胶接接头强度及环境退化的超声波无损定征

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1、摘要!蔓曼曼皇曼曼曼曼置皇量曼曼曼曼曼寡t————————————————————————————"1I曼摘要随着胶接工艺在航空航天工业上的应用越来越广泛，胶接接头缺陷的无损检测与强度的无损检测与评价自然也就越来越引起人们的关注。币是因为对胶接强度(包括疲劳强度)缺乏有效的无损评价方法，使得工程设计人员不敢轻易将胶接技术用于一些重要结构部位，影响了胶接工艺进一步的广泛应用。胶接接头性能的无损评价是很困难的，早在二十世纪七十年代初期，胶接接头强度的无损检测与评价就引起了人们足够的重视，但是至今仍然没有得到令人满意的结果。在各种对胶接接头进行无损检测与评价的方法中，超声法是使用

2、最多、也被认为是最有前景的方法。声一超声方法(AU方法)在被测板件厚度较薄时，板中传播的超声波模式主要是多模式的兰姆波。本文采用时频分析的方法，将AU信号中的兰姆波各模式在时频空间进行分离，在分析兰姆波信号组成和模式转换的基础上，采用普通平探头垂直耦合这种便捷的测试方式，对人工制备的Al合金弱化胶接接头及加速退化接头的超声波无损定征进行了研究。本文采用时一频分析的方法对单层铝板中的AU信号进行了分析，通过将各信号分量在时频空间分离，并与Lamb波的理论时频分布曲线相比较，验证了AL信号在板厚较薄时实质上是多模式的Lamb波：通过对Au信号的时频分布进行时频重排和图像处理，提

3、取了S0模和Al模的群速度频散曲线，实测曲线与理论频散曲线有较好的一致性。通过理论和数值分析，发现Au信号在时域上较靠后的“复杂”信号主要是各模式Lamb波反射信号的叠加，为AU信号的有效处理和数据的有效利用提供了依据。对胶接接头中的AU信号进行了时频分析，分析了接头中信号的Lamb波组成，AU信号通过胶接接头后各信号分量经历了不同程度的“衰减”，并伴随有Lamb波的模式转换。归一化处理后，各主要模式频谱峰值与接头强度具有良好的线性关系。对测得的胶接接头Au信号中主要信号分量sl模的频散特性进行了研究，sl模的群速度随接头强度变化的相对值较小，但绝对值较大，在接头搭接尺寸北

4、京工业大学工学博士学位论文I较大时利用频散特性的变化对胶接接头的强度进行定征将会获得较好的效果，搭接区长度越大，定征结果也就越准确；胶接接头的频散特性对接头的内聚性能有一定的敏感性，但对粘附性能不敏感。Au信号中主要分量S1模的能量分布密度随接头强度的降低，在时间轴上有后移的趋势，这一现象的主要原因是胶接接头对Lamb波模式的不均匀衰减。根据这一现象，通过FFT带通滤波在时域对s1模进行了分离，提取了信号包络的质心，发现质心位置与胶接接头的强度有很好的对应效果。在胶接接头强度无损定征研究工作的基础上，对水浸加速退化的胶接接头的退化性能的定征进行了研究，Lamb波的衰减对胶接

5、接头在水中的退化不敏感，而Lamb波的能量转移(模式转换)能够很好地反映胶接接头的退化规律。在接头尺寸较小的情况下，采用时频曲线的变化对胶接接头的退化进行定征所得到的精度并不高。因为频散特性的变化只取决于材料特性的变化，根本不受耦合条件的影响，因而具有相当好的鲁棒性，如果能够进一步提高测量精度，采用频散特性的变化对胶接接头进行性能定征的优越性是明显的。在加速退化条件下，信号中主要Lamb波模式——S1模的不均匀衰减对接头的性能退化不敏感。在对接头的退化性能进行的各种超声波定征尝试中，都发现了接头退化初期超声特征量的“异常”，产生这一现象的根本原因在于胶接接头的非平衡吸水，在

6、非加速环境下，胶缝吸湿速度缓慢，接头性能退化的不均匀程度大大降低，可望得到更完美的定征结果。由于兰姆波的复杂性，传统Au方法回避了对信号本质的分析，主要采用构造“应力波因子”的方法来度量材料中的相对能量耗散，进而评价材料的总体性能。这种方法带有较大的盲目性和一定的“试一错”性质。本文从信号时频分析的角度，指出了传统AU方法的合理性和局限性，鉴于薄板中AU信号的Lamb波本质，Au参数的选择和构造应在充分了解Lamb波频散特性的基础上、并在AU信号时频分析结果的指导下进行。关键词胶接接头，无损评价，环境退化，兰姆波，声一超声，时频分析本研究得到了国家自然科学基金项目(No．5

7、0075004)的资助。ABSTRACTAsadhesivebondtechnologyhasincreasingapplicationinaeronauticsandspaceindustries，moreandmoreresearchinterestsnaturallyariseforthenondestructivetestingandevaluationofadhesivebonddefectsandproperties．Uptonow，theredoesnotappeartobeapracticalmet