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超声Lamb波在发动机壳体无损检测中的应用研究
发布时间：2017-09-01
1引言
固体导弹发动机壳体结构属于多层层状胶结结构,钢层基体下表面粘接了非金属材料(绝热层等),工艺上要求粘接材料之间不允许有脱粘,否则将严重影响材料的整体性能,造成导弹飞行失败。通常这种结构形式的无损检测方法主要有超声检测、X射线检测及X射线CT检测、声发射(AE)检测、全息照相检测等。对于钢质壳体发动机这种多层层状结构,由于钢壳体的高声阻抗性,以及橡胶体绝热层的厚度薄、衰减性极强的原因,常规超声检测方法存在相当大的困难。本文分析了兰姆波在钢板中传播的一些特性,应用兰姆波在不同厚度板及不同激发频率下产生不同的传播模式,对各种传播模式的波结构进行了分析,选择出对层间脱粘缺陷有较好敏感性的模式,进行了试验验证,试验结果表明这种检测技术对发动机层间胶结结构缺陷检测是有效的。
2检测原理
2.1兰姆波的激励
兰姆波是材料内纵波和横波在界面上相互耦合的结果,当板内纵波向前传播时在板轴方向上的波数与横波在同轴方向上的波数相等时,板中纵波与横波相互作用会形成共振,因而产生兰姆波。选择不同兰姆波模式可以通过探头入射角的改变来实现。为了获得比较强的波,可以通过使入射波的振动频率与板中的振动频率相一致来实现,即产生共振。如图1所示,当板中兰姆波相速度的一个波长B与斜楔中纵波的一个波长A相对应时,板的振动就刚好与透声楔中纵波的振动合拍。
式中cl―透声楔中纵波速度
cp―板波相速度
αi―纵波入射角
结合式(1),并由钢相速度频散曲线解可以求出图2(水晶玻璃/钢板)波入射角与波型、频率、板厚的关系图。
2.2兰姆波模式的选择
为了提高检测灵敏度,要选取合适的兰姆波模式和频率,选择那些能量高又不易发生频散现象且能量分布状况较好的模式。
2.2.1波结构分析
根据超声波传播原理,声波能量是通过声媒介质点的振动而表现并传播的。由机械振动能量计算公式E=0.5KX2max可知,质点振动的能量与质点位移幅值的平方成正比。能量高的兰姆波可以在板的边界产生较强的回波信号,同时兰姆波在板中各部位的能量分布状况决定其对各位置上缺陷的检出能力。参考文献[2]指出“兰姆波质点振动的水平、垂直位移幅值的计算上可以较直观地分析和认识兰姆波能量在板中的变化分布情况”,因此要有效检测层状结构层间脱粘缺陷,选择那些边界位移幅度相对较大的兰姆波模式是合理的。通过求解在不同频厚积情况下不同模式的兰姆波波结构(如图3),可以清楚地发现不同模式兰姆波在不同频厚积条件下的位移形态都是完全不同的,而A0模式面内位移和离面位移在边界上都较大,因此,从能量角度来看,选择A0模式检测发动机壳体钢/绝热层层间胶结结构中的脱粘缺陷可得到最佳检测灵敏度。
2.2.2频散特性
选择了能量高的兰姆波传播模式,还要注意兰姆波在传播过程中的频散现象和模式转换现象。当频散严重时,超声仪显示的接收回波信号在时基线上波形会变宽,包络线不集中,加上干扰信号的影响,使缺陷信号不明显,失去检测的效果;兰姆波在传播过程中遇到缺陷时,反射回波容易发生模式转换,不仅使该模式兰姆波的能量转移和降低,而且可能产生干扰信号。
兰姆波的频散现象可以通过群速度对频厚积的一阶导数来判断。频散严重的模式对于较小的△fd会产生较大的△cg,兰姆波回波幅度大大降低、波峰上升沿与下降沿较趋平缓,不利于缺陷信号的检出与判别,因此要尽量选择群速度关于频厚积的导数为零的兰姆波模式,由钢的群速度频散曲线图(图4),可看出只有A0模群速度对频厚积的一阶导数值最小,而其它模式均有较大变化,另外,A0模为低阶模,不易发生模式转换。因此检测发动机壳体钢/绝热层层间脱粘缺陷理论上应采用A0模式。
3检测试验及结果分析
图5所示的试验试块,钢层厚3 mm,绝热层厚5mm,脱粘区域5 mm×5 mm;检测示意图如图6;图7为信号接收图。
图7(a)是层间完好的接收信号图,波的传播路径可以简单地表示为图6所示,实线表示板波1的传播路径,虚线表示板波2的传播路径。当试块粘接完好时,选择合适入射角(图2),可以在钢层中激发兰姆波,由兰姆波的传播特性,波在钢层传播过程中,可以诱发纵波进入绝热层,再返回钢层以板波的形式在钢层中传播(详见参考文献[3])。从图7(a)中可以明显地看出,有两个波形出现(板波1之前是始波及可变角探头楔块中反射回波),板波1的幅值高、能量较强、时域波形较集中、频散现象较小,符合本文的理论分析,表明A0模有优良的检测条件;板波2相对板波1幅值较小,按传播路径,板波2要进入5mm厚的绝热层,由于本试验应用的发/收可变角探头频率皆为2.5 MHz,绝热层材料对高频率波有高衰减性,因此板波2的波能量有很大的损失,接收到的回波能量已经较弱,若用相同频率的纵波入射法是很难检测到绝热层底面的反射回波的,要检测钢层下多层材料可以选用更低的频率。图7(b)是层间有空气脱粘时,检测到的波形图,板波1之后没有出现其它波形,说明由于脱粘的原因,波不能进入绝热层。
另外,可以通过从图中板波1与板波2之间在时间域上相差采样点数Tn(大约45个采样点),来计算绝热层的厚度D。
4结束语
兰姆波A0模式检测发动机层间脱粘缺陷避免了纵波垂直入射法钢层多次回波信号混杂,难以区分缺陷信号与界面反射信号的现象。从本试验也可以看出,绝热层的厚度对波有很大的衰减性,用单纯的纵波入射法,难以检测更深层次上的缺陷。在兰姆波的实际应用中,选择合适的频厚积是很重要的,这关系到模式的选择,不同模式的波对检测缺陷的效果是不一样的,只有合适的模式波才能对特定位置的缺陷有较强的回波能量;同时要注意端面反射信号的干扰,此回波容易发生模式转换,从而产生干扰信号,这种信号的识别以及排除是很困难的。
摘自：中国计量测控网
