粘接质量检测——反射法（二）

3.钢层下橡胶层粘接质量检测

        李明轩研究了钢层下面多层橡胶之间的粘接质量，通过实验和物理计算总结认识多界面结构中传播信号的特征和规律，借助信号处理方法，集成多项技术，建立了相应的检测系统。选取的基本物理模型如图10-10所示。

图10-10  基本物理模型

        针对这种高波阻抗下多层低波阻抗材料，要检测钢层下多层橡胶层之间的粘接质量，即2、3、4等界面的粘接检测(通常统称二界面粘接检测)，存在以下困难：钢层的两个界面都是波阻抗相差较大的界面，橡胶层间的反射信号经过了钢层两个界面四次镜面的屏蔽作用，十分微弱，且迭加在钢层的多次强反射信号之中，难以分辨，如图10-11所示。

        采取试验与理论计算相结合的方法，对上述多界面结构中超声波的传播特性和检测信号特征进行分析，总结出以下五个信号特征:

图10-11  检测到的反射回波信号

a）一界面脱粘   b）二界面脱粘   c）三界面脱粘   d）粘好

        (1) 检测信号存在透声窗对于钢层厚度为4mm、橡胶层每层厚度为2mm的实验样品，得到如图10-12所示的信号谱。观察发现，对于主要以钢层多次反射为主体的系统检测，信号存在一个明显的透声频率窗口。此窗的频率恰好为钢层厚度共振频率，此处为700kHz。

图10-12  实验得到的反射信号振幅谱

图10-13a、b分别为脱粘信号幅度谱的理论分析结果和实测结果。通过选取窗口频率，可以减少钢层多次反射信号的干扰，提高橡胶层脱粘回波信号的检测灵敏度。检测频率选取的依据即在于此。

        (2) 有无二界面回波检测信号包络不同  纯钢层多次反射(一界面脱粘或粘好）的检测信号是一个标准的指数衰减包络， 如图10-14a所示；有橡胶层脱粘反射回波在内的检测信号是凸包状，如图10-14b所示，此特征是信号处理标准波形或参考波形选取的理论依据。

图10-13  脱粘信号幅度谱与检测效果

a）脱粘信号幅度谱  b）四界面检测偏离透声窗   c）四界面检测使用透声窗

图10-14  回波信号包络

a）纯钢层多次反射检测信号    b）橡胶层脱粘反射回波检测信号

        (3) 高灵敏时间窗   基于研究模型和具体参数结构，从理论和实验上都发现存在一个高灵敏度的时间窗(42 ~55μs)，如图10-15所示。图中1、2、3、4、0分别代表一、二、 三、四界面脱粘和粘好等状态结果。分析认为，出现界面脱粘检测灵敏时间窗的原因在于各层界面回波与钢层多次反射回波的叠加。该时间窗口随着检测结构参数改变而改变，它是信号处理数据采样选取的依据。

图10-15  不同时间窗内不同粘接状态幅度包络

        (4) 各界面脱粘幅度包络不是单调变化的   从图10-15可见，一界面脱粘到四界面脱粘再到粘好，它们的幅度包络不是单调下降或增大，而是存在交叉。表明很难用简单的包络幅度法来区分几个界面的脱粘，必须用信号处理作模式识别。脱粘边缘检测信号发生相位翻转   研究发现，当探头由粘好区域进入脱粘区扫描时，在脱粘边缘处发生检测信号相位翻转现象，且不管是几界面脱粘均一样。这与Lopilato 和Carter提出的用频谱分析检测分层的思路相似，即空隙会导致层的反射信号发生180°相位变换。但目前还未有深入的理论分析。