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超聲Lamb波在發動機殼體無損檢測中的應用研究
發布時間：2017-09-01
1引言
固體導彈發動機殼體結構屬于多層層狀膠結結構,鋼層基體下表面粘接了非金屬材料(絕熱層等),工藝上要求粘接材料之間不允許有脫粘,否則將嚴重影響材料的整體性能,造成導彈飛行失敗。通常這種結構形式的無損檢測方法主要有超聲檢測、X射線檢測及X射線CT檢測、聲發射(AE)檢測、全息照相檢測等。對于鋼質殼體發動機這種多層層狀結構,由于鋼殼體的高聲阻抗性,以及橡膠體絕熱層的厚度薄、衰減性極強的原因,常規超聲檢測方法存在相當大的困難。本文分析了蘭姆波在鋼板中傳播的一些特性,應用蘭姆波在不同厚度板及不同激發頻率下產生不同的傳播模式,對各種傳播模式的波結構進行了分析,選擇出對層間脫粘缺陷有較好敏感性的模式,進行了試驗驗證,試驗結果表明這種檢測技術對發動機層間膠結結構缺陷檢測是有效的。
2檢測原理
2.1蘭姆波的激勵
蘭姆波是材料內縱波和橫波在界面上相互耦合的結果,當板內縱波向前傳播時在板軸方向上的波數與橫波在同軸方向上的波數相等時,板中縱波與橫波相互作用會形成共振,因而產生蘭姆波。選擇不同蘭姆波模式可以通過探頭入射角的改變來實現。為了獲得比較強的波,可以通過使入射波的振動頻率與板中的振動頻率相一致來實現,即產生共振。如圖1所示,當板中蘭姆波相速度的一個波長B與斜楔中縱波的一個波長A相對應時,板的振動就剛好與透聲楔中縱波的振動合拍。
式中cl―透聲楔中縱波速度
cp―板波相速度
αi―縱波入射角
結合式(1),并由鋼相速度頻散曲線解可以求出圖2(水晶玻璃/鋼板)波入射角與波型、頻率、板厚的關系圖。
2.2蘭姆波模式的選擇
為了提高檢測靈敏度,要選取合適的蘭姆波模式和頻率,選擇那些能量高又不易發生頻散現象且能量分布狀況較好的模式。
2.2.1波結構分析
根據超聲波傳播原理,聲波能量是通過聲媒介質點的振動而表現并傳播的。由機械振動能量計算公式E=0.5KX2max可知,質點振動的能量與質點位移幅值的平方成正比。能量高的蘭姆波可以在板的邊界產生較強的回波信號,同時蘭姆波在板中各部位的能量分布狀況決定其對各位置上缺陷的檢出能力。參考文獻[2]指出“蘭姆波質點振動的水平、垂直位移幅值的計算上可以較直觀地分析和認識蘭姆波能量在板中的變化分布情況”,因此要有效檢測層狀結構層間脫粘缺陷,選擇那些邊界位移幅度相對較大的蘭姆波模式是合理的。通過求解在不同頻厚積情況下不同模式的蘭姆波波結構(如圖3),可以清楚地發現不同模式蘭姆波在不同頻厚積條件下的位移形態都是完全不同的,而A0模式面內位移和離面位移在邊界上都較大,因此,從能量角度來看,選擇A0模式檢測發動機殼體鋼/絕熱層層間膠結結構中的脫粘缺陷可得到最佳檢測靈敏度。
2.2.2頻散特性
選擇了能量高的蘭姆波傳播模式,還要注意蘭姆波在傳播過程中的頻散現象和模式轉換現象。當頻散嚴重時,超聲儀顯示的接收回波信號在時基線上波形會變寬,包絡線不集中,加上干擾信號的影響,使缺陷信號不明顯,失去檢測的效果;蘭姆波在傳播過程中遇到缺陷時,反射回波容易發生模式轉換,不僅使該模式蘭姆波的能量轉移和降低,而且可能產生干擾信號。
蘭姆波的頻散現象可以通過群速度對頻厚積的一階導數來判斷。頻散嚴重的模式對于較小的△fd會產生較大的△cg,蘭姆波回波幅度大大降低、波峰上升沿與下降沿較趨平緩,不利于缺陷信號的檢出與判別,因此要盡量選擇群速度關于頻厚積的導數為零的蘭姆波模式,由鋼的群速度頻散曲線圖(圖4),可看出只有A0模群速度對頻厚積的一階導數值最小,而其它模式均有較大變化,另外,A0模為低階模,不易發生模式轉換。因此檢測發動機殼體鋼/絕熱層層間脫粘缺陷理論上應采用A0模式。
3檢測試驗及結果分析
圖5所示的試驗試塊,鋼層厚3 mm,絕熱層厚5mm,脫粘區域5 mm×5 mm;檢測示意圖如圖6;圖7為信號接收圖。
圖7(a)是層間完好的接收信號圖,波的傳播路徑可以簡單地表示為圖6所示,實線表示板波1的傳播路徑,虛線表示板波2的傳播路徑。當試塊粘接完好時,選擇合適入射角(圖2),可以在鋼層中激發蘭姆波,由蘭姆波的傳播特性,波在鋼層傳播過程中,可以誘發縱波進入絕熱層,再返回鋼層以板波的形式在鋼層中傳播(詳見參考文獻[3])。從圖7(a)中可以明顯地看出,有兩個波形出現(板波1之前是始波及可變角探頭楔塊中反射回波),板波1的幅值高、能量較強、時域波形較集中、頻散現象較小,符合本文的理論分析,表明A0模有優良的檢測條件;板波2相對板波1幅值較小,按傳播路徑,板波2要進入5mm厚的絕熱層,由于本試驗應用的發/收可變角探頭頻率皆為2.5 MHz,絕熱層材料對高頻率波有高衰減性,因此板波2的波能量有很大的損失,接收到的回波能量已經較弱,若用相同頻率的縱波入射法是很難檢測到絕熱層底面的反射回波的,要檢測鋼層下多層材料可以選用更低的頻率。圖7(b)是層間有空氣脫粘時,檢測到的波形圖,板波1之后沒有出現其它波形,說明由于脫粘的原因,波不能進入絕熱層。
另外,可以通過從圖中板波1與板波2之間在時間域上相差采樣點數Tn(大約45個采樣點),來計算絕熱層的厚度D。
4結束語
蘭姆波A0模式檢測發動機層間脫粘缺陷避免了縱波垂直入射法鋼層多次回波信號混雜,難以區分缺陷信號與界面反射信號的現象。從本試驗也可以看出,絕熱層的厚度對波有很大的衰減性,用單純的縱波入射法,難以檢測更深層次上的缺陷。在蘭姆波的實際應用中,選擇合適的頻厚積是很重要的,這關系到模式的選擇,不同模式的波對檢測缺陷的效果是不一樣的,只有合適的模式波才能對特定位置的缺陷有較強的回波能量;同時要注意端面反射信號的干擾,此回波容易發生模式轉換,從而產生干擾信號,這種信號的識別以及排除是很困難的。
摘自：中國計量測控網
