基于电磁声发射的金属板裂纹检测实验研究

发布日期：2017-07-03 21:47　　　浏览次数：次

1 引言

近年来，各种大型金属结构件被广泛地应用，由于承受载荷的复杂性和不确定性，金属板材或多或少地存在内部结构损伤问题。在一些安全性要求较高的应用场合，如航空、汽车等领域，对这些大型金属结构件做出正确的评估和安全预警工作是至关重要的。

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［1］。通过对声发射波形特征参数的分析和研究，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，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［3］，这在一定程度上限制了它的应用。

电磁声发射技术是近几年才出现的一种新型无损检测方法，其基本原理是通过对金属导体进行局部电磁加载产生洛仑兹力，进而在缺陷部位激发出声发射信号，并通过这一现象实现对各种金属结构件的无损检测［4，5］。电磁声发射技术创造性地将电磁加载方式应用于声发射检测中，不仅保留了声发射技术检测活性缺陷的优势，而且局部电磁加载避免了对大型金属构件整体加载所引起的附加损伤。

美国学者Finkel P 等人通过局部电磁加载成功地在薄板裂缝处激发了声发射信号，并对电流分布进行了有限元模拟［4］。在国内，河北工业大学最早对电磁声发射技术进行了研究［5，6］。本文深入分析了电磁声发射的基本原理，进行了脉冲大电流直接加载的电磁声发射实验，并对实验信号作了初步分析，研究了电磁声发射信号随加载和试件的变化规律，验证了电磁声发射技术进行金属裂纹检测的可行性。

2 电磁声发射的原理与仿真

2. 1 电磁声发射的基本原理

通入金属导体的大电流在缺陷尖端部位( 如气孔、裂纹或夹杂物) 会出现集中现象。如图1 所示，矢量的长度代表了电流的幅值，金属板裂尖处的电流密度比其他地方大近一个数量级。裂纹尖端两侧的电流方向相反，就好像一个螺线管线圈，使磁通集中并产生了较强的磁场。在磁场的作用下，运动电荷将会受到洛仑兹力的作用。由于裂尖处电流的大量积聚，导致金属板的裂尖处所受到的洛仑兹力远远大于金属板上的其它部位。只要加载电流足够大，该洛仑兹力就可以激发声发射效应，不用依赖外加磁场。如果采用外加磁场，洛仑兹力会加大，裂纹的扩展也会明显增强。声发射传感器将介质表面的机械振动转换成电信号，该信号经放大滤波处理后，其波形和特性参数被记录显示。通过分析相应的波形数据来评定声发射源的特性，进而实现对金属构件的无损检测。

电磁声发射中通入金属板的大电流可有两种加载方式，一是对被测部件直接通入大电流，二是通过涡流线圈在被测金属导体上感应涡流进行加载。两种方法只是电流加载方式不同，对于激发电磁声发射现象的机理是一致的。本文采用第一种方法，对被测件直接通以大电流。由于电磁加载的目的只是为了激发声发射现象，所以通入金属板中的大电流只要求幅值够高，而加载时间可以较短。这样也避免了大电流加载时间过长导致裂纹尖端温升过高，甚至熔化的问题。

2. 2 电磁声发射的有限元分析

本文采用矩形薄铝板作为电磁声发射的分析模型，缺陷为位于试件中心圆孔的边缘沿径向延伸的裂缝，如图2 所示。本模型属于开域问题，零磁势参考点应选为无限远处，为简化计算假定试件模型厚度方向10mm( 试件厚度的10 倍) 处和距离试件中心圆孔径向25mm( 试件宽度的5 倍) 处磁势为零。

通过仿真分析，当加载电极之间的距离为0. 02m，电流加载时间为1ms 时，试件缺陷处裂缝顶点的有限元节点变形随加载电流值变化的情况如图3 所示，当加载电流达到800A 时，形变最大值即可达到10 － 10m，形变随加载电流的增加而逐渐变大。

目前，普通声发射压电传感器检测的振动幅值为10 － 7 ～ 10 － 14m。考虑到噪声、形变能量未完全释放、仪器灵敏度等因素，加载电流为500A 时，2. 5 ×10 － 11m 形变数量级足以满足缺陷检测的需要［5］。加载电流过大时，局部的高电流密度会使裂纹剧烈扩展，形成塑性裂纹，甚至断裂。

3 电磁声发射的实验研究

3. 1 试件制备

大型金属结构的螺栓孔边缘处的裂纹是工程实际中常见的损伤，本实验采用直径为10mm 的圆形过孔来模拟用于固定大型金属板材的螺栓孔，并在孔的边缘预制一条长约26mm 的裂纹。分别制作了三块铝质薄板试件，试件的尺寸均为500mm ×115mm × 12mm。1 号试件中间有圆孔和裂纹;2 号试件中间只有圆孔，无裂纹;3 号试件为完好铝板，既无圆孔也无裂纹。

3. 2 信号采集系统

本实验应用美国PAC 公司的4 通道PCI-2 型声发射检测系统对电磁声发射信号进行采集。该数据采集卡采用18 位A /D 转换，信号采样率高达40MHz，可以实现每秒10M 数据连续不断的记录，这对于声发射信号后续的进一步分析处理具有重要的实用价值。声发射传感器采用Wsa 型宽带传感器，4 个传感器按70mm × 170mm 的矩形摆放在试件上，传感器的频率范围为100kHz ～ 900kHz，这保证信号采集系统能够较全面地采集实验中的声发射信号，以便于后续的声发射信号分析和处理工作。传感器布置和脉冲大电流加载位置如图4 所示。

3. 3 实验加载装置

通过大电流加载使金属件裂尖处直接产生声发射现象，要求较高的输出电流峰值，但电流加载时间可以在微秒到毫秒级［7］。出于成本和稳定性的考虑，设计了基于电容放电的脉冲大电流加载装置。其工作原理如图5 所示，电源先对220V 工频交流电进行整流，通过限流电阻对电容充电。续流二极管D 不仅可以保护放电电容器不受反压而损坏，同时也可以起到调节放电电流波形的作用。电阻RS为检测电阻，用于测量放电电流。K1 和K2 分别为继电器的一对常闭和常开触点，当电容电压达到预定值后，充电开关K1 断开，放电开关K2 闭合，电容开始向金属试件放电，形成一个脉冲大电流。放电结束，K2 断开，K1 闭合，电容充电，以备下一次放电实验。

图6 为不同储能电容的放电过程波形图。a 图为储能电容为1000μF 时的情况，可以看出充电电压为100V 时，3. 75mΩ 的检测电阻两端电压将近3. 2V，相应的脉冲电流峰值接近853A，电流持续时间大约为300μs。b 图是储能电容为2200μF，充电电压为120V 时的情况，此时检测电阻两端电压能达到8V，相应的输出电流最高可达2100A，电流持续时间约为280μs。两种情况下的脉冲电流都是在50μs 左右达到了峰值。实验结果显示，电源的幅值和脉冲宽度完全满足电磁声发射技术对于激励电流的要求。表1 列出了该脉冲电流源在不同充电电压下的输出电流峰值，随着充电电压的逐渐增大，放电电流的峰值可以得到显著提升。

4 实验结果分析

在三个试件中分别通入脉冲大电流，将这些电磁声发射信号波形记录下来。利用傅立叶变换对三个试件上所采集到的电磁声发射信号分别进行时频分析，得出了各次实验信号所对应的频率信息。图7 为实验采集的电磁声发射信号波形及频谱图，其中图7 ( a) 为大电流第一次加载在1 号试件时的情况，图7( b) 为大电流加载在3 号试件时的情况。根据各通道及各次实验所得到的电磁声发射信号频谱图，分析得出如下规律:

(1) 第一次在有裂纹的1 号铝板通入800A 大电流时，所得到的声发射信号包含有30kHz、100kHz和230kHz 三种频率成分的信号。对于金属裂纹的声发射信号，人们多次的实验表明，其主要的频率范围为100k ～ 550kHz 之间，在这个频带范围内聚积了声发射裂纹扩展信号的绝大部分能量［8］。这说明在有裂纹铝板上所得到的100kHz 和230kHz 信号即属于声发射信号范畴。

(2) 在不含有裂纹的2 号和3 号铝板通入同样大的电流时，得到的信号基本只包含30kHz 的频率成分。该信号不属于金属的声发射信号，这说明在无裂纹金属板上加载大电流不会激发声发射现象，符合电磁声发射信号的产生规律。

(3) 当加载电流在670A 以下时，系统采集到的信号频谱与2 号和3 号试件所采集信号频谱相似，主要频率成分集中在50kHz 以下。说明此时电磁加载幅度过低，不足以激发仪器所能采集到的声发射现象。

5 结论

电磁声发射技术利用电磁激励产生声发射信号来检测裂纹，结构可以在线进行检测，无需拆卸或制作工装。可根据需要对特定关键区域进行局部加载，从而避免了传统声发射技术对大型结构整体加载的要求。本研究成果为进一步开展基于电磁声发射技术的金属裂纹无损检测研究工作打下了良好的基础，同时也为金属裂纹的状态监测、故障诊断及其系统的健康维护工作提供了一个新思路。

参考文献(References) :

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［3 ］戴光，徐彦廷译( Trans. by Dai Guang，Xu Yanting) .无损检测与评价手册(Handbook of nondestructive evaluation)［M］. 北京: 中国石化出版社( Beijing: China Petrochemical Press) ，2006.

［4 ］Finkel P，Godinez V，Miller R. Electromagnetically induced acoustic emission - novel NDT technique for damage evaluation ［A］. American Inst. of Physics Conf. Proc. ［C］. 2001. 557: 1747-1754.

［5 ］刘素贞，杨庆新，金亮，等( Liu Suzhen，Yang Qingxin，Jin Liang，et al. ) . 电磁声发射技术在无损检测中的应用研究(Application of electromagnetic acoustic emissiontechnology in non-destructive testing) ［J］. 电工技术学报( Trans. of China Electrotechnical Society) ，2009，24(1) : 23-27.

［6 ］陈中剑，杨庆新(Chen Zhongjian，Yang Qingxin) . 电磁声发射技术研究( Study on electro-magnetically induced acoustic emission technique) ［J］. 大众科技( Popular Technology) ，2006，92(6) : 23-24.

［7 ］Chuang Zhang，Suzhen Liu，Qingxin Yang，et al. Experimental study on high-current pulse generator for electromagnetically induced acoustic emission ［A］. 11th International Conference on Elec. Machines ＆ Systems ［C］2008.

［8 ］Gong Z，Nyborg E O，Oommen G. Acoustic emission monitoring of steel railroad bridges ［J］. Materials Evaluation，1992，50(6) : 883-887.

张闯1，刘素贞1，杨庆新1，2，金亮1，李娜3

(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300130; 2. 天津工业大学，天津300160; 3. 渤海石油装备承德石油机械有限公司，河北承德067000)

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