SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)特征識(shí)別研究

　　摘 要： 利用聲發(fā)射(AE)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)核電主設(shè)備SA508低合金鋼焊縫疲勞裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂階段進(jìn)行特征識(shí)別研究。對(duì)SA508低合金鋼焊縫試樣進(jìn)行循環(huán)加載，模擬焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生過(guò)程;采用DSP信號(hào)采集系統(tǒng)，采集得到不同階段的聲發(fā)射特征。研究發(fā)現(xiàn)：1)裂紋在不同階段下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域特征與理論研究相符;2)在頻域下，裂紋萌生、擴(kuò)展階段的聲發(fā)射信號(hào)頻率成分主要集中在430 kHz以內(nèi)，斷裂階段出現(xiàn)更高的頻率成分;3)幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、能量這五個(gè)特征參數(shù)在不同階段變化顯著，可用于不同階段下聲發(fā)射信號(hào)的識(shí)別。

　　本文源自工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 2020年5期《工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新》是由中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院和工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)主辦的國(guó)家科技學(xué)術(shù)期刊。該報(bào)主要面向工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門、工業(yè)企業(yè)、科研創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流平臺(tái)、技術(shù)創(chuàng)新成果宣傳轉(zhuǎn)化領(lǐng)域以及戰(zhàn)略政策研究的理論討論陣地。該雜志的宗旨是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 聲發(fā)射信號(hào)特征識(shí)別;SA508低合金鋼;焊縫疲勞裂紋;特征參數(shù);頻率成分

　　引言

　　聲發(fā)射(AE)檢測(cè)技術(shù)區(qū)別于超聲波、X-射線等常規(guī)技術(shù)，是融合了無(wú)損檢測(cè)[1]、動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)缺陷的萌生、擴(kuò)展及斷裂過(guò)程，通過(guò)對(duì)聲特征信號(hào)進(jìn)行處理分析來(lái)判斷缺陷的活動(dòng)性和嚴(yán)重性。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)已在液化石油瓶等壓力容器的焊縫品質(zhì)檢測(cè)、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)備中滾動(dòng)接觸元件的疲勞裂紋檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[2]。

　　核電主設(shè)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(guò)程中經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的檢驗(yàn)，但由于長(zhǎng)期受高溫、高輻照、壓力波動(dòng)等嚴(yán)苛環(huán)境的影響，其出現(xiàn)焊縫疲勞裂紋等缺陷的風(fēng)險(xiǎn)加大，將影響壓力邊界的完整性，因此非常有必要引入監(jiān)測(cè)手段對(duì)重要部位的焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于核電主設(shè)備焊縫疲勞裂紋檢測(cè)，可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。本文利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，搭建焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)平臺(tái)，捕捉和采集裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂等階段的信號(hào)特征，對(duì)不同階段信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，找出相互間的特征差別，為核電主設(shè)備焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功研制提供理論與試驗(yàn)支持。

　　1 聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)基本原理

　　當(dāng)材料、零部件內(nèi)部局部區(qū)域受到外力或內(nèi)力作用時(shí)，該區(qū)域所承受的應(yīng)力高度集中，使材料缺陷部位產(chǎn)生塑性變形、裂紋及相變，并通過(guò)滑移、位錯(cuò)、開(kāi)裂、晶界突然改變?nèi)∠騕3]等方式迅速釋放出能量。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)就是對(duì)上述異常進(jìn)行探測(cè)的。

　　聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)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(nèi)聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處理，使之特性化，并予以顯示和記錄，從而獲得來(lái)自材料內(nèi)與裂紋等缺陷相關(guān)的聲信息;通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源波形及特征參數(shù)進(jìn)行分析，可以推演出材料內(nèi)部的缺陷情況[4]。

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

　　2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和聲發(fā)射信號(hào)噪聲處理

　　2.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

　　圖1為試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)架示意圖。試驗(yàn)系統(tǒng)包括：

　　(1)10噸INSTRON試驗(yàn)機(jī);

　　(2)中心頻率為150 kHz(帶寬20 kHz～400 kHz)的聲發(fā)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，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(yù)制20 mm×0.5 mm裂紋。

　　2.2 循環(huán)加載曲線

　　為更好地模擬焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生過(guò)程，對(duì)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(huán)載荷。圖2為循環(huán)加載曲線。

　　2.3 聲發(fā)射信號(hào)噪聲處理

　　由于聲發(fā)射源在實(shí)際檢測(cè)中具有復(fù)雜性和不確定性，為獲取有效的聲源信息，試驗(yàn)中采取接地和提高采集門檻(門檻值設(shè)置為200 mV)的方式，降低疲勞試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾、振動(dòng)干擾等。

　　3 焊縫疲勞裂紋在不同階段下聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域、頻域特征分析

　　3.1 時(shí)域特征分析

　　理論研究發(fā)現(xiàn)，裂紋萌生階段的聲發(fā)射信號(hào)幅值發(fā)生較大突變，意味著材料開(kāi)始出現(xiàn)損傷;裂紋擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)異常，信號(hào)幅值大幅增加，表明裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋;裂紋斷裂階段，出現(xiàn)極大幅值的聲發(fā)射信號(hào)[5]。

　　在第22 957次循環(huán)時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅值發(fā)生較大突變。如圖3a所示，預(yù)制裂紋尖端處出現(xiàn)明顯的“痕跡”，產(chǎn)生塑性變形區(qū)，結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)損傷，伴隨裂紋萌生現(xiàn)象。由圖3b可知，裂紋萌生時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅值確實(shí)出現(xiàn)了較大突變，最大峰值達(dá)322 mV。

　　當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到30 727時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)突然發(fā)生異常。如圖4a所示，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的裂痕，裂紋呈現(xiàn)不斷擴(kuò)展趨勢(shì)。由圖4b可知，當(dāng)裂紋擴(kuò)展時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)幅值大幅增加，最大峰值達(dá)526 mV。

　　當(dāng)循環(huán)數(shù)在30 727～43 227時(shí)，裂紋繼續(xù)產(chǎn)生且快速擴(kuò)展，出現(xiàn)明顯的宏觀裂紋。本文將這一階段稱作裂紋再擴(kuò)展階段。

　　如圖5a所示，當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到44 077時(shí)，裂紋瞬間斷裂。由圖5b可知，裂紋斷裂時(shí)出現(xiàn)極大幅值聲發(fā)射信號(hào)，最小峰值達(dá)-2.8 V，最大峰值達(dá)3.79 V，且持續(xù)時(shí)間極短，為典型的突發(fā)型信號(hào)。

　　綜上，焊縫疲勞裂紋在三個(gè)階段下的聲發(fā)射信號(hào)特征與理論研究吻合。

　　3.2 頻域特征分析

　　從理論上講，時(shí)域信號(hào)并不能反映出所有的信號(hào)特征信息，而頻域信號(hào)可以對(duì)時(shí)域信號(hào)所不能識(shí)別的信息加以反映[6]。為進(jìn)一步了解焊縫疲勞裂紋三個(gè)階段下的聲發(fā)射信號(hào)差別，對(duì)三個(gè)階段下的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻域分析。圖6a、6b、6c分別為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展及裂紋再擴(kuò)展階段的聲發(fā)射信號(hào)頻譜圖，信號(hào)頻率成分集中在0～430 kHz范圍內(nèi)，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(hào)成分較為活躍;裂紋擴(kuò)展階段，110 kHz～190 kHz頻率下的信號(hào)成分較為活躍。圖6d為裂紋斷裂階段的頻譜圖，聲發(fā)射信號(hào)的幅值大幅增加，最大幅值接近0.18 V。此外，裂紋斷裂信號(hào)與裂紋萌生、擴(kuò)展、再擴(kuò)展信號(hào)相比具有更高的頻率成分，在430 kHz～800 kHz范圍內(nèi)，頻率成分增加明顯，說(shuō)明材料內(nèi)部釋放出更多的應(yīng)變能。

　　4 焊縫疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)

　　通過(guò)DS5-8A/B 8通道DSP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集得到裂紋在不同階段下的聲發(fā)射特征參數(shù)：幅度(a1)、持續(xù)時(shí)間(a2)、上升時(shí)間(a3)、振鈴計(jì)數(shù)(a4)、上升計(jì)數(shù)(a5)、能量(a6)、有效電壓(a7)、平均信號(hào)電平(a8)、質(zhì)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(shù)據(jù)，如表1所示。其中，序號(hào)1～13為裂紋萌生階段、14～25為裂紋擴(kuò)展(再擴(kuò)展)階段、26～36為裂紋斷裂階段。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)及能量這五個(gè)參數(shù)變化較為顯著，可用作裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂的趨勢(shì)表征參數(shù)。

　　5 結(jié)論

　　(1)時(shí)域特征分析結(jié)果表明：裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號(hào)幅值發(fā)生較大突變;裂紋擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)異常，信號(hào)幅值大幅增加;裂紋斷裂階段，出現(xiàn)極大幅值的聲發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)得到的時(shí)域特征與理論吻合。

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

　　(3)聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)對(duì)比分析表明：幅度、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、能量這五個(gè)參數(shù)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(shì)表征參數(shù)。

　　致謝

　　感謝課題牽頭單位中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院的大力支持，感謝北京化工大學(xué)馬波教授的技術(shù)支持，感謝審稿專家的辛勤勞動(dòng)及細(xì)致審查!

　　基金項(xiàng)目

　　“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”(The National Key Research and Development Program of China)資助，課題編號(hào)：2018YFF0214702。)

　　參考文獻(xiàn)

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