2.双入射角超声波频谱法对界面缺陷和粘接质量的评价

粘接剂连接的完整性依赖于粘接剂与被粘接体之间的界面性质，也依赖于粘接剂本身的性质。有两种方式会导致材料过早失效，一是粘接剂本身发生破裂；二是粘接剂和被粘接层的接触面或接近于接触面处发生破裂。按照传统的线性检测理论很难检测粘接剂连接结构的界面缺陷，鉴于粘接失效的早期通常会出现非线性现象，所以对于粘接劣化的早期缺陷，通常采用非线性理论予以研究。其中一种非线性理论是基于高次谐波，通过分析穿透粘接层或从粘接层反射回的超声波来评价粘接层。研究认为谐振振幅与粘接强度之间有明显的相关性。另一种方法是在准静态或低频加载情况下对粘接层的整体特性进行测量。

研究表明，可以将非线性声学测量方法用于复合材料中缺陷的探测和材料诊断，并且这已在广泛采用的超声波技术中得到部分证实。通过非线性声学理论，已从小裂纹中观察到高次谐波和次谐波的产生及其无秩序行为。不规则的裂纹表面之间为非线性赫兹接触，裂纹两表面之间的撞击应力取决于谐振状态下的声波幅值。在非线性超声波诊断中，有一种方法与上述理论略有不同，即对被测试样施加动态载荷，当然该载荷的交变频率低于超声波频率。然后分析不完整表面或裂纹对超声波信号的调制作用。由此造成的裂纹闭合及超声波调制有利于提高对裂纹的检测能力。这个调制作用也可以通过使用激光脉冲辐射造成的热效应或其他机械方式产生。

S.I.Rokhlin等人给出一种由线性和非线性组合式的超声波调制方法，对粘接层的完整性进行定量评价。通过对粘接层表面施加低频动态压缩/拉伸振动，进一步改善了超声波脉冲技术对粘接层不完整性的识别效果。研究表明，基于反射高频超声波脉冲和低频动态振动相结合的检测方法建立起来的线性/非线性混合技术能够反映粘接层质量的劣化。

基于早期的研究工作，s. I. Rokhlin等人提出采用斜入射超声波频谱方法表征和评价粘接层特性和劣化程度。在线性检测方法中，利用超声波反射信号可以反演粘接层的完整性，该性质与粘接质量的劣化程度相关。最近提出了一种反演运算，它允许通过垂直入射和斜入射的反射频谱联合从整体上无损评定界面刚度和粘接质量。利用弹簧模型来描述粘接剂和基底的界面，当界面弹簧的法向刚度和剪切刚度都大于1015N/m³时，线性超声波检测结果表明其粘接良好；当剪切刚度为无限小时，界面粘接层对剪切应力不再有阻力，也就是说它已经退化成一个理想的滑移层了(完全脱粘)。因此，在线性超声波方法中，界面弹簧的刚性已经被作为评价界面损坏程度的定量参数。根据垂直入射和斜入射情况下得到的粘接层谐振频谱，可以从实验数据中重建粘接层的完整性和界面弹簧的刚度。在本研究中，为了解释采用调制方法得到的实验结果，假设接触弹簧的数目与调制载荷有关，对线性弹簧刚性的概念进行了修正。提出了一种反演运算方法，它可以根据垂直和斜入射情况下得到的反射波频谱同时测量出界面弹性和粘接接头整体性能。反射波频谱依赖多个参数：弹性模量、厚度、密度、纵向和剪切方向的衰减，还有垂直方向和剪切方向复数形式的弹簧常数(该常数主要由四个参数表示：两个实数和两个虚数)。由于声波在层中的衰减与界面的损失通常很难区分开来(实际上，声波的衰减与界面弹簧常数中的虚部有关)，因此，应根据占主导地位的物理机制来假设层中衰减系数或界面损失哪个参数是未知的。通过两套无量纲参数就可以完全确定这个未知变量。计算过程是通过对垂直和斜入射时测量到的频谱使用最小二乘法获得的。

按照这样一种方式，通过线性理论应该能判断出由外界环境所导致的粘接劣化程度。但是粘接质量的好坏在线性超声波检测结果中的反差很小，也就是说很难从线性超声波信号中区别出粘接不良区和粘接良好区。首先基材性能的变化和声束是否对准等情况都会直接影响检测结果，致使仅仅按照线性超声波方法在对粘接层进行重构时很容易产生错误。此外，加工过程中在粘接层上产生的静态残余压应力也给线性超声波检测方法判断粘接质量带来困难。在静态压应力下，从不完整粘接层中反射回的小振幅高频超声波信号与良好粘接层中反射回的信号有时会有同样的特征。这是因为超声波应力幅度太小，以至于不能抵消残余压应力的影响。在这种情况下，就不能通过线性超声波方法区分粘接质量不同的材料。

为此需对界面进行应力调制。如上所述，把粘接结构的低频振动与线性脉冲法混叠，用双声束测量技术测得的回波来共同评价接头质量。对于粘接良好的予以通过，其中界面刚度不依赖于本实验条件下的低频应力(假设调制应力低于在良好粘接上产生非线性行为的门槛值)。在粘接不良的情况下，接头由于低频压缩/拉伸应力作用，其界面刚度会降低。在低频压缩/拉伸循环应力作用下，界面刚度会发生变化，这种低频拉压应力会对超声波反射信号的频谱极小值产生低频调制。研究表明，由粘接层厚度改变产生的调制所引起的调频效应是可以忽略的。

图10-21中形象地描绘了本研究中的应力分布，如果在样品上施加循环应力，则粘接界面就会处于低频拉压交变应力作用之下。如图10-21所示(右侧)，对于弱粘接界面，从粘接层反射回的超声波信号的频谱极小值在加载条件下会发生移动。对于粘接层的不同应力状态，利用斜入射的周期性，通过超声波频谱可以对加载条件下粘接层的特性进行评价。采取的方式是同步进行低频连续激发以及高频超声波脉冲触发，并对接收信号进行频谱测定。

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