服务与支持

业界动态

文档下载

技术与应用

基于大电流直接加载的电磁声发射试验

发布日期：2017-06-20 23:34　　　浏览次数：次

1 引言

近年来，随着现代装备制造业的迅速发展，各种大型金属结构件被广泛的应用，由于承受载荷的复杂性和不确定性，金属板材或多或少的存在内部结构损伤问题。裂纹不仅破坏了金属结构的连续性，而且裂纹的尖端会引起应力集中，促使金属构件在较低应力条件下出现裂纹扩展，最终发生断裂和失效事故。为了预防失效事故的发生，要求尽早发现金属构件和设备中隐藏的微小缺陷，并评估其危险状态。在一些安全性要求较高的应用场合，如航空航天、石油化工及核能等领域，对这些大型金属结构做出正确的评估和预警工作是至关重要的[1]。

声发射技术是一种动态的无损检测技术，当材料或结构在形变或受外界作用时，伴随能量的迅速释放会产生一种瞬态应力波。通过对声发射波形特征的分析，可以推断出材料或结构内部活动缺陷的位置、状态变化程度和发展趋势等信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报[2]。但声发射技术只能在结构整体受到机械载荷作用时才能应用，具有较大的局限性。

为了保证无损检测的有效性和可靠性，对某些关键部件仅仅采用单一检测技术显然是不充分的。在现有无损检测方法的基础上，改进和发展新型检测技术，多种检测方法融合应用，将成为无损检测领域未来的主要发展趋势[1-5]。

电磁声发射技术是近年出现的一种新型无损检测技术，它通过对金属材料的局部电磁加载激发声发射现象，并以此来检测金属结构中的缺陷[6-9]。电磁声发射技术创造性地把电磁加载应用到声发射无损检测中，相对于传统的加载方法，它能够对指定区域进行局部加载，可以避免整体加载对结构造成的附加机械损伤，同时能够使能量集中于缺陷处，增强信号强度，降低对检测设备的性能要求，而且可以根据需要随时加载，从而减少了传统声发射技术长期加载的时间要求[7,8]。

本文基于电磁声发射的工作原理，搭建了脉冲大电流直接加载的电磁声发射试验平台，将其应用于铝板裂纹检测试验中。通过对试验信号进行时频分析，深入研究了电磁加载条件的变化对电磁声发射信号的影响规律，为电磁声发射技术的工程应用进一步打下了良好的基础。

2 试件制备及试验系统构成

2.1 试件制备

由于应力相对集中，大型金属结构的螺栓孔边缘处较容易产生的扩展裂纹，这是工程实际中常见的损伤[9]。本试验所采用的试件由铝质薄板制得，外形尺寸为500.0mm×115.0mm×1.5mm，利用直径为10.0mm 的圆形过孔来模拟用于固定大型金属板材的螺栓孔，并利用线切割的加工方式在孔的边缘预制一条长约26.0mm、宽约0.14mm 的裂纹。

2.2 试验系统构成

电磁声发射的整体试验系统构成如图1 所示，主要由压电型声发射传感器、脉冲电流发生器、声发射信号采集系统和计算机等构成。试验中，采用脉冲电流发生器产生短时脉冲加载电流，电流峰值最高可达2 600A（图1 中电压波形由3.75m检测电阻两端测得）。

利用 Wsa 型宽带传感器采集声发射信号，其主要频率响应范围集中在100～1 000kHz 之间。所采集的信号输入到美国物理声学公司的4 通道PCI—2型声发射检测系统，进而对电磁声发射信号进行放大、处理及显示，传感器布置和电极加载位置如图

1 所示。

3 试验过程及结果分析

电磁声发射技术最大的革新就是把电磁加载应用到声发射无损检测中，由电磁加载代替对金属构件的整体机械加载，这就需要深入研究电磁加载参数的改变对于电磁声发射信号波形及频谱特征[10]的影响。电磁加载参数，包括脉冲大电流的幅值、持续时间、电极加载位置以及加载历史等。

3.1 脉冲电流幅值对信号的影响

脉冲大电流的幅值直接决定了裂纹尖端电流密度的大小。脉冲电流峰值的增加，裂尖电流密度会随之增大，传感器采集到的电磁声发射信号幅值、能量等信息也会有所变化。本实验中，将两加载电极分别置于裂纹两侧，两电极间的距离为10cm。加载电流（脉冲宽度为300s）从320A 开始，逐渐增加，最大到2 600A。

如图 2 所示，当加载电流小于700A 时，电流增大的同时，信号的幅值和能量并没有明显的增加。当加载电流由670A 变为800A 时，信号的幅值和能量有一次较大的跳跃。之后，随着电流的增加，信号的幅值和能量有所回落，直到电流增大到1 600A以后，加载电流幅值的每一次增加，都会伴随较大幅度的信号幅值和能量的增加。对于电磁声发射而言，加载电流幅值过小，裂纹尖端的电流密度较小，由电磁加载产生的洛伦兹力将不足以引起裂纹尖端产生应力波。由图中可知，当电流小于800A 时，传感器采集到的信号幅值和能量很小，信号成分主要是电磁加载噪声。因此，当加载电流峰值在800A以下时，电磁加载过程激发的声发射现象很微弱甚至没有，此时不能实现对裂纹的检测。

3.2 脉冲电流持续时间对信号的影响

当加载电流的峰值不变，持续时间改变时，裂纹尖端受力的持续时间也将随之发生变化。图3 所示是加载电流峰值为2 130A 时，电流持续时间分别为200s、300s 和500s 时的脉冲电流波形。本文分别进行了不同持续时间条件下电流峰值为800A和2 130A 时的电磁声发射实验，所得信号的幅值及总能量如下表所示。

由表中结果可知，脉冲电流持续时间的增加，并不会导致电磁声发射信号的最大幅值提高，但信号的总能量会随着电流加载时间的增加而增加。根据电磁声发射的实现原理，裂纹尖端所产生的洛伦兹力主要由加载电流的峰值决定，只要加载电流峰值不变，裂纹尖端受力就不会发生变化，所以电磁声发射信号的最大幅值也不会发生变化，但是随着加载时间的改变，将会导致裂纹尖端的持续受力，从而使得信号的总能量会随之增加。

3.3 电极加载位置对信号的影响

图 4 为电极加载位置示意图。在保持电流不变的情况下，在试件的上边缘横向移动加载电极的位置，使得两侧加载电极与裂纹之间的横向距离由20cm 逐渐减小，距离每次减少5cm，每个加载位置进行三组电磁声发射实验。图5 为1 650A 的电流通过不同加载位置通入铝板试件中，传感器所采集到的典型的信号波形及频谱分析结果。

随着加载电极与裂纹间横向距离的减小，电磁声发射信号的幅值逐渐增加，但是当距离小于10cm之后，信号幅值增加的趋势有所减缓。此外，随距离的减小，信号频谱特征也存在一定的变化，50kHz以下始终存在一个比较强的频率成分，在200～300kHz 的频率成分有逐渐增加的趋势。

3.4 电磁加载历史对信号的影响

对于同一个带有裂纹的试件，相同电流多次重复加载，传感器采集到的电磁声发射信号时域波形没有太大差别，但是频域波形略有不同。图6 所示为800A 电流重复加载到铝板上所产生的电磁声发射信号波形及频谱图。分析各组信号的频谱信息，可以得出如下规律：

（1）第一次加载时，电磁声发射信号含有非常丰富的频率信息，几乎涵盖了30～300kHz 的频率范围。再次进行加载，频率成分呈现逐渐简化的趋势。由于金属试件上在第一次加载大电流的时候，局部的残余应力大部分被释放，导致信号频谱较为丰富。

（2）随着加载次数的增加，电磁声发射信号的高频段频率成分的幅值逐渐降低，但下降速度较慢。声发射的Kaiser 效应是指物体在加载、卸载后再次加载时，载荷在未超过前次加载的最大载荷时，声发射很少发生的现象[8]。从微观上说，表面裂纹尖端布满了许多细微裂纹，每次电磁加载会导致部分裂纹的扩展或振动，并产生应力波和声发射现象，但是随着相同载荷的不断重复加载，导致越来越多的细微裂纹在该载荷作用下呈现出Kaiser 效应，进而使得宏观裂纹尖端所产生的应力波越来越弱，声发射的特征越来越不明显。

加载电流由小到大重复加载的过程中，随着电磁激励的增加，不言而喻，信号的幅值及能量基本是呈上升趋势的。当加载电流由大到小递减时，传感器所采集的信号会迅速下降，甚至会出现零采集的现象，这正是声发射Kaiser 效应的直接体现。

4 结论

（1）采用脉冲电流发生器对铝质薄板进行电磁加载，利用声发射检测系统接收并处理试验信号，建立了大电流直接加载的电磁声发射试验平台。

（2）通过改变电磁加载的各项参数，完成了大量电磁声发射试验，基于对试验信号的波形特征和频谱分析，深入研究了不同的电磁加载条件与声发射信号之间的关系，得出了电磁声发射信号的幅值、能量及频谱特征随加载电流的幅值、脉冲宽度以及加载历史等参数的变化规律。该研究成果对电磁声发射技术的工程应用具有重要的指导意义。

参考文献：

[1] Hellier Charles J. 无损检测与评价手册[M]. 戴光,

徐彦廷, 等译. 北京:中国石化出版社, 2006.

[2] Sun Y H, Kang Y H, Qiu C. A new NDT method based on permanent magnetic field perturbation[J].NDT & E International, 2011, 44(1): 1-7.

[3] Chan S C, Grimberg R, Hejase J A, et al. Nonlinear eddy current technique for characterizing case hardening profiles[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2010, 46(6): 1821-1824.

[4] Osada H, Nakamura S, Abe T. et al. The effect of ultrasonic resonance on impedance in magnetic rods[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008,44(11): 4007-4010.

[5] Kozhushko V V, Peter H. Laser-induced focused ultrasound for nondestructive testing and evaluation[J]. Journal of Applied Physiscs, 2008,103(12): 124902.

[6] Finkel P, Godinez V. Electromagnetic simulation of the ultrasonic signal for nondestructive detection of ferromagnetic inclusions and flaws[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2004, 40(4): 2179-2181.

[7] 刘素贞, 杨庆新, 金亮, 等. 电磁声发射技术在无损检测中的应用研究[J]. 电工技术学报, 2009,24(1): 23-27.

[8] Jin Liang, Yang Qingxin, Liu Suzhen, et al. Electromagnetic stimulation of the acoustic emission for fatigue crack detection of the sheet metal[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010, 20(3): 1848-1851.

[9] 张闯, 刘素贞, 杨庆新, 等. 基于FFT 和小波包变换的电磁声发射信号处理[J]. 电工技术学报，2010,25(4): 24-28.

[10] Terchi A, Au Y H J. Acoustic emission signal processing[J]. Measurement and Control, 2001, 34(8):240-244.

张闯 1 刘素贞 1 金亮 2 杨庆新 1,2

（1. 河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津 3001302. 天津工业大学天津 300160）

< 上一篇：声发射技术在储罐腐蚀、管道腐蚀泄露、阀门泄漏及结构完整性方

< 下一篇：声发射现象与声发射技术