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技术与应用

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疲劳裂纹的声发射信号检测技术

发布日期:2017-04-19 14:13    浏览次数:

0  引言
    机械零件在受力状态下产生裂纹或塑性变形的时候, 往往伴随有声发射(AE) 现象的出现。声发射本质上是一种弹性波, 它是以瞬态弹性波的形式迅速释放其内部积累的应变能的过程。裂纹的萌生和不连续扩展产生突发型声波, 而塑性变形产生连续型声波[ 1] 。声发射监控技术不需发射探测信号, 而只是“被动” 监听由于零件结构变化而发射出来的声波信号, 通过分析所接收的信号, 对声发射源的位置、物理状态作出判断,因而运用声发射技术可以实现零件服役状态的动态监控。传统的声发射仪主要使用谐振式传感器接收声发射信号, 形成了相对成熟的基于声发射参数的检测技术,但由于共振频率低、频带窄, 表征声发射源特征的许多重要信号被忽略, 导致声发射源定位误差较大, 且判断结果和实际情况有较大出入, 影响了声发射技术的进一步应用。近年来, 由于模态声发射理论的逐渐成熟和电子技术的飞速发展, 使采用宽带传感器的数字信号处理系统的实现成为可能。文章在对声发射波形进行分析的基础上, 采用参数分析法提取声发射源的特征, 以获得比较准确的评价结果。
1  疲劳裂纹的信号特征
    从声发射源发出的声信号以弹性波的形式向四周传播, 由于扩展损失使声波衰减, 频率越高衰减越严重,同时声发射波碰到界面时会被反射, 反射时会产生波形变换, 因此, 实际上到达传感器的声发射波实际上是经过多次发射和不同模态的波叠加的复杂波形。模态声发射(MAE)检测技术的关键是首先要准确地识别表征裂纹特征的声发射信号。
    由于很多实际零件具有盘状结构, 因此可以利用基于板波理论的模态声发射技术分析来自此类零件内部的声发射信号。使用模态声发射技术可以在对声发射信号波形进行分析的基础上, 提取声发射源的有关特征, 如裂纹的大小、损伤程度和声发射源的方位等。
    根据板波理论, 声发射波(亦是一种机械波)在平板内按三种模式传播:(1)在板平面内沿传播方向运动的扩展波;(2)垂直于板平面运动的弯曲波;(3)在板平面内垂直于传播方向运动的剪切波。一般在板状结构中只能检测到扩展波和弯曲波, 剪切波是很难检测到的, 并且其影响可以忽略不计。扩展波的传播速度最快, 且无色散效应, 且具有不同频率分量的扩展波按照相同的速度运动;弯曲波的传播速度较慢, 有色散效应, 其传播速度与频率的平方根成正比。具有较高频率的弯曲波会先到达传感器, 由于衰减严重, 幅值较低;具有较低频率的弯曲波会较晚到达传感器, 同时由于不同频率分量的分离, 弯曲波随着时间的推移, 幅度会逐渐衰减。如图1 所示。

    在板平面内的声发射源主要产生扩展波, 而板平面外的声发射源则主要产生弯曲波[ 1] 。根据经典板波理论, 扩展波的声速可表示为:

    弯曲波的声速可表示为:

    疲劳裂纹产生的是具有较大高频分量的扩展波分量, 而背景噪声信号和零件塑性变形产生的是频率相对较低的弯曲波分量。由于这两种波的频率范围不同, 波速不同, 波形特征亦存在明显差别, 因而可以通过波形分析的方法, 提取信号波形中表征疲劳裂纹萌生和扩展的扩展波, 同时有效抑制弯曲波的影响。提取出信号中的扩展波后, 根据波速和扩展波信号到达传感器的时间以及零件结构特征便可以计算出零件中疲劳裂纹的距离、位置。
2  信号参数与裂纹的关系
    声发射信号的持续时间一般只有几十到数百微秒,持续时间短, 数据量大, 依靠硬件现记录、存储声发射信号的瞬态波形比较困难, 不仅硬件投入较大, 而且很难保证实时性, 于是综合波形分析和参数分析的特点,用前向通道中的高通滤波器提取出声发射信号中的扩展波后, 用参数分析的方法提取波形特征, 对疲劳裂纹的扩展过程进行预测。
    常用的波形分析参数有幅值(Amplitude)、振铃数(Counts)、持续时间(Duration)、上升时间(Rise time)和相对能量(Relative energy), 其特征含义如图2 所示。

    由于传感器每振荡一次就输出一个振铃脉冲, 它随载荷循环次数的变化情况集中反应了疲劳裂纹信号的主要特征, 因此我们使用声发射信号的振铃数来预测裂纹的扩展速度。
    由材料的等幅载荷试验表明, 疲劳裂纹的扩展速度da/dn 随应力密度因子幅度ΔK 变化, 在双对数坐标上可用图3 表示[ 2] 。

 图3 中I 区为初始稳定扩展区, 该区存在一个疲劳裂纹扩展应力强度因子的阈值。III 区为裂纹快速扩展区, 它以平面应变材料的断裂韧性值为渐进线, 在该区内da/d n 急剧上升而产生瞬间断裂。II 区为裂纹稳定扩展区, 是裂纹扩展的主要部分, 可近视为直线, 该直线满足Paris -Erdogan 方程[ 3] 。
    根据Paris -Erdogan 方程, 疲劳裂纹的扩展速度可用式(3)表示

    为了建立声发射信号参数和疲劳裂纹扩展速度的关系, Gong Z 等[ 4] 提出应用声发射记数率表示应力密度因子幅度, 其方程如下:

    将式(4)代入式(3)可得方程(5):
 

    该方程建立了声发射参数(振铃率)与疲劳裂纹扩展速度相互关系的数学模型, 是对零件结构完整性进行预测、评价的主要依据。
3  试验结果与分析
    单个声发射事件的持续时间很短, 频带很宽, 高频成分穿过物体时衰减严重, 而低频成分又与机械噪声重叠, 不易分离, 因此用较高的通频带检测声发射信号,并进一步提取出表征疲劳裂纹特征的频率较高的扩展波分量。我们在参考国外同类声发射检测仪的基础上, 最后确定声发射传感器的频带范围为100 kHz ~ 1.2 MHz 。
    图4 是我们设计的一种四通道声发射监控仪, 用来对零件运行过程中产生的疲劳裂纹进行在线监测, (图中只示出了单一通道的结构):


    然后, 对图5 所示试件(材料为A3) 进行轴向拉伸疲劳实验。声发射传感器安装于U 形缺口对称面右侧30 mm 处, 同时又处于试件轴向对称面上。
    试验在SCHENCK 250 kN 材料试验机上进行。试验条件如下:

    使用该声发射仪记录疲劳裂纹萌生和扩展过程中产生的声发射信号, 然后重构采样信号, 在使用较高的通频带和用较大的阈值水平滤除背景噪声的基础上, 再使用小波分析的方法进一步滤除背景噪声和弯曲波信号的分量, 突出表征裂纹的扩展波分量, 同时有效抑制其它信号的影响, 最后得到的试件断裂瞬间的信号波形如图6 所示。

    再根据式(4)计算裂纹长度随疲劳循环周期数的变化率, 而后积分可得整个疲劳循环过程中裂纹长度随时间的变化情况, 如图7 所示。

    图中的离散点是由超声波探伤的方式每隔4 min 测量的裂纹长度值, 可认为是裂纹的实际长度值。
    由图7 可见, 通过声发射信号的参数计算的裂纹长度大于实际长度。这主要是因为疲劳裂纹的闭合以及裂纹面间的摩擦产生声发射信号, 导致振铃数增加, 进而导致计算误差增大。由此可见, 用声发射参数计算的裂纹长度偏大, 计算结果偏于保守, 但作为工程测量来说, 声发射技术不失为一种动态检测零件疲劳裂纹的有效方法。

4  结论

    采用模态声发射的基本理论, 对采集到的声发射信号的波形进行分析, 进而提取反映裂纹特征状态的声发射参数, 是实现零件疲劳裂纹状态检测的一种切实可行的方法。但是由于声波在传播界面的反射以及由于传播过程的衰减, 有可能使测试结果和实际情况产生一定的出入, 因此对于如何有效地减少测量误差, 使测量结果尽可能地逼近实际结果, 还需要做深入的研究。
参考文献:
[ 1] 耿荣生, 沈功田, 刘时分.基于波形分析的声发射信号处理技术[ J] .无损检测, 2002 , 24(6):257 -261.
[ 2] Parker A P.The mechanics of fracture and fatigue [ M] .London:E and F N Spon Ltd , 1981.
[ 3] Maddox S J .Fatigue streng th of welded structures [ M] .Cambridge:Abing ton Publishing , 1991 .
[ 4] Roberts T M , Talebzadeh M .Acoustic emission monitoring of fatigue crack propag ation [ J] .Journal o f Constructional Steel Resear ch , 2003, 59(6):695-712.


李耀东, 黄成祥, 侯 力, 王小龙  (四川大学制造学院)