唐力偉，張曉濤，王　平

（軍械工程學(xué)院火炮工程系石家莊　０５０００３）

摘　要：針對金屬管裂紋的聲發(fā)射電磁激發(fā)特性問題，對電磁聲發(fā)射原理進(jìn)行了介紹，從激發(fā)電流峰值大小，電極位置，加載電流持續(xù)時(shí)間與信號特征的關(guān)系，以及重復(fù)加載效應(yīng)幾個方面進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究，得到電磁聲發(fā)射信號與相應(yīng)加載條件的關(guān)系及其變化規(guī)律。電磁聲發(fā)射解決了聲發(fā)射必須在受載狀態(tài)下檢測缺陷的問題，為火炮身管在非工作狀態(tài)下的聲發(fā)射裂紋檢測提供了技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射；電磁聲發(fā)射；身管裂紋；無損檢測

中圖分類號：ＴＭ１５　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ＤＯＩ：１０．１３４６５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｖｓ．２０１４．１９．００８

火炮身管通常工作在重載、高溫、高壓的環(huán)境下，不可避免要產(chǎn)生裂紋缺陷，傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測用于身管裂紋檢測存在加載困難的問題，聲發(fā)射檢測方法是一種動態(tài)檢測方法，檢測時(shí)要求身管處于工作受載情況

下［１－２］，實(shí)際中為了火炮身管的安全工作，身管在非工作狀態(tài)下的檢測更具有實(shí)際意義。

電磁聲發(fā)射技術(shù)是一種新型的無損檢測方法，美國物理聲學(xué)公司的工程師發(fā)現(xiàn)，金屬材料在通過瞬間脈沖大電流時(shí)，缺陷部位會出現(xiàn)電流集中效應(yīng)，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生洛倫茲力的作用，能夠在非鐵磁質(zhì)材料鋁

板上激發(fā)出聲發(fā)射現(xiàn)象［３－４］。電磁聲發(fā)射技術(shù)為身管在非工作狀態(tài)下的裂紋檢測提供了基礎(chǔ)。論文以身管裂紋檢測為zui終目的，在鐵磁質(zhì)無縫鋼管上進(jìn)行了電磁聲發(fā)射試驗(yàn)，對電磁激發(fā)聲發(fā)射的特性進(jìn)行了詳細(xì)的試驗(yàn)研究。

１　電磁聲發(fā)射原理

金屬材料通過脈沖大電流時(shí)，材料中的裂紋等缺陷會導(dǎo)致電流重新分配，并在缺陷處出現(xiàn)電流集中，導(dǎo)致電流密度增大［３，５－６］。帶電導(dǎo)體的周圍會感應(yīng)出磁場，特別是在裂紋處電流的方向幾乎相反，會導(dǎo)致該處的磁場強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，由于電磁場的互相作用，會在裂紋區(qū)域感應(yīng)出很強(qiáng)的洛倫茲力，該過程中如圖１所示，洛倫茲力具有擴(kuò)張裂紋的趨勢，當(dāng)洛倫茲力足夠大時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)張釋放應(yīng)力，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象［５－７］。

２　試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)測試設(shè)備包括聲發(fā)射采集儀一臺，采樣頻率３ＭＨｚ，１６位ＡＤ，聲華Ｒ１５型聲發(fā)射傳感器，配備４０ｄＢ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２７ｍｍ，壁厚３ｍｍ，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４ｍｍ，寬度約１ｍｍ，方向沿管壁圓周方向分布。

脈沖電流產(chǎn)生電路主要包括４５０Ｖ大容量電容（容量包括：２２００μＦ和３３００μＦ），加載電極夾具，導(dǎo)線，繼電器，充電電源，限流電阻，續(xù)流二極管等。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖２所示。

３　試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)不同大小的脈沖電流放電，通過更改變電容容量實(shí)現(xiàn)放電持續(xù)時(shí)間的改變。聲發(fā)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(dǎo)線上，通過聲發(fā)射采集儀將裂紋激發(fā)的聲發(fā)射信號采集記錄在計(jì)算機(jī)中，通過示波器將電容放電電壓和脈沖電流測量結(jié)果記錄在示波器中，試驗(yàn)中采樣頻率為３ＭＨｚ，閾值電平為１００ｍＶ，試驗(yàn)環(huán)境為半消聲室。

３.１　脈沖電流與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

試驗(yàn)中加載電壓從２０Ｖ開始逐步增高，每次增高５Ｖ，zui終到達(dá)１５０Ｖ，共２７組。為了研究加載電流幅值與鋼管裂紋電磁聲發(fā)射信號之間的關(guān)系，對采集到的聲發(fā)射信號的三個特征：信號幅值，振鈴計(jì)數(shù)，信號能量進(jìn)行分析［８］。幅值：信號波形的zui大振幅；振鈴計(jì)數(shù)：信號超過閾值電平的振蕩波個數(shù)；能量：聲發(fā)射線號檢測包絡(luò)下的面積；三個特征的具體含義如圖３所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后特征值與電流幅值關(guān)系如圖４所示。

從圖４中可看出，放電峰值電流較低時(shí)，所采集到的信號特征參數(shù)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(jì)數(shù)逐步增大，趨勢穩(wěn)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?yàn)樾盘柗等菀资艿礁鞣N噪聲帶來的尖銳脈沖峰值影響，導(dǎo)致幅值曲線變化波動大，而振鈴計(jì)數(shù)和能量均是在一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特征，因此抗*力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。

振鈴計(jì)數(shù)反映聲發(fā)射信號的強(qiáng)度和頻度，廣泛用于聲發(fā)射的活動性評價(jià)。一般來講，信號幅值超過閾值，振鈴計(jì)數(shù)大于１０，則聲發(fā)射現(xiàn)象易于識別，便于裂紋損傷的檢測，當(dāng)振鈴計(jì)數(shù)超過１００時(shí)，則發(fā)生較強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)信號幅值小于閾值或者振鈴計(jì)數(shù)小于１０時(shí)，則信號微弱，難以界定是噪聲還是非常微弱的聲發(fā)射現(xiàn)象，不能進(jìn)行裂紋缺陷的檢測，依此將加載過程分為三個區(qū)域，無聲發(fā)射區(qū)域（振鈴技術(shù)＜１０），弱聲發(fā)射區(qū)域（１０＜振鈴計(jì)數(shù)＜１００），強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域（１００＜振鈴計(jì)數(shù)）。圖中無聲發(fā)射區(qū)域和弱聲發(fā)射區(qū)域的分界點(diǎn)加載電流為９２８．４Ａ，自該點(diǎn)之后聲發(fā)射信號的特征才比較明顯，說明當(dāng)加載電流大于９２８．４Ａ?xí)r，試件中裂紋缺陷才出現(xiàn)易于檢測的聲發(fā)射信號。弱聲發(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域的分界點(diǎn)電流為１３９２．６Ａ，自該點(diǎn)之后，聲發(fā)射信號三個特征進(jìn)一步增大，從而利于在更強(qiáng)的噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)裂紋缺陷的檢測。

文獻(xiàn)［９］中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金屬材料的聲發(fā)射信號頻率范圍在１００－５５０ｋＨｚ之間，這個頻率范圍包含了聲發(fā)射物理過程的主要信號成分及能量集中［９－１１］。弱聲發(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)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(fā)射區(qū)域和強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域的信號主要成分處于１００－２００ｋＨｚ，符合金屬聲發(fā)射信號的頻帶范圍，說明這兩個階段試件中脈沖電流激發(fā)出了可識別的裂紋聲發(fā)射信號。

３.２　電極位置與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

在激發(fā)電流能夠滿足聲發(fā)射激發(fā)的前提下，對電極距離不同的情況進(jìn)行研究，正負(fù)兩個電極對稱分布在裂紋兩側(cè)，電極距離從１０ｃｍ到６０ｃｍ共６組，試驗(yàn)中峰值電流控制在１６５０Ａ左右，信號特征的評價(jià)依然采用幅值，振鈴計(jì)數(shù)與能量，試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)如表１所示。

從表中可以看出，電極加載位置對鋼管裂紋電磁聲發(fā)射現(xiàn)象的激發(fā)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(fā)射信號判斷，按照前面對加載過程的劃分，表中數(shù)據(jù)一直處于強(qiáng)聲發(fā)射區(qū)域。隨著電極距離的變化，回路電阻會發(fā)生變化，實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，回路總電阻約３０ｍΩ，電極距離１０ｃｍ和６０ｃｍ的情況，回路電阻增量小于５ｍΩ，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?yàn)檫B續(xù)加載，導(dǎo)致試件上的裂紋應(yīng)力逐漸釋放，即聲發(fā)射現(xiàn)象中重復(fù)加載的影響，該問題將在３．４中詳細(xì)說明。

３.３　放電持續(xù)時(shí)間與聲發(fā)射現(xiàn)象的關(guān)系

金屬裂紋脈電磁聲發(fā)射激發(fā)過程是一ＲＬＣ電路響應(yīng)，由于回路中試件導(dǎo)線等已經(jīng)確定，通過改變電容容量實(shí)現(xiàn)放電時(shí)間的改變，放電電容容量分別為３３００μＦ和２２００μＦ，實(shí)驗(yàn)中針對同一試件，在放電電壓從６０Ｖ到１１０Ｖ的６種情況下進(jìn)行，按照從低電壓到高電壓的順序進(jìn)行，每種電壓下*行２２００μＦ電容的激發(fā)，后進(jìn)行３３００μＦ電容的激發(fā)，兩種情況下的放電時(shí)間長度分別為１２０μｓ和1６０μｓ，放電電壓曲線如圖６所示。試驗(yàn)中聲發(fā)射信號的三個特征變化如表２所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在不同峰值電流的情況下，兩種放電時(shí)間長度對應(yīng)的聲發(fā)射信號幅值幾乎沒有太大變化，但是放電時(shí)間長對應(yīng)的信號振鈴計(jì)數(shù)和能量會大一點(diǎn)，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(guān)，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(shí)間，會相應(yīng)增大放電的總能量，促使聲發(fā)射信號持續(xù)時(shí)間增長，帶來信號振鈴計(jì)數(shù)和能量的增大。

３.４　聲發(fā)射現(xiàn)象的重復(fù)加載性能

金屬材料聲發(fā)射現(xiàn)象的ｋａｓｉｅｒ效應(yīng)是指重復(fù)載荷到達(dá)原先所加zui大載荷之前不發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象；Ｆｅｌｉｃｉｔｙ效應(yīng)又稱反Ｋａｓｉｅｒ效應(yīng)，即對于重復(fù)加載的構(gòu)件材料，重復(fù)載荷達(dá)到原先所加zui大載荷前發(fā)生明顯聲發(fā)射的現(xiàn)象。Ｋａｓｉｅｒ效應(yīng)表現(xiàn)為聲發(fā)射激發(fā)現(xiàn)象的不可逆性，而Ｆｅｌｉｃｉｔｙ效應(yīng)正好與Ｋａｓｉｅｒ效應(yīng)相反，對于鋼管裂紋的電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，我們利用對同一試件進(jìn)行多次重復(fù)加載，試驗(yàn)中放電電壓５０Ｖ，峰值電流１１６０．左右。重復(fù)加載的數(shù)據(jù)如表３所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，信號特征的變化規(guī)律呈下降趨勢，但是第四次重復(fù)加載時(shí)的數(shù)據(jù)相比于第三次出現(xiàn)了增大。實(shí)際試驗(yàn)中Ｋａｓｉｅｒ效應(yīng)表現(xiàn)為信號特征的下降趨勢，同一載荷重復(fù)加載能夠產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象則體現(xiàn)了Ｆｅｌｉｃｉｔｙ效應(yīng)。這是因?yàn)槊看渭虞d后，缺陷處裂紋的應(yīng)力得到釋放，但是舊裂紋發(fā)生變化，甚至伴隨有新的微裂紋出現(xiàn)，從而導(dǎo)致缺陷處于新的應(yīng)力不均衡，當(dāng)重復(fù)加載時(shí)，會出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，由于經(jīng)過了前一次的應(yīng)力釋放，后續(xù)的聲發(fā)射現(xiàn)象會變的微弱一些，但舊裂紋的變化并不能保證聲發(fā)射現(xiàn)象會一直變?nèi)酰灿锌赡軙?dǎo)致裂紋處應(yīng)力不均衡比加載前更嚴(yán)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(jié)　論

（１）電磁激發(fā)聲發(fā)射時(shí)，當(dāng)峰值電流小于９２８．４Ａ?xí)r，聲發(fā)射現(xiàn)象非常微弱或者不產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。當(dāng)峰值電流超過９２８．４Ａ?xí)r，則可產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，信號主要頻率成分１５０ｋＨｚ，符合金屬材料的聲發(fā)射信號特征。

（２）隨著加載電壓的增大，聲發(fā)射信號的三個特征參數(shù)逐步增大，且能量和振鈴計(jì)數(shù)特征比幅值特征的抗*力強(qiáng)，說明具有統(tǒng)計(jì)意義的特征更適于聲發(fā)射信號的表征和識別。

（３）聲發(fā)射信號的激發(fā)主要與加載電流的峰值大小有關(guān)，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(fā)射信號特征參數(shù)的微小變化。放電時(shí)間長度會增大信號持續(xù)時(shí)間，使得振鈴計(jì)數(shù)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(fā)射重復(fù)加載的性能表明，重復(fù)加載會帶來裂紋聲發(fā)射信號特征減小，但是衰減幅度有限，使得裂紋電磁聲發(fā)射重復(fù)檢測成為可能。