波特性與黏結(jié)質(zhì)量的關(guān)系，建立了相應(yīng)的黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和程序，研制了數(shù)字化黏接強(qiáng)度無損評(píng)價(jià)裝置并已投入生產(chǎn)應(yīng)用且獲得好評(píng)。該試驗(yàn)工藝為復(fù)合材料黏接質(zhì)量檢測提供了有效方法和參考依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)中有一定應(yīng)用價(jià)值。

文章來源——材料與測試網(wǎng)