分析聲發射技術在金屬材料檢測中的應用

楊啟新

摘要：社會主義市場經濟的高速發展，為我國工業化進步提供了堅實的基礎，近年來各種各樣的金屬材料加工、檢測工業在短時間內取得了階段性發展成果，與之相配套的檢測技術自然也不斷成熟，尤其是聲發射技術更是如此。該文就根據實際情況，在簡單介紹聲發射技術的基礎上，對聲發射技術在金屬材料檢測中的應用問題、應用方向進行了研究。

關鍵詞：聲發射?金屬材料加工?金屬材料檢測?檢測技術

中圖分類號：TB302.5??????文獻標識碼：A

Analysis?of?the?Application?of?Acoustic?Emission?Technology?in?Metal?Material?Testing

YANG?Qixin

（Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region?Institute?of?Product?Quality?Inspection，?Nanning，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?530007?China）

Abstract：?The?rapid?development?of?the?socialist?market?economy?has?provided?a?solid?foundation?for?China's?industrialization?progress.?In?recent?years，?various?metal?material?processing?and?testing?industries?have?achieved?phased?development?results?in?a?short?period?of?time，?and?the?matching?detection?technology?is?also?naturally?maturing，?especially?acoustic?emission?technology.?Based?on?the?actual?situation?and?a?brief?introduction?of?acoustic?emission?technology，?this?paper??studies?the?application?problems?and?directions?of?acoustic?emission?technology?in?metal?material?testing.

Key?Words：?Acoustic?emission;?Metal?material?processing;?Metal?material?testing;?Testing?technology

聲波廣泛地存在于日常生活當中，屬于一種常見的能量傳播形式，而金屬材料更是工業生產中不可或缺的重要材料之一，它具有聲發射不可逆的特點，在這一特性的作用下，借助聲波對金屬材料進行結構檢測，往往能取得比較可觀的效果。但是與此同時也必須要看到，聲發射技術與金屬材料檢測相結合，仍然存在在壓力容器檢測中的應用不夠精準、針對金屬部件疲勞損傷檢測應用不足等一系列問題，對本課題進行深入研究，是解決問題、提升聲發射技術應用價值的不二之選。

1聲發射技術概述

1.1基本概念

聲發射技術并不是十分新穎的技術手段，它能夠從根本上提升金屬檢測的效率和準確度，是一種金屬材料內部迅速釋放能量而產生的瞬態彈性波（聲波）時所產生的物理現象，在金屬材料內部結構破損開裂的情況下，其形成的彈性波形將會與正常情況下的彈性波形存在巨大的差異，工作人員可借助聲信號接收設備等確定彈性波形的情況，并以此為基礎對金屬材料進行動態、無損檢測。另外一個需要提到的概念為發射源，所謂的發射源指的是聲發射材料的物理源點、發生聲發射波的機制源，其主要承擔發生彈性聲波的作用，其聲發射頻率可以從幾十赫茲覆蓋到上兆赫茲，能夠對金屬材料內部塑性形變、錯位移動、基體破裂、纖維斷裂等情況進行準確的精細化檢測。從實際應用情況來看，聲發射技術具有整體性、動態性、實時性的優勢，和其他金屬檢測技術比較起來，不浪費時間、不浪費人力資源，具有比較可觀的應用價值[1]。

1.2檢測原理

聲發射技術在金屬材料檢測中的應用，是金屬材料檢測技術的又一次突破，金屬材料內部結構出現變化的情況下，其發聲頻率會發生變化，工作人員可以借助信號接收裝置進行識別，這與日常生活中物體振動產生的人能聽到的聲音有一定的相似之處，二者的區別在于金屬材料發生塑性變形或斷裂時出現聲發射信號比較微弱，人耳無法聽到，而在借助靈敏度較高的電子儀器進行接收的情況下，其聲波變化將會以圖像等形式顯示出來，工作人員可據此判斷金屬材料內部結構的具體情況。相比于其他的金屬材料檢測技術，聲發射檢測技術具有動態化、無損化的優勢，在進行金屬材料檢測、缺陷識別的過程中，不會對金屬材料本身造成進一步的損傷，同時其還具有動態識別能力，即在金屬材料內部結構問題不再發生變化的情況下，其不會產生聲發射現象，但是在金屬材料內部缺陷進一步擴展的情況下，聲發射信號會持續存在，工作人員可借此判斷金屬材料內部結構問題的嚴重程度等。另外，發射檢測技術可以將檢測內容轉化為電信號，再通過電子儀器對電信號的頻率、聲段等特征進行解釋分析，進而了解金屬材料結構內部的缺陷變化，整體的應用價值非常可觀，目前已經得到越來越多的認可和重視[2]。

1.3技術特點

聲發射檢測技術具有比較可觀的應用價值，能夠對聲發射源的部位進行確認，并分析聲發射源的性質、確定聲發射發生的時間與荷載等，在技術人員的不懈努力下，這一技術正在不斷更新換代中，與金屬檢測的需求越來越匹配。在實際工作中，工作人員需要對超標聲發射源進行二次無損檢測，即利用其他無損檢測法來進行局部復檢，避免檢查誤差等問題的同時，進一步確定金屬材料缺陷的性質與大小等，而聲發射技術正是最常用的二次檢測技術之一，它通過對被測物體的能量檢測而得到檢測結果，可以快速得出金屬材料內部線性缺陷檢查結果，對于外力作用導致的結構問題也能第一時間給出識別結果，即使是在時間、溫度、載荷等條件發生變化的情況下，聲發射技術也能實現金屬材料檢測目標[3]。

1.4檢測儀器

聲發射技術在金屬材料檢測中的應用，有效地提升了金屬材料檢測效率，解決了常規檢測技術存在的一系列問題，而在長時間使用以后，聲發射的相關儀器設備必然會出現示數不準等問題，此時工作人員就需要對其進行校準處理。校準工作可借助專用的電子信號發聲器進行，使電子信號發生器（見圖1）產生標準函數的電子信號等，并傳輸到檢測設備當中去，根據儀器設備輸出的信號數值判斷其是否存在質量問題。比如：根據GB/T18182-2000標準的有關內容，儀器門檻精度應控制在±2dB范圍內、處理器內的幅度測量電路測量精度為±2dB，另外其信號能量的動態范圍應不低于40dB，如果儀器設備性能不符合有關要求，其在金屬材料檢測中將很難發揮應有的作用。從目前來看，金屬檢測工作中常見的聲發射技術儀器主要可以分成單通道聲發射檢測儀器、多通道聲發射源定位設備、數據分析設備等，其中任何一個儀器設備出現問題，聲發射技術在金屬材料檢測中的應用效果都會大打折扣，因此工作人員必須要做好儀器設備管理工作并進行一系列檢測校準，使之在金屬材料檢測中發揮更大的作用[4]。

2聲發射技術在金屬材料檢測中的應用問題

2.1機械制造過程的聲發射檢測技術應用不夠全面

金屬材料檢測工作本身有一定的復雜性，工作人員應根據機械裝置的應用特點進行檢測，才能得出最準確的結果，才能為機械制造提供技術優化建議，然而從實際情況來看，聲發射技術在機械制造過程中并沒有發揮出應有的作用，很多工作人員在制定聲發射技術應用方案的時候，忽略了機械制造技術的特殊性，未能使聲發射技術在機械加工部件方位確定及狀態監管方面發揮應有作用。同時，聲發射技術本身存在的一些不足之處，也影響了其在金屬部件加工中的應用效果，比如說在機械制造參數發生變化的情況下，如何調整聲發射數據，就是工作人員必須要研究的問題。另外，即使聲發射技術能夠準確地檢測到金屬材料在機械加工中出現的問題，其產生的信號也無法被全面接收并得到應用，這也是聲發射技術在金屬材料檢測中的應用問題之一。

2.2聲發射技術在壓力容器檢測中的應用不夠精準

壓力容器是工業生產中十分常見的設備之一，對壓力容器的性能、內部結構進行檢測，是保證壓力容器裝置綜合應用質量的必然選擇，也是規避壓力容器安全風險的有效手段。然而從實際情況來看，聲發射技術本身的特點決定了其很難對壓力容器形態及體積等因素進行有效識別，利用聲發射技術對壓力容器進行測試的過程中，如果不能了解壓力容器內部結構特征，最終得出的檢測結果將不具有參考價值。除此之外，目前技術人員將聲發射技術研究重點放在了提升發射效果、提升接收敏感度方面，忽略了其與水壓試驗等技術的融合問題，這使得其在檢測壓力容器的過程中，無法為射線探傷和超聲探傷等工作提供技術性支持[5]。

2.3聲發射技術在金屬部件疲勞損傷檢測應用不足

金屬部件的疲勞損傷問題廣泛存在，在長時間使用以后，金屬部件會產生金屬疲勞，其使用性能也會隨之大幅度下降，利用無損檢測技術對金屬部件疲勞程度進行檢測，是保證金屬部件得到最大化利用的必然手段。然而受到技術體系還不成熟等問題的影響，聲發射技術在識別機械噪聲、內部裂痕方面無法發揮應有的作用，工作人員自然也很難據此判斷金屬疲勞的程度。另外，聲發射技術還存在無法對金屬材料微觀結構進行精細化考察的問題，即使勉強利用其進行金屬疲勞檢測，也無法準確識別塑形積累問題，不能對金屬疲勞情況進行準確判斷。從某種意義上來說，目前的聲發射技術只能提供金屬密度識別等方面的支持，而對金屬疲勞這一類比較細小的內部問題無法準確識別，即使勉強為之得出來的結果也無法作為判斷標準。

2.4金屬部件缺損問題的控制技術不夠完善

聲發射技術本身的應用價值比較可觀，但是針對金屬材料內部圍觀結構的檢測能力相對有限，實際上，聲發射技術在金屬材料檢測中的應用，始終存在金屬部件缺損控制效果不佳的問題，這嚴重影響了金屬材料檢測效率。為了解決這個問題，技術人員根據聲發射技術的相關原理，不斷探索對金屬材料特性進行分析的方式，從目前來看，有一部分技術人員在這方面已經取得了突破，但是總體來說，聲發射技術仍然很難對金屬材料缺損等問題進行有效檢測，更談不上以此為基礎進行缺損控制[6]。

3聲發射技術在金屬材料檢測中的應用方向

3.1塑性形變檢測

金屬材料是工業生產乃至于日常生活中最常用的材料之一，其具有強度高、硬度高等一系列優勢，但是在受到外力作用時、內外溫差過大的情況下，其內部結構也可能發生一定的變化，進而出現開裂、變形等質量問題。在這個過程中，金屬材料微觀層面會產生松弛應力，并通過應力波的形式將能量釋放出來，最終表現為聲發射現象。聲發射技術主要就是對這一過程中產生的能量波形進行接收分析等，最終達到無損檢測的目標。經過一段時間的研究與探索，聲發射技術在金屬材料檢測中的應用已經比較成熟，特別是在塑性形變檢測中更是發揮了不可替代的重要作用。比如：利用聲發射技術對低合金鋼進行塑性形變檢測，就已經取得了比較可觀的應用效果，低合金鋼達到屈服極限之前發生的形變最為嚴重，產生的聲發射信號也會達到峰值，利用聲發射技術對其進行檢測，能夠得到準確精細的檢測結果。金屬材料的塑性形變比較常見，主要包括滑移、孿生兩類表現形式，其中滑移指的是在切應力的作用下，金屬材料部分分子沿著一定的滑移面和滑移方向相對另一部分分子發生相對移位的現象，而孿生指的是在切應力的作用下，分子的一部分以一定的孿生面為對稱面和一定的孿生方向與另一部分分子發生相對切變的現象。二者進行對比可以發現，滑移所需能量小，比孿生出現幾率更高，在金屬材料內部結構無法滑移變形的情況下才會出現孿生現象，在孿生與滑移都無法實現的情況下，金屬材料就會在外力作用下繼續發生形變，從宏觀角度可以體現為扭折等，而在聲發射檢測的過程中，滑移產生的信號往往具有連續性、孿生產生的信號則具有突發性，工作人員可據此判斷金屬材料內部塑性形變（如圖2所示）的情況和種類。特別需要提到的是，很多金屬材料在聲發射現象之前都存在凱瑟效應，這可能會影響到塑性形變檢測結果，工作人員可以在二次加載之前對金屬材料進行熱處理或靜置處理，在其達到最大荷載之前必然會出現聲發射，此時利用技術手段對其進行檢測，往往能得到比較準確的結果。根據實際工作經驗來看，塑性形變聲發射檢測結果會受到多方面因素的影響，金屬自身的性質、材料分子組成結構等都會給最終的檢測結果帶來一定的影響，比如在金屬材料當中包含一定量非金屬夾雜物的情況下，其就可能會產生不同的聲發射信號，再比如多晶體材料也可能影響其信號形態，工作人員應對這些影響因素進行考量，并以此為基礎調整塑型檢測手段[7]。

3.2斷裂與裂紋檢測

金屬材料內部出現裂紋或斷裂問題的情況下，其構件的結構性能必然會發生一定的變化，其安全性、使用性能等都會大幅度下降，為了保證金屬構件的使用性能，必須要采用檢測技術確定金屬構件內部情況，而聲檢測技術則恰好能夠對金屬材料裂紋、斷裂等問題進行實時化、動態化的檢測，和傳統的檢測技術比較起來，聲發射技術明顯具有更突出的靈敏性和無損性強，因此得到了廣泛認可。在工業化生產中，金屬材料斷裂并不少見，比如加工參數不合理、應力過大等情況比比皆是，在斷裂以后其產生的聲發射信號會比較特殊，與正常情況下的信號存在較大差異。比如在高強度鋼這種金屬材料當中，一旦材料荷載超出設計參數，其就會快速斷裂并在材料裂紋的尖端會形成塑性區，該塑性區將會產生聲信號，斷裂越嚴重、材料內部振幅越大，聲信號強度也就越大，但是在超高強度鋼這種金屬材料當中則不然，材料荷載超標的情況下其裂紋擴展量相對較小，這可能會影響到聲發射信號的強度等，工作人員可根據不同金屬材料的斷裂特征，在材料發生斷裂的瞬間收集瞬時應變能信號，并在此基礎上得出準確的檢測結果。

3.3壓力容器的聲發射撿測

總體來說，聲發射技術具有比較可觀的應用價值，其具有的整體性和動態性特點，使之能夠更好地適應大型壓力容器檢測需求，目前歐美發達國家以及一些發展中國家紛紛建立了在役壓力容器的聲發射檢測標準，對聲發射技術在金屬壓力容器檢測中的應用進行研究，符合新時期技術發展的標準。通常情況下，為了獲得更準確的檢測結果，會通過聲發射檢測與定期水壓試驗同時進行的方式開展工作，與此同時還會借助射線探傷和超聲探傷等常規方法確定壓力容器結構完整性，進行檢測的過程中，工作人員需要遵守有關流程，并對聲發射信號的位置、強度等進行測量判斷，進而確定壓力容器缺陷的位置，最終即可得出壓力容器整體安全性評價結果。特別需要提到的是，在接收到壓力容器內部聲發射信號以后，工作人員主要是根據通用聲發射儀直接提供的特征參量進行判斷，再詳細分析聲發射事件數、振鈴計數、幅度、能量和平均電壓等數據的基礎上，確定最終的檢測結果[8]。

3.4金屬機械部件疲勞損傷的聲發射檢測

聲發射技術在金屬材料檢測中的應用方向十分廣泛，在金屬機械部件疲勞損傷檢測中，聲發射技術同樣有比較可觀的應用價值。金屬部件疲勞損傷并不少見，其所帶來的后果往往比較嚴重，在飛機、航天器、橋梁和海上采油平臺等重要設備的金屬材料出現疲勞損傷的情況下，其必然會導致嚴重的安全事故，因此工作人員必須要充分發揮聲發射技術的優勢作用，及時識別金屬疲勞問題。目前，利用聲發射技術對金屬材料疲勞損傷進行檢測已經不再是天方夜譚，與之相配套的檢測設備越來越成熟，這為工作人員提供了有力支持，而從檢測結果來說，聲發射技術的檢測效率、檢測準確度都比較可觀。與此同時也必須要看到，聲發射技術本質是通過聲信號收集實現檢測分析，在疲勞損傷信號與環境、機械噪聲混雜在一起的情況下，現有設備很難順利捕捉所需要的聲信號，另外在金屬材料形狀比較復雜的情況下，即使準確地接收到了聲信號，也無法對其進行故障定位，這也是聲發射技術在金屬材料疲勞檢測中存在的問題之一，工作人員有必要結合實際工作經驗和理論基礎，進一步探索解決方法。

3.5聲發射技術在金屬材料檢測中的應用趨勢

聲發射技術在金屬材料檢測中的應用效果毋庸置疑，但是受到技術體系不成熟、技術發展時間比較短等問題的影響，其目前仍然存在一定的不足之處亟待解決，結合技術人員現有的研究方向來看，未來一段時間內，聲發射技術在金屬材料檢測中的應用趨勢主要包括以下幾個方面。

第一，聲發射技術在機械制造檢測領域的應用全面性不斷提升。聲發射技術屬于比較先進的無損檢測技術之一，但是目前其在機械制造過程中的檢測能力還比較有限，在這種情況下技術人員有必要對金屬部件機械制造工藝進行深入研究，使聲發射技術的應用可以更加全面地適應金屬物件的狀態檢測需求，保證聲發射技術在金屬材料檢測中的應用效果。另外，目前金屬裝置精密加工技術已經非常成熟，充分考慮精加工與無損檢測相結合的方法，是未來提升聲發射技術應用效果的必然方向。同時，還需要對復雜形狀金屬部件內部定位的方式進行研究，使聲發射技術在金屬材料檢測中發揮更全面的作用。第二，聲發射技術在壓力容器檢測中的應用精準性將會不斷提升。聲發射技術的基本原理并不復雜，之所以無法在復雜壓力容器檢測中發揮作用，很大程度上是因為壓力容器本身的結構特征影響了聲發射技術的信號判斷及識別，因此在今后的發展中，技術人員必將會著力于提升聲發射技術的適應性。同時，考慮到目前聲發射技術有關檢測標準和流程還不清晰，可能影響壓力容器檢測結果，盡快完善有關技術流程和行業標準，也是未來應用發展的重要方向。第三，聲發射技術在金屬部件缺損方面的應用質量將會有效提升。金屬材料檢測工作，最主要的目標就是及時發現其中存在的缺損情況，并對其進行處理、避免不必要的使用風險，將聲發射技術應用到金屬材料檢測中，能夠及時準確識別金屬部件內部結構缺損問題，在今后的發展中，技術人員應結合金屬部件缺損的嚴重程度、危害程度等，制定具體的聲發射技術的應用方案，并建立有針對性的檢測結果應用體系，根據聲發射信號檢測結果給出金屬部件處理建議等，通過定期的金屬部件檢測延長金屬部件安全使用時間。

4結語

黨和政府高度重視我國技術研發工作，為技術研發提供了政策資金等多方面的支持，而技術人員也確實不負眾望，在許多先進技術領域當中取得了突破性進展，針對金屬材料的無損檢測技術，就是技術研究的極佳成果。聲發射技術能夠對金屬材料塑性變形、結構缺陷等進行準確檢測，保證了金屬壓力容器、金屬構件的檢測效果，具有不可估量的應用價值，在今后的工作中，必須要以聲發射技術在金屬材料檢測中的應用問題為出發點，進一步嘗試探索更先進的聲發射技術手段。

參考文獻

[1]魏強.?基于聲發射技術的海洋工程管道疲勞裂紋識別方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2020.

[2]葉楊.?聲發射技術在直升機旋翼槳葉損傷識別中的應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2020.

[3]周曉泉.?基于聲發射技術研究Q235熱軋帶鋼氧化鐵皮的破裂失效機理[D].太原：太原科技大學，2020.

[4]劉琪華.?基于聲發射技術的儲罐罐底腐蝕狀況檢測及評價方法研究[D].天津：天津大學，2020.

[5]程子靖.?基于CNN-LSTM網絡的金屬材料損傷趨勢預測研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2021.

[6]程子靖，于洋.?金屬材料損傷趨勢預測研究[J].?電子世界，2021（12）：19-20.

[7]黃治偉，黃振峰，郭珊珊等.?基于聲發射技術實時監測金屬空蝕過程的超聲空蝕實驗裝置的研制[J].?裝備制造技術，2021（11）：113-115，125.

[8]賈斌.?聲發射技術在金屬材料檢測中的應用研究[J].?中國設備工程，2022（7）：102-103.