铝合金复层材料以其应力分布均匀、性能好、质量轻等优点广泛应用于航空航天、智能制造等领域。超声无损检测技术是研究铝合金复层材料界面结合状态和表征结合强度的重要检测手段。当前在制造或使用过程中铝合金复层材料的结合界面会出现气泡、孔洞等局部缺陷,严重地影响了铝合金复层材料的结合质量,如果不能及时检测将会危及设备和人员的财产和生命。基于此,设计开发专门用于铝合金复层材料结合状态检测以及表征界面结合强度的超声检测系统,开展主要工作内容如下:1.使用Comsol Multiphysics有限元软件对铝基板进行前置研究以及对不同界面结合状态的铝合金复层材料进行仿真分析和实验测量。仿真表明20MHz的声源信号频率基本能分辨出信号的回波情况,波形分辨率较好而且也能够检测更小的缺陷尺寸。此外,铝合金复层材料的非线性系数跟材料的结合状态有关。复层材料结合状态良好时材料的非线性系数较小,而随着缺陷尺寸在0～8mm的范围内逐渐增大,复层材料的界面结合状态也会变得变差,产生的非线性效应越来越明显,非线性系数出现有较为明显的变化,有限元仿真计算的非线性系数变化率为86.66%,而且仿真计算的非线性系数与缺陷尺寸满足多项式函数的拟合回归关系,其拟合方程为:y=0.3714-1.4006a+1.652,相关系数为0.9914;实验测得非线性系数变化率为87.91%,而且实验测量的非线性系数与缺陷尺寸满足多项式函数的拟合回归关系,其拟合方程为:y=0.3879-1.4641a+1.704,相关系数为0.982。2.对不同结合状态的铝合金复层材料进行仿真分析和实验测量,研究表明结合状态不同,超声回波信号图中波形特征也明显不相同。通过比较一次界面波和一次底波之间是否存在回波即可判断复层材料是否完全脱粘;比较粘接良好的环氧树脂层的反射回波幅值与有缺陷状态的环氧树脂层的缺陷回波幅值的大小,即可定性的判断出粘接结构是否有缺陷,进而实现对粘接材料的结合状态进行评价。通过相控阵列S扫描技术和C扫描技术都能对界面结合状态进行定性的缺陷检测,评估界面是否存在缺陷,而C扫描技术还能够定性地分辨出深色区域就是粘接不良的缺陷位置以及定量的检测出现铝合金复层材料粘接层的缺陷并以图像形式呈现,成像缺陷尺寸与实际缺陷尺寸的误差为5%。3.搭建可用于铝合金复层材料界面结合质量检测的超声检测系统,研究不同结合状态的铝合金复层材料的超声特征参数与缺陷尺寸的关系,实验表明不同结合状态的铝合金复层材料会造成超声特征参数如幅值,声速,声衰减系数和非线性系数也发生相应的变化。随着缺陷尺寸在0～8mm的范围内逐渐增大,一次界面波幅值信号基本相同,其幅值变化率为6.07%,缺陷波幅值随着不同结合状态的样品的缺陷尺寸增大而增加,缺陷波幅值变化率为63.41%,一次界面波幅值随着不同结合状态的样品的缺陷尺寸增大而减少,一次界面波幅值变化率为17.82%;随着不同结合状态的样品的缺陷尺寸在0～8mm的范围内逐渐增大,超声波在复层材料中的传播速度的有一定的影响,但总体趋势没有明显相关性,样品的声速变化率为3.24%;随着粘接层的缺陷尺寸在0～8mm的范围内逐渐增大,声衰减系数逐渐增加,超声波在材料中的衰减程度越来越大;随着不同结合状态的样品的缺陷尺寸在0～8mm的范围内逐渐增大,非线性效应越来越明显,超声波回波信号的非线性系数越来越大,样品的非线性系数变化率为87.91%。4.通过电子万能试验机进行拉伸实验测量出不同界面结合状态样品的强度变化,实验表明不同结合状态的铝合金复层材料会造成材料的界面结合强度存在差异,随着粘接层的缺陷尺寸的增大而界面结合强度呈现明显的下降趋势。5.超声相控阵列检测技术获取不同结合状态的样品的超声特征参数,通过拉伸实验获取不同结合状态的样品的界面结合强度,研究发现随着缺陷尺寸的改变,超声特征参数与界面结合强度呈现一定的变化规律,因此建立超声特征参数与界面结合强度的表征关系,研究发现缺陷波幅值、声衰减系数和非线性系数与结合强度都有较好的线性拟合。为了评价超声特征参数表征界面结合强度的能力,从稳定性和响应灵敏度两方面分析可知,使用非线性系数表征铝合金复层材料的界面结合强度效果最好,结合强度-非线性系数的函数表达式为y=2.0835β-0.161,相关系数为0.9981。