多层异种金属结构粘接缺陷激光超声检测理论与方法研究

Multilayer dissimilar metal structure is widely used in aerospace, weapons and equipment. Its bonding quality plays a very important role in reliability and security of all kinds of products. Accurately testing and evaluation of its bonding quality by non-contact method becomes more and more important. However it’s too hard to accomplish it by nondestructive testing and evaluation method at this time of day. To solve this problem, the project will do some research on the non-contact testing theory and method for multilayer dissimilar metal structure using laser ultrasonic. The testing theory will be improved and the method for quantitative evaluation of bonding defect will be established through the research on the thermoelastic generation method, the interaction of laser ultrasonic with adhesive interface and bonding defect, the signal extraction, characterization, verification and quantitative evaluation method, and et al. The research result will provide a high accurateness and non-contact method for the testing and evaluation of bonding quality of multilayer dissimilar metal structure and have a broad application prospects in aerospace, weapons and equipment.

多层异种金属结构广泛应用于武器装备、航空航天等国防高科技领域，其粘接质量与产品的可靠性和安全性密切相关，现有无损检测方法难以满足其非接触、高精度的检测需求。为了解决这一问题，本项目将研究多层异种金属结构粘接缺陷的非接触激光超声检测理论与方法。通过研究多层异种金属结构中各种金属材料的激光超声热弹性激发控制理论与方法、各粘接界面和粘接缺陷与激光超声的作用机制与特征信号提取/表征方法、不同深度粘接界面及粘接缺陷的定量表征、验证与评价方法等，完善激光超声检测理论，建立多层异种金属结构粘接缺陷的激光超声定量评价方法。项目研究成果将为多层异种金属结构粘接缺陷提供一种非接触、高精度的检测方法，在武器装备、航空航天等高科技领域中具有广阔的应用前景。

多层金属粘接结构具有应力集中小、整体强度高、抗疲劳和抗冲击性能好等优点，被广泛应用于武器和航空航天等重要领域。局部脱粘缺陷造成粘接结构件强度下降，严重威胁粘接结构质量。因此，必须采用有效的无损检测方法对该多层金属粘接结构件进行定期检查。激光超声方法具有非接触和高精度特点及现场检测优势，有望解决多层钢-铅粘接结构脱粘缺陷的检测问题。首先，采用有限元直接耦合法数值计算不同厚度单层金属结构和金属-环氧树脂胶粘接结构的激光超声波。其次，采用激光超声体波法分别检测了钢-铅三层粘接结构和钢-铅-钢五层粘接结构的脱粘缺陷，取得了较好的检测效果。提出20次时域平均和小波联合滤噪方法提高激光超声信号的信噪比，分别采用激光超声透射横波和反射横波法对多层钢、铅金属粘接结构进行C扫描检测。然后，建立了铅-钢粘接结构脱粘缺陷的激光超声导波C扫描检测方法。激光超声导波C扫描方法能够检测出铅-钢粘接结构直径3mm及以上的脱粘缺陷，采用-8dB法对脱粘缺陷尺寸进行定量分析，直径3mm及以上脱粘缺陷尺寸的定量误差不超过6%。研究结果表明，脉冲宽度10ns和焦斑半径1mm的脉冲激光参数能够满足多层钢、铅金属粘接结构脱粘缺陷的检测需要；20次时域平均和小波联合滤噪方法能够提高激光超声检测粗糙结构表面的能力；激光超声透射法完全适用于多层金属粘接结构脱粘缺陷的检测，激光超声脉冲反射法能够检测钢-铅粘接结构直径3mm及以上的脱粘缺陷和钢-铅-钢粘接结构直径12mm的脱粘缺陷，激光超声导波法能够检测铅-钢粘接结构直径3mm及以上的脱粘缺陷；针对不同的激光超声检测方法，提出的脱粘缺陷定量评价方法有很好的适用性。