SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋聲發射信號特征識別研究

　　摘 要： 利用聲發射(AE)檢測技術，對核電主設備SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋的萌生、擴展和斷裂階段進行特征識別研究。對SA508低合金鋼焊縫試樣進行循環加載，模擬焊縫疲勞裂紋產生過程;采用DSP信號采集系統，采集得到不同階段的聲發射特征。研究發現：1)裂紋在不同階段下聲發射信號的時域特征與理論研究相符;2)在頻域下，裂紋萌生、擴展階段的聲發射信號頻率成分主要集中在430 kHz以內，斷裂階段出現更高的頻率成分;3)幅度、持續時間、上升時間、振鈴計數、能量這五個特征參數在不同階段變化顯著，可用于不同階段下聲發射信號的識別。

　　本文源自工業技術創新 2020年5期《工業技術創新》是由中國電子信息產業發展研究院和工業和信息化部部長主辦的國家科技學術期刊。該報主要面向工業技術創新領域的相關產業部門、工業企業、科研創新學術交流平臺、技術創新成果宣傳轉化領域以及戰略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進產業技術創新，促進產業轉型升級，為建設創新型國家服務。

　　關鍵詞： 聲發射信號特征識別;SA508低合金鋼;焊縫疲勞裂紋;特征參數;頻率成分

　　引言

　　聲發射(AE)檢測技術區別于超聲波、X-射線等常規技術，是融合了無損檢測[1]、動態無損檢測優勢的技術，可以實時監測缺陷的萌生、擴展及斷裂過程，通過對聲特征信號進行處理分析來判斷缺陷的活動性和嚴重性。聲發射檢測技術已在液化石油瓶等壓力容器的焊縫品質檢測、柴油發動機等設備中滾動接觸元件的疲勞裂紋檢測中得到了廣泛應用[2]。

　　核電主設備一般選用SA508低合金鋼作為承壓容器材料。雖然材料在制造過程中經過了嚴格的檢驗，但由于長期受高溫、高輻照、壓力波動等嚴苛環境的影響，其出現焊縫疲勞裂紋等缺陷的風險加大，將影響壓力邊界的完整性，因此非常有必要引入監測手段對重要部位的焊縫進行實時監測。

　　聲發射監測系統應用于核電主設備焊縫疲勞裂紋檢測，可以對設備運行狀態進行監測和評價。本文利用實驗室現有設備，搭建焊縫疲勞裂紋聲發射監測平臺，捕捉和采集裂紋萌生、擴展及斷裂等階段的信號特征，對不同階段信號的特征參數進行時域、頻域分析，找出相互間的特征差別，為核電主設備焊縫疲勞裂紋聲發射監測系統的成功研制提供理論與試驗支持。

　　1 聲發射檢測技術基本原理

　　當材料、零部件內部局部區域受到外力或內力作用時，該區域所承受的應力高度集中，使材料缺陷部位產生塑性變形、裂紋及相變，并通過滑移、位錯、開裂、晶界突然改變取向[3]等方式迅速釋放出能量。聲發射檢測技術就是對上述異常進行探測的。

　　聲發射檢測技術基本原理是利用耦合在材料表面上的壓電陶瓷探頭，將材料內聲發射源產生的彈性波轉化為電信號，對電信號進行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得來自材料內與裂紋等缺陷相關的聲信息;通過對聲發射源波形及特征參數進行分析，可以推演出材料內部的缺陷情況[4]。

　　大量的研究表明，金屬缺陷的聲發射信號幅度范圍可從數微伏到上百伏，頻率范圍主要集中在400 kHz以內。

　　2 試驗臺設計和聲發射信號噪聲處理

　　2.1 試驗臺設計

　　圖1為試驗臺構架示意圖。試驗系統包括：

　　(1)10噸INSTRON試驗機;

　　(2)中心頻率為150 kHz(帶寬20 kHz～400 kHz)的聲發射傳感器;

　　(3)增益為40 dB的前置放大器;

　　(4)北京軟島科技有限公司DS5-8A/B 8通道DSP數據采集系統，2.5 M采樣頻率;

　　(5)焊縫試樣：材料SA-508 Gr.3 Cl.2，試樣尺寸200 mm×50 mm×5 mm，試樣1/2處預制20 mm×0.5 mm裂紋。

　　2.2 循環加載曲線

　　為更好地模擬焊縫疲勞裂紋產生過程，對焊縫試樣施加平均拉力為30 kN、幅度為10 kN、加載頻率為10 Hz的拉—拉循環載荷。圖2為循環加載曲線。

　　2.3 聲發射信號噪聲處理

　　由于聲發射源在實際檢測中具有復雜性和不確定性，為獲取有效的聲源信息，試驗中采取接地和提高采集門檻(門檻值設置為200 mV)的方式，降低疲勞試驗機產生的電磁波干擾、振動干擾等。

　　3 焊縫疲勞裂紋在不同階段下聲發射信號的時域、頻域特征分析

　　3.1 時域特征分析

　　理論研究發現，裂紋萌生階段的聲發射信號幅值發生較大突變，意味著材料開始出現損傷;裂紋擴展階段，聲發射信號出現異常，信號幅值大幅增加，表明裂紋繼續擴展，出現明顯的宏觀裂紋;裂紋斷裂階段，出現極大幅值的聲發射信號[5]。

　　在第22 957次循環時，聲發射信號幅值發生較大突變。如圖3a所示，預制裂紋尖端處出現明顯的“痕跡”，產生塑性變形區，結構開始出現損傷，伴隨裂紋萌生現象。由圖3b可知，裂紋萌生時，聲發射信號幅值確實出現了較大突變，最大峰值達322 mV。

　　當循環數達到30 727時，聲發射信號突然發生異常。如圖4a所示，結構出現明顯的裂痕，裂紋呈現不斷擴展趨勢。由圖4b可知，當裂紋擴展時，聲發射信號幅值大幅增加，最大峰值達526 mV。

　　當循環數在30 727～43 227時，裂紋繼續產生且快速擴展，出現明顯的宏觀裂紋。本文將這一階段稱作裂紋再擴展階段。

　　如圖5a所示，當循環數達到44 077時，裂紋瞬間斷裂。由圖5b可知，裂紋斷裂時出現極大幅值聲發射信號，最小峰值達-2.8 V，最大峰值達3.79 V，且持續時間極短，為典型的突發型信號。

　　綜上，焊縫疲勞裂紋在三個階段下的聲發射信號特征與理論研究吻合。

　　3.2 頻域特征分析

　　從理論上講，時域信號并不能反映出所有的信號特征信息，而頻域信號可以對時域信號所不能識別的信息加以反映[6]。為進一步了解焊縫疲勞裂紋三個階段下的聲發射信號差別，對三個階段下的時域信號進行頻域分析。圖6a、6b、6c分別為裂紋萌生、裂紋擴展及裂紋再擴展階段的聲發射信號頻譜圖，信號頻率成分集中在0～430 kHz范圍內，峰值頻率在150 kHz左右。裂紋萌生階段，90 kHz～180 kHz頻率下的信號成分較為活躍;裂紋擴展階段，110 kHz～190 kHz頻率下的信號成分較為活躍。圖6d為裂紋斷裂階段的頻譜圖，聲發射信號的幅值大幅增加，最大幅值接近0.18 V。此外，裂紋斷裂信號與裂紋萌生、擴展、再擴展信號相比具有更高的頻率成分，在430 kHz～800 kHz范圍內，頻率成分增加明顯，說明材料內部釋放出更多的應變能。

　　4 焊縫疲勞裂紋聲發射信號特征參數

　　通過DS5-8A/B 8通道DSP數據采集系統，采集得到裂紋在不同階段下的聲發射特征參數：幅度(a1)、持續時間(a2)、上升時間(a3)、振鈴計數(a4)、上升計數(a5)、能量(a6)、有效電壓(a7)、平均信號電平(a8)、質心頻率(a9)、峰值頻率(a10)。選取裂紋不同階段下典型的36組采樣數據，如表1所示。其中，序號1～13為裂紋萌生階段、14～25為裂紋擴展(再擴展)階段、26～36為裂紋斷裂階段。對數據進行對比分析，發現幅度、持續時間、上升時間、振鈴計數及能量這五個參數變化較為顯著，可用作裂紋萌生、擴展及斷裂的趨勢表征參數。

　　5 結論

　　(1)時域特征分析結果表明：裂紋萌生階段，聲發射信號幅值發生較大突變;裂紋擴展階段，聲發射信號出現異常，信號幅值大幅增加;裂紋斷裂階段，出現極大幅值的聲發射信號。試驗得到的時域特征與理論吻合。

　　(2)頻域特征分析結果表明：裂紋萌生、擴展及斷裂三個階段下的聲發射信號頻率成分不同。裂紋萌生和擴展階段的頻率成分主要集中在430 kHz以內;裂紋斷裂階段出現更高的頻率成分，430～800kHz范圍內的頻率成分更為顯著。

　　(3)聲發射信號特征參數對比分析表明：幅度、持續時間、上升時間、振鈴計數、能量這五個參數在不同階段變化較為顯著，可用作裂紋在不同階段下的趨勢表征參數。

　　致謝

　　感謝課題牽頭單位中國特種設備檢測研究院的大力支持，感謝北京化工大學馬波教授的技術支持，感謝審稿專家的辛勤勞動及細致審查!

　　基金項目

　　“國家重點研發計劃”(The National Key Research and Development Program of China)資助，課題編號：2018YFF0214702。)

　　參考文獻

　　[1] 崔衛東， 焦昌峰， 高慶偉. 聲發射檢測技術在壓力容器檢驗中的應用 [J]. 廣州化工， 2012， 40(4)： 78-80.

　　[2] 韋花貌. 聲發射傳播特性及傳導方式的研究綜述[J]. 裝備制造技術， 2012(8)： 123-126.

　　[3] 成建國， 毛漢領， 黃振峰， 等. 金屬材料聲發射信號特征提取方法[J]. 聲學技術， 2008， 27(3)： 309-314.

　　[4] 伍蔣軍， 黃振峰， 毛漢領. 金屬拉伸聲發射信號特征分析[J]. 浙江工業大學學報， 2011， 39(3)： 301-303.

　　[5] 韓暉， 肖迎春， 白生寶， 等. 金屬疲勞裂紋聲發射特性分析及檢測概率研究[J]. 科學技術與工程， 2014， 14(23)： 51-55.

　　[6] 李光海， 劉時風. 聲發射信號分析技術及進展[C]//哈爾濱： 中國第十屆聲發射學術研討會， 2004.