管狀金屬構件裂紋電磁聲發射激發特性試驗研究

唐力偉，張曉濤，王 平

（軍械工程學院 火炮工程系石家莊 050003）

火炮身管通常工作在重載、高溫、高壓的環境下，不可避免要產生裂紋缺陷，傳統聲發射檢測用于身管裂紋檢測存在加載困難的問題，聲發射檢測方法是一種動態檢測方法，檢測時要求身管處于工作受載情況下［1－2］，實際中為了火炮身管的安全工作，身管在非工作狀態下的檢測更具有實際意義。

電磁聲發射技術是一種新型的無損檢測方法，美國物理聲學公司的工程師發現，金屬材料在通過瞬間脈沖大電流時，缺陷部位會出現電流集中效應，通過電磁感應產生洛倫茲力的作用，能夠在非鐵磁質材料鋁板上激發出聲發射現象［3－4］。電磁聲發射技術為身管在非工作狀態下的裂紋檢測提供了基礎。論文以身管裂紋檢測為最終目的，在鐵磁質無縫鋼管上進行了電磁聲發射試驗，對電磁激發聲發射的特性進行了詳細的試驗研究。

1 電磁聲發射原理

金屬材料通過脈沖大電流時，材料中的裂紋等缺陷會導致電流重新分配，并在缺陷尖端處出現電流集中，導致電流密度增大［3，5－6］。帶電導體的周圍會感應出磁場，特別是在裂紋尖端處電流的方向幾乎相反，會導致該處的磁場強度顯著增強，由于電磁場的互相作用，會在裂紋尖端區域感應出很強的洛倫茲力，該過程中如圖1所示，洛倫茲力具有擴張裂紋的趨勢，當洛倫茲力足夠大時，裂紋發生擴張釋放應力，產生聲發射現象［5－7］。

2 試驗系統組成

試驗測試設備包括聲發射采集儀一臺，采樣頻率3 MHz，16位AD，聲華R15型聲發射傳感器，配備40 dB前置放大器，脈沖電流測量模塊。被測試件為多根無縫鋼管，外徑27 mm，壁厚3 mm，通過切割后彎曲加工裂紋，裂紋位置如圖2中所示，彎曲裂紋的深度約4 mm，寬度約1 mm，方向沿管壁圓周方向分布。脈沖電流產生電路主要包括450 V大容量電容（容量包括：2 200μF和3 300μF），加載電極夾具，導線，繼電器，充電電源，限流電阻，續流二極管等。試驗系統結構示意如圖2所示。

圖1 電磁聲發射原理Fig．1The principle of electromagnetic acoustic emission

圖2 試驗系統結構圖Fig．2 Experiment system architecture

3 試驗結果分析

試驗過程中，利用電容放電裝置，通過兩個加載電極，與試件形成放電回路，通過控制電容充電電壓，實現不同大小的脈沖電流放電，通過更改變電容容量實現放電持續時間的改變。聲發射傳感器通過耦合劑緊固在鋼管表面，脈沖電流測量模塊安裝在回路導線上，通過聲發射采集儀將裂紋激發的聲發射信號采集記錄在計算機中，通過示波器將電容放電電壓和脈沖電流測量結果記錄在示波器中，試驗中采樣頻率為3 MHz，閾值電平為100 mV，試驗環境為半消聲室。

3.1 脈沖電流與聲發射現象的關系

試驗中加載電壓從20 V開始逐步增高，每次增高5 V，最終到達150 V，共27組。為了研究加載電流幅值與鋼管裂紋電磁聲發射信號之間的關系，對采集到的聲發射信號的三個特征：信號幅值，振鈴計數，信號能量進行分析［8］。

幅值：信號波形的最大振幅；振鈴計數：信號超過閾值電平的振蕩波個數；能量：聲發射線號檢測包絡下的面積；三個特征的具體含義如圖3所示，試驗數據處理后特征值與電流幅值關系如圖4所示。

圖3 聲發射波形特征參數Fig．3 Acoustic emission signal characteristics

圖4 電流峰值與聲發射信號參數關系曲線Fig．4 The curve of relation between acoustic emission signal characteristics and peak of excitation current

從圖4中可看出，放電峰值電流較低時，所采集到的信號特征參數非常小，隨著峰值電流的增大，信號特征逐步增大，變的易于識別。圖中信號的能量和振鈴計數逐步增大，趨勢穩定，波動較小，信號幅值曲線整體趨勢雖然也是逐步增大，但是波動較大，這是因為信號幅值容易受到各種噪聲帶來的尖銳脈沖峰值影響，導致幅值曲線變化波動大，而振鈴計數和能量均是在一段時間內的統計特征，因此抗干擾能力強，穩定性好。

振鈴計數反映聲發射信號的強度和頻度，廣泛用于聲發射的活動性評價。一般來講，信號幅值超過閾值，振鈴計數大于10，則聲發射現象易于識別，便于裂紋損傷的檢測，當振鈴計數超過100時，則發生較強烈的聲發射現象，當信號幅值小于閾值或者振鈴計數小于10時，則信號微弱，難以界定是噪聲還是非常微弱的聲發射現象，不能進行裂紋缺陷的檢測，依此將加載過程分為三個區域，無聲發射區域（振鈴技術＜10），弱聲發射區域（10＜振鈴計數 ＜100），強聲發射區域（100＜振鈴計數）。

圖中無聲發射區域和弱聲發射區域的分界點加載電流為928．4 A，自該點之后聲發射信號的特征才比較明顯，說明當加載電流大于928．4 A時，試件中裂紋缺陷才出現易于檢測的聲發射信號。弱聲發射區域和強聲發射區域的分界點電流為1 392．6 A，自該點之后，聲發射信號三個特征進一步增大，從而利于在更強的噪聲環境中實現裂紋缺陷的檢測。

文獻［9］中的實驗結果表明，金屬材料的聲發射信號頻率范圍在100－550 kHz之間，這個頻率范圍包含了聲發射物理過程的主要信號成分及能量集中［9－11］。弱聲發射區域和強聲發射區域部分峰值電流下采集信號及其功率譜如圖5所示。從圖中功率譜可以看出弱聲發射區域和強聲發射區域的信號主要成分處于100－200 kHz，符合金屬聲發射信號的頻帶范圍，說明這兩個階段試件中脈沖電流激發出了可識別的裂紋聲發射信號。

圖5 部分峰值電流下的信號及其功率譜Fig．5 Acoustic emission signal and power spectrum with different peak of excitation current

3.2 電極位置與聲發射現象的關系

在激發電流能夠滿足聲發射激發的前提下，對電極距離不同的情況進行研究，正負兩個電極對稱分布在裂紋兩側，電極距離從10 cm到60 cm共6組，試驗中峰值電流控制在1 650 A左右，信號特征的評價依然采用幅值，振鈴計數與能量，試驗結果的數據如表1所示。

表1 不同電極距離下信號特征（1 650 A）Tab．1 Signal characteristics with different position of electrode

從表中可以看出，電極加載位置對鋼管裂紋電磁聲發射現象的激發影響不是很大，三個特征量隨著加載距離的增大都有所減小，但是減小的幅度并不是很大，沒有影響到聲發射信號判斷，按照前面對加載過程的劃分，表中數據一直處于強聲發射區域。隨著電極距離的變化，回路電阻會發生變化，實際測量發現，回路總電阻約30 mΩ，電極距離10 cm和60 cm的情況，回路電阻增量小于5 mΩ，因此回路電阻的影響是非常小的，但是表中信號特征量隨著電極距離的增大具有一定程度的衰減，主要是因為連續加載，導致試件上的裂紋應力逐漸釋放，即聲發射現象中重復加載的影響，該問題將在3．4中詳細說明。

3．3 放電持續時間與聲發射現象的關系

金屬裂紋脈電磁聲發射激發過程是一RLC電路響應，由于回路中試件導線等已經確定，通過改變電容容量實現放電時間的改變，放電電容容量分別為3 300μF和2 200μF，實驗中針對同一試件，在放電電壓從60 V到110 V的6種情況下進行，按照從低電壓到高電壓的順序進行，每種電壓下先進行2 200μF電容的激發，后進行3 300μF電容的激發，兩種情況下的放電時間長度分別為120μs和160μs，放電電壓曲線如圖6所示。試驗中聲發射信號的三個特征變化如表2所示。

圖6 放電時間曲線圖（60 V）Fig．6 The curve of duration of pulse current

表2 不同放電時間下的聲發射特征參數Tab．2 Signal characteristics with different duration of pulse current

從表中數據可以看出，在不同峰值電流的情況下，兩種放電時間長度對應的聲發射信號幅值幾乎沒有太大變化，但是放電時間長對應的信號振鈴計數和能量會大一點，主要原因是信號幅值與峰值電流引起的洛倫茲力大小有關，在峰值電流沒有提高的情況下，信號幅值不會有太大改變，但增大放電時間，會相應增大放電的總能量，促使聲發射信號持續時間增長，帶來信號振鈴計數和能量的增大。

3．4 聲發射現象的重復加載性能

金屬材料聲發射現象的kasier效應是指重復載荷到達原先所加最大載荷之前不發生明顯聲發射的現象；Felicity效應又稱反Kasier效應，即對于重復加載的構件材料，重復載荷達到原先所加最大載荷前發生明顯聲發射的現象。Kasier效應表現為聲發射激發現象的不可逆性，而Felicity效應正好與Kasier效應相反，對于鋼管裂紋的電磁聲發射實驗中，我們利用對同一試件進行多次重復加載，試驗中放電電壓50 V，峰值電流1 160．5 A左右。重復加載的數據如表3所示。

表3 重復加載試驗數據（1 160．5 A）Tab．3 Experiment data of repeatedly applied pulse current

從表中數據可以看出，信號特征的變化規律呈下降趨勢，但是第四次重復加載時的數據相比于第三次出現了增大。實際試驗中Kasier效應表現為信號特征的下降趨勢，同一載荷重復加載能夠產生聲發射現象則體現了Felicity效應。這是因為每次加載后，缺陷處裂紋的應力得到釋放，但是舊裂紋發生變化，甚至伴隨有新的微裂紋出現，從而導致缺陷處于新的應力不均衡，當重復加載時，會出現聲發射現象，由于經過了前一次的應力釋放，后續的聲發射現象會變的微弱一些，但舊裂紋的變化并不能保證聲發射現象會一直變弱，也有可能會導致裂紋處應力不均衡比加載前更嚴重，如表中的第四次比第三次的信號特征要大，正是這一可能性的反映。

4 結 論

（1）電磁激發聲發射時，當峰值電流小于928．4 A時，聲發射現象非常微弱或者不產生聲發射現象。當峰值電流超過928．4A時，則可產生明顯的聲發射現象，信號主要頻率成分150 kHz，符合金屬材料的聲發射信號特征。

（2）隨著加載電壓的增大，聲發射信號的三個特征參數逐步增大，且能量和振鈴計數特征比幅值特征的抗干擾能力強，說明具有統計意義的特征更適于聲發射信號的表征和識別。

（3）聲發射信號的激發主要與加載電流的峰值大小有關，電極加載位置通過改變回路電阻帶來峰值電流的微弱變化，僅會造成聲發射信號特征參數的微小變化。放電時間長度會增大信號持續時間，使得振鈴計數和能量增大，但不改變峰值電流，幅值特征幾乎不變。

（4）電磁聲發射重復加載的性能表明，重復加載會帶來裂紋聲發射信號特征減小，但是衰減幅度有限，使得裂紋電磁聲發射重復檢測成為可能。

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