§ 3.6. Диагностика толщины и качества склейки слоистых структур.

Данный параграф посвящен ОА диагностике реальных периодических структур, состоящих из двух пластин алюминия одинаковой толщины (d₁ = 3.16 мм), скрепленных эпоксидной смолой (d₂ = 0.125¸ 0.275 мм) [77]. Толщина эпоксидной склейки и качество адгезии сильно влияют на прочность такой ПС; чрезмерное количество эпоксидной смолы или ее неполная полимеризация могут привести к разрушению конструкции. Для измерения и контроля толщины склейки использовался метод широкополосной ОА спектроскопии с прямой регистрацией акустических импульсов (см. § 3.3), т.е. исследовались ультразвуковые импульсы, прошедшие исследуемые образцы насквозь. Предлагаемый в данной параграфе метод позволяет контролировать толщину склейки по экспериментально измеренному в широкой полосе частот спектру пропускания ультразвука. Контроль качества склейки алюминиевых плат проводился по схеме с косвенной регистрацией акустических импульсов (см. § 3.3), т.е. регистрировались сигналы, отраженные от склейки.

Сначала рассмотрим первую часть задачи - контроль толщины. Акустический импульс, возбуждаемый в ОА источнике и прошедший иммерсионную жидкость, попадает в исследуемую ПС, где из-за разности акустических импедансов слоев эпоксидной склейки и алюминия начинает в них резонировать. На рис.3.6.1 приведена начальная часть ревербераций опорного акустического импульса (аналогично временному треку, представленному на рис.3.4.2).

Рис.3.6.1. Акустический сигнал, прошедший ПС, состоящую из двух эквивалентных пластин алюминия, склеенных эпоксидной смолой.

Первый импульс на рис.3.6.1 соответствует однократному прохождению опорного акустического сигнала через структуру. Следующий импульс приходит на приемник с задержкой D t_g, соответствующей времени двойного пробега зондирующего сигнала в склейке, и имеет гораздо меньшую амплитуду, чем первый (что объясняется потерей энергии в ультразвуковом импульсе при его двукратном отражении от границы склейка/алюминий). Далее, с задержкой D t_p относительно первого импульса, следует сигнал, представляющий собой суперпозицию двух переотражений исходного импульса в каждой из алюминиевых пластин. Большая амплитуда этого сигнала объясняется тем, что переотраженные импульсы, благодаря одинаковой толщине пластин, приходят на приемник в одно и тоже время. Из рисунка видно, что для проведения измерения пропускания ультразвука такой структурой необходимо, чтобы пространственная протяженность зондирующего импульса в склейке D l_ref = V_L0t ref  (V_L0 - скорость звука в эпоксидной склейке) была меньше, чем ее толщина. В противном случае реверберации не будут разделены во времени, что значительно затруднит измерения.

Спектральный анализ проводился только для части временного трека, содержащей импульс однократного прохождения опорного импульса через образец и реверберацию этого импульса в эпоксидной склейке. Это было сделано для того, чтобы резонансы алюминиевых пластин не замазали спектральную характеристику пропускания ультразвука склейкой. Таким образом, полученные спектры будут содержать в себе данные только о толщине и качестве склейки и не будут содержать информацию, связанную с пластинами алюминия. На рис.3.6.2 изображены такие спектры для образцов с различной толщиной склейки.

Рис.3.6.2. Спектры акустических сигналов, содержащих в себе импульс однократного прохождения через образец и импульс двукратного переотражения зондирующего сигнала в эпоксидной склейке различной толщины.

Видно, что разность частот между соседними максимумами в каждом из спектров D f₁ и D f₂ различны, причем D f_i = /L_i , где L_i - толщины склеек. Следовательно, если знать фазовую скорость ультразвука в склейке, то можно измерить ее толщину. Если фазовая скорость не известна, то можно контролировать изменения толщины склейки в процессе эксплуатации изделия по частотному сдвигу максимумов в спектрах пропускания.

Вернемся ко второй части задачи - контролю качества склейки. Такие исследования гораздо более эффективно проводить с помощью метода широкополосной ОА спектроскопии с косвенной регистрацией акустических импульсов. Это связано с тем фактом, что отраженный от склейки сигнал будет иметь наибольшую амплитуду в том случае, когда поверхности скреплены плохо, т.к. импедансы склейки и алюминия будут существенно различаться. Спектральный анализ таких сигналов сможет лучшим образом выявить данную закономерность.

На рис.3.6.3 приведены временные формы импульсов, полученные с помощью рефлектометра (см. § 3.5) по схеме с косвенной регистрацией акустических импульсов для трех различных образцов.

а)

б)

c)

Рис.3.6.3 Временные профили ОА сигналов, полученные с использованием рефлектометра для образцов склеенных плат при различных качествах склейки.

Первый сигнал во временном треке соответствует ОА импульсу, возбуждаемому на поверхности алюминия. Этот импульс является зондирующим в данном методе. Второй сигнал соответствует импульсу, отраженному от склейки. Вследствие того, что пространственная длительность зондирующего импульса примерно соответствует толщине склейки L_i  250 мкм, сигнал имеет не гладкую форму, а является суперпозицией импульсов, отраженных от двух склеенных поверхностей. Видно, что для образца, временной трек от которого представлен на рис.3.6.3в, этот сигнал имеет наибольшую амплитуду. Спектральный анализ сигналов, отраженных от склейки (см. рис. 3.6.4), “расставляет все на свои места”.

Рис.3.6.4. Спектры сигналов, отраженных от склейки, для трех различных образцов.

Из рисунка видно, что спектральная амплитуда сигнала (рис.3.6.4 - жирная линия) для образца №3, временной трек от которого представлен на рис. 3.6.3.в, значительно превосходит амплитуды двух других. Это говорит о том, что качество склейки для этого образца значительно хуже. Толщины склеек для образцов №2 и №3 при этом примерно одинаковы.

Приведенные в данном параграфе результаты показывают, что разработанный ОА метод диагностики ПС дает хорошие результаты при исследовании реальных слоистых структур. Это обстоятельство является очень важным для контроля изделий в процессе эксплуатации.