胶接结构的优化检测方法

胶接结构提供了关于强度-质量比、应力分布、设计灵活性、价格降低与制造简化等诸多优越性。自20世纪80年代以来，用胶接连接代替传统的机械连接制作结构部件的技术得到了迅速发展。然而，胶接接头的结构性能很易受胶接件表面污染、劣质粘结剂和暴露在潮湿和高温等不良环境条件的影响。

已经查明，胶接接头在暴露于高温环境的过程中，接头的强度会很快降解。而且还显示出，这种暴露于高温后的强度降解，不能再恢复到初始强度，尤其是当温度接近粘结剂的玻璃相变温度的时候，更为显著。若接头反复多次暴露于高温下，强度降解会更大。因此，以胶接连接的结构件往往限制用于温度在粘结剂容忍的范围以内。然而，某些部件可能由于机械过热或燃烧被无意中暴露于高温环境，因此在结构整个使用寿命中，用无损评定方法保证胶接的性能未受到环境影响的损害是甚为重要的。

很多无损检测方法适用于感受材料中有形的宏观不连续，只有少数技术能提供有关作用结构性能的材料内在的性质方面的信息。目前，在胶接结构检测中，关于脱粘、气孔、分层等宏观不连续检测已取得了满意的结果（参见本书第14篇第4章）。问题的焦点在于脱粘面之间紧贴的无间隙脱粘以及微疏松、微裂纹或其他微观不连续引起的非脱粘的低胶接强度（甚至是零胶接强度）检测。声发射与超声波是应用最广的评定材料性能的常规技术。前面已经评述，声-超声波检测是新兴的无损检测方法，它结合了常规超声波与声发射技术的有利因素。国内外的大量研究工作已充分揭示，声-超声波确定的应力波传播特征与各种不同材料包括强度的各种力学性能之间有着很强的关联。已经证明，声-超声波方法已成功地用于铝材胶接件的剪切强度的无损检测和橡胶与钢板之间胶接的剪切强度无损检测。在其他一些研究中，发现声-超声波参量与含有脱粘的单搭接复合材料样件之间有很好的相关性。

1.材料与检测样件

用于这一研究的单搭接剪切检测样件的构成形式为宽25mm、厚3.0mm的软钢带，切割成长127mm的条。钢条经研磨、抛光，以除去尖锐的边缘，且保证表面平整。然后，对钢条的表面喷砂以除去无活性的氧化层与氢氧化层，并使粘结剂有效表面积增加。喷砂以后，将钢条浸于氯乙烷溶液中约30min，去除油脂，并用该溶液刷洗表面。当钢条从溶液中取出后，立即以25mm相互搭接胶接。胶接用改性环氧胶膜，以177℃、600kPa、3h的固化工序。胶膜具有-55～150℃的使用温度范围。在固化过程中，用厚为0.05mm铝垫片隔开两被胶接件以获得接头面积上这一厚度的胶粘层。

在这一研究试验中，共用了24件样件。为评定声-超声波参量与连接强度的温度变化效应，每一温度用3个样件测量随温度增加的声-超声波参量的变化，将在5个不同温度下的15个样件在拉力试验机上加载至破坏。为评定声-超声波参量与连接强度的周期热暴露效应，用3个样件重复暴露在150℃温度下，然后空冷至室温。该3个样件，通过用3个相同制造条件下的样件以声-超声波和破坏剪切检测比对评定。

2.声-超声波测量装置

声-超声波测量装置如图3.2-7所示。为了改进可重复性，室温下的声-超声波测量是用维持恒定接触压力与保证两换能器中心固定距离的弹簧加载夹具（见图3.2-7a）实现的。在这种方式中，从一个样件获得的声-超声波信号可以用来评定其他相关样件。耦合剂耦合至样件表面，并在每一样件上作4次独立测量。每次测量之间，取下换能器，清洁样件，然后再对已清洁样件添加耦合剂，回复到原状耦合。

在高温下的声-超声波测量是用不同换能器-样件配置实现的，如图3.2-7b所示。在这一工况下，用标称2.25MHz中心频率的超声波探头作为发送换能器；而以标称1MHz中心频率的共振声发射传感器作为接收换能器。两换能器以对换能器-样件能提供足够高压力的恒力夹具夹持，而不用在高温下已不起作用的液体耦合剂。利用一块加热板将热传到粘接区域。由于热的传导，被粘件与换能器均变热。样件的一侧与粘接区的另一侧之间的温度差小于1℃。当样件从30℃加热至150℃，每隔10℃取一个声-超声波参量；并将数据归一至相对30℃的结果。

声-超声波测量完成以后，样件在配备有环境小室的万能试验机内拉伸至破坏。在加载过程中，用楔形夹具固定样件。样件置于小室内，并加热至所要求的30～150℃，每30℃为一间隔。在到达检测温度以后，以0.2mm/min的速度在十字夹头加载，至少保持10min。破坏以后，用光学显微镜观察破坏表面以确定破坏模式。

图3.2-7 用于室温与高温下测量的声-超声波系统

3.温度变化效应

图3.2-8所示为用2阶多项式回归的归一化（归一化至30℃时的值）声-超声波参数随胶接样件温度升高的变化曲线。图中归一化声-超声波参量表示3个样件上测量数据的平均值，数据的分散范围用竖直线表示。示于图3.2-8的声-超声波参量数据已经采用在同一检测条件下，加工至相同几何形状的无粘结剂钢单搭接头样件的测量数据除以所测得的胶接接头样件的声-超声波参量数据的方法，对胶接件和换能器的温度效应作了补偿校正。正如图3.2-8所示，胶接钢样件的声-超声波响应通常随同温度升高而降低。

图3.2-8 归一化声-超声波参量随温度变化曲线（曲线经2阶多项式回归）

声-超声波响应随温度的变化，还可用频率域分析声-超声波信号看出，如图3.2-9所示。在30℃时，频谱内基本上有4个主要尖锋：在约0.7MHz、0.85MHz、1.10MHz和1.20MHz。随着温度增加，在约0.7MHz与0.85MHz的尖峰幅值开始降低；而在约1.10MHz与1.20MHz的尖峰，较之频谱中其他两峰幅度上相对增加。在约1.10MHz和1.20MHz的两峰相信是单独由胶接件材料引起的，同样的情况可以从无粘结剂相同几何形状样件声-超声波信号的频谱中看到（图3.2-10）。图3.2-10所示的频谱中包含有在约1.10MHz和1.20MHz，随温度升高幅度增加的尖峰。

图3.2-9 胶接钢样件频率谱随温度升高的变化

图3.2-10 无粘结剂钢样件不同温度的声-超声波信号频谱

图3.2-11给出了该接头样件作为检测温度的函数的平均剪切强度（破坏载荷除以搭接面积）的变化。图3.2-11的每一数据表示3个样件的平均值；数据离散范围用竖实线表示。由于整个样件连同夹具是置于外围环境检测设备内，而且在加载前，至少维持在要求检测的温度10min，可以假设在样件内部没有温度变化。然而，在外围环境小室内的温度变化大约为±3℃。对用改性环氧胶膜的单搭接样件，检测结果示于图3.2-11，随温度升高接头强度降低，这与上述类似粘结剂所显示的结果相符。

图3.2-11 胶接钢样件随温度升高平均剪切强度的变化

注：1.曲线经2阶多项式回归。

2.1lbf/in²=6894.76Pa。

样件的破坏为包含有界面破坏与内聚破坏的混合破坏模式。当残留粘结剂附着于两胶接件之一而完全干净地脱离另一胶接件时，指示为界面破坏。当粘结剂余留在两胶接表面时，指示为内聚破坏。如图3.2-12所示，从室温至90℃主要为内聚破坏，包括少量界面破坏，在该温度范围胶接剪切强度随检测温度稍有下降。在等于120℃或以上，界面破坏占优势。在150℃时几乎全为界面破坏。在120～150℃这一温度范围，剪切强度发生尖锐下降，这可能是界面破坏所引起的。这一趋向可以从图3.2-11明显地观察到。

通过比较图3.2-8与图3.2-11可以看出，胶接样件的声-超声波无损检测及破坏检测与温度有关。图3.2-13给出归一化声-超声波参量对归一化剪切强度（剪切强度除以最大剪切强度）的关系曲线。用最小二乘法拟合成一直线，可以得出相关因数为0.964。

图3.2-12 不同检测温度下的样件破坏表面

图3.2-13 在不同温度下声-超声波参量与平均剪切强度的相关性（数据用最小二乘法拟合）

4.周期热暴露效应

表3.2-2为声-超声波参量与平均剪切强度的周期热暴露效应，示出了粘接样件重复加热至150℃，保持1min再冷却至室温的声-超声波检测参数及剪切强度数据与测自相同制备条件样件数据的比较。在这一试验中，所有声-超声波检测与机械拉伸试验均在室温下完成。从表3.2-2可以看出，样件在遭受周期热暴露后，与相同制造条件的样件相比，通常所具有的声-超声波参量与平均剪切强度的数据均较低。表中归一化声-超声波参量数据表示每一样件上4次声-超声波检测测量的平均值。样件遭受周期热暴露后的声-超声波参量和剪切强度间的相关关系如图3.2-14所示。在这一实例中，相关因数为0.955。用光显微镜观察破坏表面，在遭受周期热暴露后的样件中的粘结剂的某些部分已发生热降解（过热）。这些样件显示比相同制造样件有更明显的界面破坏，如图3.2-15所示。

表3.2-2 声-超声波参量与平均剪切强度的周期热暴露效应

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（续）

图3.2-14 遭受周期热暴露与相同制造条件两组样件声-超声波参量与平均剪切强度的相关关系

注：1.数据点用量小二乘法拟合。

2.1lbf/in²=6894.76Pa。

图3.2-15 与相同条件制造样件的比较

5.讨论

对改性环氧胶膜获得的不同温度下剪切应力-应变曲线如图3.2-16所示，曲线显示随温度增加，粘结剂的剪切模量（弹性区内曲线的斜率）减小。对某一给定的材料，剪切模量与弹性模量成正比，因此粘结剂的弹性也随温度增加而减小。改性环氧胶膜弹性模量随温度的变化是由于聚合物温度-形变的热力学特性所引起的，它的特性是在高温下类似橡胶材料的低模量，而在低温下显示类玻璃材料的高模量。图3.2-16还显示，粘结剂的剪切强度（曲线的最高点）随温度增加而减小。所以，胶接的强度与弹性模量两者在升高温度时显示出类似的减小趋势。

弹性模量对经过材料传播的声波速度的作用如式（3.2-15）所示。

图3.2-16 不同温度下改性环氧胶胺应力-应变曲线

式中 c——材料中的声速；

K——泊松比函数；

E——弹性模量；

ρ——材料密度。

已经发现，环氧树脂在低于其玻璃转变温度时的声速随温度升高单调地降低。材料密度与其声速的乘积是声阻抗率Z，即

Z-cρ （3.2-16）

将式（3.2-15）代入式（3.2-16），有

由于热膨胀与汽化效应，粘接接头内胶粘层的密度ρ在较高温度时将略为减小。由于随温度升高，弹性模量与胶粘层密度将减小，因此按照式（3.2-17），声阻抗率也必将随温度的升高而减小。

声阻抗率控制声波穿过如胶接接头那样的叠层介质，从一个具有声阻抗率为Z₁的材料垂直入射到另一声阻抗率为Z₂材料的传输波的透过系数由下式给出

对用在本研究的构形（见图3.2-7），声波从第一层钢胶接件[Z₁=45×10⁶kg/（m²·s）]到胶粘层[Z₂≈2.7×10⁶kg/（m²·s）]，然后再到第二层钢胶接件。由于Z₁＞＞Z₂，在钢-粘结剂界面声透过系数近似为

在第二界面（粘结剂至钢）的声传输透过系数可写为

由于Z₁＞＞Z₂

由于检测温度只达到150℃，在钢胶接件中的温度效应可以忽略，因此在这一检测中，胶接件的声阻抗率可以假定为对试验温度来说是恒定的。从式（3.2-19），声透过系数，亦即应力波透射效率是与粘结剂的声阻抗率成正比，且可以预期随温度增加而减小。由于声-超声波参量测量的是应力波透射效率，从而可以预料声-超声波参量值将随温度升高而减低。由于声-超声波应力波传播及强度两者对材料弹性（刚性）的依赖关系，所以应力波传播与复合材料强度之间同样有相关性。

6.结论

用声-超声波检测与破坏剪切强度检测已经评定了钢胶接样件性能的温度效应。对声-超声波测量，发现声-超声波参量对改性环氧粘结剂在高温下的强度变化是灵敏的。已经找出在遭受越来越高的高温的钢单搭接接头样件中，声-超声波参量与剪切强度间的良好相关性。声-超声波参量与强度两者随温度升高均有明显下降的倾向。声-超声波的传播受粘结剂弹性模量改变的影响。得出了遭受周期性热降解样件的声-超声波参量与剪切强度之间同样良好的相关关系的结论。这些相关关系指出了声-超声波技术用作无损监视与评定在高温暴露过程或以后胶接接头强度热降解的可行性。