阅读说明：本技术 非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置 (Dry coupling plate wave detection method and device for nonmetal and metal bonding quality ) 是由 高晓进 江柏红 高增华 张昊 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置,属于无损检测技术领域,解决非金属与金属粘接结构必须使用耦合剂和无法从复合材料一侧检测的问题；方法包括顺序连接计算机、数据采集卡、超声仪和干耦合超声探头组成干耦合板波检测装置；制作对比试块,采用干耦合板波检测装置对对比试块进行探测,调节超声仪的增益,使超声仪的检测灵敏度符合设定要求；采用调节好检测灵敏度的干耦合板波检测装置,对被检件进行扫查,探测并确定所述被检件的脱粘缺陷位置和边界。本发明不使用耦合剂,可从复合材料侧对复合材料与金属粘接结构粘接质量进行快速、高可靠性的检测,有效地保障复合材料与金属制品粘接质量和使用安全性。(The invention relates to a dry coupling plate wave detection method and a dry coupling plate wave detection device for the bonding quality of nonmetal and metal, belongs to the technical field of nondestructive detection, and solves the problems that a nonmetal and metal bonding structure must use a coupling agent and cannot be detected from one side of a composite material; the method comprises sequentially connecting a computer, a data acquisition card, an ultrasonic instrument and a dry coupling ultrasonic probe to form a dry coupling plate wave detection device; manufacturing a comparison test block, detecting the comparison test block by adopting a dry coupling plate wave detection device, and adjusting the gain of an ultrasonic instrument to enable the detection sensitivity of the ultrasonic instrument to meet the set requirement; and scanning the detected piece by adopting a dry coupling plate wave detection device with well-adjusted detection sensitivity, and detecting and determining the debonding defect position and the boundary of the detected piece. The invention does not use coupling agent, can carry out rapid and high-reliability detection on the bonding quality of the composite material and the metal bonding structure from the side of the composite material, and effectively ensures the bonding quality and the use safety of the composite material and the metal product.)

非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，尤其是一种非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料与金属套粘结构是一种新型的热防护结构。该结构中复合材料的厚度为1mm-10mm，金属材料的厚度为3mm-15mm。外部的纤维增强树脂基复合材料可起到防热作用，保护内部零件不被高温损坏，内部的金属保证结构的高强度。该结构中，粘接质量不好时会直接影响结构的力学性能，甚至可能导致复合材料层脱落等严重后果，造成重大事故，因此，必须采用有效的无损检测方法对其粘接质量进行检测。

目前，金属与非金属粘接质量采用的方法为超声多次回波反射法，但该方法只能从金属侧进行检测，需要使用液体耦合剂，且只适用于金属厚度小于8mm的情况；如果被检测结构的金属材料在结构的内部，超声探头无法接触到，且厚度较厚，则无法使用超声多次回波反射法进行检测，其它传统的超声检测方法也无法检测；此外，超声检测使用液体耦合剂会对复合材料造成污染。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法及装置，解决了复合材料与金属粘接结构不能使用耦合剂和无法从复合材料一侧检测的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种非金属与金属材料粘接质量的干耦合板波检测装置，包括计算机、数据采集卡、超声仪和超声探头，所述超声探头为干耦合超声探头，包括两个探头，一个为发射探头，另一个为接收探头；每个探头都包括探头晶片和柔性贴合装置；所述探头晶片安装于探头前端，用于发射或者接收超声波板波信号；所述柔性贴合装置，安装于所述探头晶片的前端，与探头晶片声阻抗匹配，在设定的压力下，能够与被检件的表面贴合，用于实现超声波的干耦合；

探测时，所述发射探头和接收探头位于被检件的同侧，所述发射探头和接收探头侧面贴合并排组成超声探头对，在施加压力下，所述发射探头和接收探头端部与被检件表面垂直并贴合；所述发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面之间的夹角相同。

本发明还一种非金属与金属材料粘接质量的干耦合板波检测方法，采用上述的干耦合板波检测装置进行检测，包括如下步骤：

步骤S1、顺序连接计算机、数据采集卡、超声仪和干耦合超声探头组成干耦合板波检测装置；

步骤S2、制作包含有人工脱粘缺陷区域的对比试块；

步骤S3、采用所述干耦合板波检测装置对所述对比试块的人工脱粘缺陷区域和非缺陷区域进行探测，用于调节所述干耦合板波检测装置中超声仪的增益，使所述超声仪的检测灵敏度符合设定的灵敏度要求；

步骤S4、采用调节好检测灵敏度的干耦合板波检测装置，对被检件进行扫查探测，确定所述被检件的脱粘缺陷位置；

步骤S5、在脱粘缺陷位置附近移动探头,确定缺陷的边界。

进一步地，所述干耦合超声探头包括两个探头，一个为发射探头，另一个为接收探头；每个探头都包括探头晶片和柔性贴合装置；所述探头晶片安装于探头前端，用于发射或者接收超声波板波信号；所述柔性贴合装置，安装于所述探头晶片的前端，与探头晶片声阻抗匹配，在施加压力下，能够与被检件的表面贴合，用于实现超声波的干耦合。

进一步地，探测时，所述发射探头和接收探头位于被检件的同侧，所述发射探头和接收探头侧面贴合并排组成超声探头对，在施加压力下，所述发射探头和接收探头端部与被检件表面垂直并贴合；所述发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面之间的夹角相同，且所述发射探头的探头晶片与接收探头的探头晶片呈倒V字型方式设置。

进一步地，所述探头晶片直径范围为Φ7.5mm-Φ15mm，频率范围为0.5MHz-2MHz，晶片与被检件表面方向成15-45°的夹角。

进一步地，所述柔性贴合装置为充满水的橡胶囊；或者为对超声能量衰减小，与探头晶片声阻抗匹配的柔性高分子材料。

进一步地，所述对比试块的制作材料、厚度、制备工艺和粘接工艺与被检件相同；

所述对比试块的人工脱粘缺陷制作包括：

在金属材料沿厚度方向加工若干个直径在设定范围内的通孔；

将所述金属材料与复合材料进行粘接，在通孔处形成人工脱粘缺陷。

进一步地，所述设定的灵敏度要求为同时满足以下条件：

在非缺陷区域探测时，超声仪接收的超声信号幅值不小于80％；

在人工缺陷区域探测时，即将两干耦合超声探头中心连线的中心位置与人工缺陷区域的中心位置重合处探测时，超声仪接收的超声信号的幅值不大于20％。

进一步地，缺陷位置的确定方法包括：

将所述超声探头对置于复合材料表面，采用矩形扫查路径进行扫查，扫查方向与探头对的两探头中心连线的方向一致，扫查步进为所述干耦合超声探头直径的一半；

扫查时，所述数据采集卡对超声仪接收的板波信号峰值对应的模拟电压信号进行采集发送到计算机；

当采集的电压信号不大于阈值A时，计算机进行报警，在两个干耦合超声探头中心连线的中心下方即为脱粘的位置。

进一步地，缺陷边界的确定方法包括：

扫查出脱粘缺陷位置后，在脱粘缺陷位置附近移动干耦合超声探头对，找到超声信号幅值最低的点；

以该点为中心向周边各方向移动所述超声探头对，所述超声探头对移动方向与探头对的两探头中心连线的方向一致；

移动时，所述数据采集卡对超声仪接收的板波信号峰值对应的模拟电压信号进行采集发送到计算机；

当采集的电压信号等于阈值B时，计算机提示到达脱粘边缘，即两探头中心连线的中心下方位置为脱粘边缘位置；在复合材料上做出标记；

对所有方向的脱粘边缘位置做出标记后，将各相邻的边缘点连接，显示的轮廓为脱粘缺陷的边界。

本发明有益效果如下：

1)本发明可以对金属厚度大于8mm的非金属与金属粘接结构粘接质量进行检测，可以快速、有效地保障复合材料与金属制品粘接质量和使用安全性。

2)本发明采用干耦合板波检测，扫查时不需要使用任何耦合剂，只需将探头前端的柔性贴合装置压紧至被检件的表面，即可达到稳定耦合的检测效果，避免常规超声检测时使用的耦合剂对复合材料内部造成不可逆的污染。

3)本发明采用发射探头和接受探头组成的探头对形成干耦合探头，进行探测时，干耦合超声探头的两个探头侧面贴合，并排组成超声探头对，置于复合材料表面，发射探头向水平方向发射板波；接收探头接收经复合材料和金属传播的板波信号，通过超声波发射探头和接收探头位于被检件的同侧，实现被检件的单面检测；且只需从非金属一侧检测，无需在金属一侧检测，避免了金属材料的厚度和外形对检测造成影响，也可实现金属材料在被检件内部和内侧，探头无法接触到被检件内部和内侧的构件检测；避免了超声多次回波反射法只能从金属侧进行检测，需要使用液体耦合剂，且只适用于金属厚度小于8mm的情况。

4)采用数据采集卡对检测信号实时采集，在计算机中对采集的信号进行自动实时处理，与设定的阈值进行比较并实时报警和提示，减少人为观察超声仪屏幕上的信号造成的误判和漏检的情况，提高检测可靠性和检测效率。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一中的干耦合板波检测方法流程图；

图2为本发明实施例一中的干耦合超声探头示意图；

图3为本发明实施例一中的对比试块示意图；

图4为本发明实施例一中的缺陷定量示意剖面图；

图5为本发明实施例一中的缺陷定量示意俯视图；

图6为本发明实施例二中的检测装置示意图。

附图中附图标记，1—计算机，2—采集卡，3—超声仪信号峰值模拟电压输出接口，4—超声仪，5—发射端，6—接收端，7—接收探头，8—发射探头，9—探头晶片，10—水平面方向，11—复合材料，12—铝合金，13—缺陷的边缘，14—超声信号幅值最低点，15—脱粘缺陷的边界，16-充满水的橡胶囊。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例1

本实施例公开了一种非金属与金属粘接质量的干耦合板波检测方法，对由非金属和金属材料粘接结构的粘接质量进行检测。

本实施例的粘接结构中的非金属材料厚度大于8mm或小于8mm均可，本实施例中，非金属材料为纤维增强树脂基复合材料，厚度为1mm-10mm；金属材料为铝合金材料，厚度为3mm-15mm。

纤维增强树脂基复合材料与铝合金材料的粘结结构为层状结构或套接壳体结构，为套接壳体结构时，其制备工艺为：金属材料内壳体加工→金属材料内壳体外表面粘接面喷砂→复合材料筒形件制备→粘接面涂抹粘接剂→复合材料筒形件套至金属材料内壳体上→加压(加热)→固化。外部的纤维增强树脂基复合材料可起到防热作用，保护内部零件不被高温损坏，内部的金属保证结构的高强度。

由于，本实施例中所述结构的金属材料在套接结构的内部，超声探头无法直接接触到金属材料，且金属厚度可大于8mm，因此无法采用超声多次回波反射法进行检测。

当然，本实施例中所述结构以及制备工艺，只是一种非金属和金属材料粘接结构的举例，并不对本发明的保护范围构成限制，本发明的干耦合板波检测方法适用于其他材料、其他制备工艺、更广泛的非金属和金属材料粘接结构的粘接质量检测。

如图1所示，本实施例的干耦合板波检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、顺序连接计算机、数据采集卡、超声仪和干耦合超声探头组成干耦合板波检测装置；

具体的，所述干耦合板波检测装置的干耦合超声探头包括两个探头，一个为发射探头，另一个为接收探头；每个探头都包括探头晶片和柔性贴合装置；所述探头晶片安装于探头前端，用于发射或者接收超声波板波信号；所述柔性贴合装置，安装于所述探头晶片的前端，与探头晶片声阻抗匹配，在设定的压力下，能够与被检件的表面紧密贴合，用于实现超声波的干耦合。

探测时，所述发射探头和接收探头位于被检件的同侧，发射探头和接收探头的侧面贴合紧靠并排组成超声探头对，在施加压力下，成垂直角度与被检件表面紧密贴合；所述发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面方向成设定的夹角，如图2、图4和图6所示的方式相对设置，发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面方向的夹角可以相同，发射探头和接收探头的探头晶片呈倒V字型设置，发射探头和接收探头的探头晶片的上端与被检件表面的距离相等

进一步地，所述探头晶片直径范围为Φ7.5mm-Φ15mm，频率范围为0.5MHz-2MHz，晶片与被检件表面方向成15-45°的夹角。

进一步地，所述柔性贴合装置为充满水的橡胶囊；或者为对超声能量衰减小，与探头晶片声阻抗匹配的柔性高分子材料。

本实施例，采用的干耦合超声探头的干耦合方式为：在干耦合超声探头的探头晶片前端置一个充满水的橡胶囊；探测时以不小于25N的压力，垂直将探头紧压至非金属材料表面，使橡胶囊和复合材料表面无间隙接触，达到干耦合的效果。为了实现在被检件中板波的发射和接收，发射探头和接收探头的晶片相对设置，都与被检件表面方向成30°，且晶片直径选为Φ10mm，频率选为1MHz。具体的位置关系参见图2。

在本实施例中，发射探头和接收探头位于被检件的同侧，可实现被检件的单面检测，即可从非金属侧或金属侧进行检测，又因本实施例的结构金属侧在结构的内部，不方便检测，因此，灵活的选用从非金属侧进行检测；将发射探头和接收探头紧靠并排组成超声探头对，尽可能的缩短发射探头和接收探头的距离，使在被检件中传播的板波行程更短，能检测和定位尺寸更小的脱粘缺陷。

采用充满水的橡胶囊实现干耦合，避免了常规超声检测时使用的耦合剂对复合材料造成不可逆的污染。

本实施例的超声仪具有一发一收工作模式，增益可调节，接收频带与探头频率一致，使超声仪的闸门框住接收到的板波信号，下限不高于0.5MHz，检波方式为双向检波，具有闸门内信号峰值模拟电压输出接口，输出的电压最大值Vmax不大于10V。

所述数据采集卡的输入端连接超声仪的模拟电压输出接口，采集电压信号输出到计算机。

计算机通过数据采集卡自动采集超声仪闸门内的超声信号峰值对应的电压信号，进行电压幅值判断，确定脱粘缺陷位置和脱粘边界，当确定脱粘缺陷位置时，显示报警信号，例如“此处存在脱粘！”；，当确定脱粘边界，显示提示信息，例如“此处为脱粘边缘！”计算机中的报警和提示通过VB程序来控制，实现简便。

步骤S2、制作包含有人工脱粘缺陷区域的对比试块；

所述对比试块的制作材料、厚度、制备工艺和粘接工艺与被检件相同；参见图3，所述对比试块的加工过程包括：

1)在金属材料沿厚度方向加工若干个直径在设定范围内的通孔；

在铝合金12沿厚度方向加工3个通孔，通孔直径分别为Φ10±0.2mm、Φ20±0.4mm和Φ30±0.6mm，通孔的中心在同一直线上，通孔边缘间距为50mm。

2)将所述金属材料与复合材料进行粘接，在通孔处形成人工脱粘缺陷。

步骤S3、调整超声仪的检测灵敏度；

采用所述干耦合板波检测装置对所述对比试块的人工脱粘缺陷区域和非缺陷区域进行探测，调节所述干耦合板波检测装置中超声仪的增益，使所述超声仪的检测灵敏度符合设定的灵敏度要求。

在调节超声仪的增益中，需同时满足以下条件：

在非人工缺陷区域探测时，超声检测仪接收的超声信号幅值不小于80％；

在人工缺陷区域探测时，即将所述两干耦合超声探头中心连线的中心位置与人工缺陷区域的中心位置重合处探测时，例如Φ10mm的人工缺陷的中心位置重合处，超声信号的幅值不大于20％。

步骤S4、采用调节好检测灵敏度的干耦合板波检测装置，对被检件进行扫查探测，确定所述被检件的脱粘缺陷位置；

具体的，缺陷位置的探测与确定方法包括：

1)将所述超声探头对置于复合材料表面，采用矩形扫查路径进行扫查，扫查方向与两探头中心连线的方向一致，扫查步进为所述干耦合超声探头直径的一半，即5mm；

2)扫查时，所述信号采集卡对超声检测仪接收的板波信号峰值对应的模拟电压信号进行采集发送到计算机；

3)当采集的电压信号不大于阈值A时，当计算机报警，如显示“此处存在脱粘！”，在两个干耦合超声探头中心连线的中心下方即为脱粘的位置。

步骤S5、在脱粘缺陷位置附近移动探头,确定缺陷的边界。

具体的，如图4和图5所示，缺陷边界的探测与确定方法包括：

1)扫查出脱粘缺陷位置后，在脱粘缺陷位置附近移动干耦合超声探头对，找到超声信号幅值最低的点14；

2)以该点为中心向周边各方向移动探头对，探头对移动方向与两探头中心连线的方向一致；

3)移动时，所述信号采集卡对超声检测仪接收的板波信号峰值对应的模拟电压信号进行采集发送到计算机；

4)当采集的电压信号等于阈值B时，当计算机显示“此处为脱粘边界！”提示到达脱粘边缘，即两探头中心连线的中心下方位置为脱粘边缘位置；在复合材料上做出标记；

5)对所有方向的脱粘边缘位置做出标记后，将各相邻的边缘点连接，显示的轮廓为脱粘缺陷的边界。

优选的，边缘标记点为8个，相邻点与超声信号幅值最低点14的连线的夹角为45±5°，将各相邻的边缘点连接，显示的轮廓15为脱粘缺陷的边界；

缺陷位置和缺陷边界的探测与确定方法中的阈值A＝0.2*Vmax，阈值B＝0.4*Vmax，所述的Vmax为超声信号最大峰值电压。

通过对多批次玻璃纤维增强酚醛树脂基复合材料与铝合金内壳体粘接构件进行实际检测，结果表明，本发明的方法可快速检测出该构件中Φ10mm及以上的脱粘缺陷。

与现有技术相比，本实施例提供的复合材料与金属粘接质量的干耦合板波检测方法具有以下效果：

1)可以对非金属与金属粘接结构粘接质量进行检测，可以快速、有效地保障复合材料与金属制品粘接质量和使用安全性。

2)扫查时不需要使用任何耦合剂，只需将探头前端的柔性贴合装置压紧至被检件的表面，即可达到稳定耦合的检测效果，避免常规超声检测时使用的耦合剂对复合材料内部造成不可逆的污染。

3)超声波发射探头和接收探头位于被检件的同侧，实现被检件的单面检测；且只需从非金属一侧检测，无需在金属一侧检测，避免了金属材料的厚度和外形对检测造成影响，也可实现金属材料在被检件内部或内侧且探头无法接触到被检件内部或内侧的构件检测；避免了超声多次回波反射法只能从金属侧进行检测，需要使用液体耦合剂，且只适用于金属厚度小于8mm的情况，可以适用于金属厚度大于8mm的情况。

4)采用数据采集卡对检测信号实时采集，在计算机中对采集的信号进行自动实时处理，与设定的阈值进行比较并实时报警和提示，减少人为观察超声仪屏幕上的信号造成的误判和漏检的情况，提高检测可靠性和检测效率。

实施例2

本实施例公开了一种干耦合板波检测装置，用于对由非金属和金属材料粘接结构的粘接质量进行检测。如图6所示，包括计算机1、数据采集卡2、超声仪4和包括接收探头7、发射探头8的一对干耦合超声探头。

其中，超声仪4的信号峰值模拟电压输出接口3接入数据采集卡2的输入端，将数据采集卡2的输出端接入计算机1，将一对干耦合超声探头中的发射探头8连接至超声仪4的发射端5，将接收探头7连接至超声仪4的接收端6，在进行探测时，两个干耦合超声探头侧面贴合紧靠并排组成超声探头对，置于被检件的表面，发射探头向水平方向发射板波，板波在复合材料和金属中传播，接收探头接收经复合材料和金属传播的板波信号。

具体的，每个探头都包括探头晶片和柔性贴合装置；所述探头晶片安装于探头前端，用于发射或者接收超声波板波信号；所述柔性贴合装置，安装于所述探头晶片的前端，与探头晶片声阻抗匹配，在施加压力下，能够与被检件的表面紧密贴合，用于实现超声波的干耦合。

探测时，所述发射探头和接收探头位于被检件的同侧，发射探头和接收探头的侧面贴合紧靠并排组成超声探头对，在设定的压力下，成垂直角度与被检件表面紧密贴合；所述发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面方向成设定的夹角，如图2、图4和图6所示的方式相对设置，发射探头和接收探头的探头晶片与被检件表面方向的夹角可以相同，发射探头和接收探头的探头晶片呈倒V字型设置，发射探头和接收探头的探头晶片的上端与被检件表面的距离相等。

进一步地，所述探头晶片直径范围为Φ7.5mm-Φ15mm，频率范围为0.5MHz-2MHz，为了形成板波，晶片与被检件表面方向成15-45°的夹角。

进一步地，所述柔性贴合装置为充满水的橡胶囊；或者为对超声能量衰减小，与探头晶片声阻抗匹配的柔性高分子材料，能够与复合材料表面无间隙接触，达到干耦合的效果。

具体的，采用的干耦合超声探头的干耦合方式为：在干耦合超声探头的探头晶片前端置一个充满水的橡胶囊；探测时以不小于25N的压力，垂直将探头紧压至非金属材料表面，使橡胶囊和复合材料表面无间隙接触，达到干耦合的效果。为了实现在被检件中板波的发射和接收，发射探头和接收探头的晶片相对设置，都与被检件表面方向成30°，且晶片直径选为Φ10mm，频率选为1MHz。

在本实施例中，发射探头和接收探头位于被检件的同侧，可实现被检件的单面检测，即可从非金属侧或金属侧进行检测，又因本实施例的结构金属侧在结构的内部，不方便检测，因此，灵活的选用从非金属侧进行检测；将发射探头和接收探头侧面紧靠并排组成超声探头对，尽可能的缩短发射探头和接收探头的距离，使在被检件中传播的板波行程更短，能检测和定位尺寸更小的脱粘缺陷。

采用充满水的橡胶囊或柔性高分子材料等柔性贴合装置，可以实现干耦合，避免了常规超声检测时使用的耦合剂对复合材料造成不可逆的污染。

本实施例的超声仪具有一发一收工作模式，增益可调节，接收频带与探头频率一致，使超声仪的闸门框住接收到的板波信号，下限不高于0.5MHz，检波方式为双向检波，具有闸门内信号峰值模拟电压输出接口，输出的电压最大值Vmax不大于10V。

所述数据采集卡的输入端连接超声仪的模拟电压输出接口，采集电压信号输出到计算机。

计算机通过数据采集卡自动采集超声仪闸门内的超声信号峰值对应的电压信号，进行电压幅值判断，确定脱粘缺陷位置和脱粘边界，当确定脱粘缺陷位置时，显示报警信号，例如“此处存在脱粘！”；，当确定脱粘边界，显示提示信息，例如“此处为脱粘边缘！”计算机中的报警和提示通过VB程序来控制，实现简便。

与现有技术相比，本实施例提供的干耦合板波检测装置的有益效果与实施例1提供的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。