高溫條件下波導(dǎo)桿的在線損傷檢測(cè)

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)是物體迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，大多數(shù)材料變形和斷裂時(shí)有聲發(fā)射發(fā)生。聲發(fā)射的產(chǎn)生與材料內(nèi)部的破壞密切相關(guān)，所以聲發(fā)射信號(hào)的變化可以反映材料的破壞進(jìn)程，起到檢測(cè)和預(yù)測(cè)材料破壞的作用。聲發(fā)射技術(shù)具有連續(xù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)等特點(diǎn)，并且對(duì)材料的開裂和裂紋的擴(kuò)展非常敏感，已成為檢測(cè)材料破壞的一種重要手段。

要想在高溫條件下進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，只能采用高溫傳感器或通過(guò)波導(dǎo)桿傳導(dǎo)聲發(fā)射信號(hào)。但是，高溫聲發(fā)射傳感器不僅價(jià)格昂貴，更重要的是其耦合以及傳感器的固定在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)十分不便，所以采用連接波導(dǎo)桿的方法進(jìn)行高溫環(huán)境下的聲發(fā)射檢測(cè)具有重要的應(yīng)用前景[1-2]。波導(dǎo)桿的一端與試件通過(guò)點(diǎn)焊或物理連接，保證試件與波導(dǎo)桿接觸良好，另一端通過(guò)機(jī)械裝置以及耦合劑與聲發(fā)射傳感器耦合[3-4]。

波導(dǎo)桿的聲學(xué)性能以及固定方式都是影響聲發(fā)射檢測(cè)的關(guān)鍵因素，顯然要實(shí)現(xiàn)高溫聲發(fā)射檢測(cè)，最關(guān)鍵的是尋找合適的波導(dǎo)桿。理想的波導(dǎo)桿應(yīng)滿足以下條件。

(1)有較好的柔韌性，自身不產(chǎn)生振動(dòng)或應(yīng)力波，從而不會(huì)形成多余的聲發(fā)射信號(hào)。

(2)能快速、低衰減地傳遞應(yīng)力波，避免丟失微弱的聲發(fā)射信號(hào)。

(3)盡可能小的波形失真。

(4)有較高的熔點(diǎn)。

影響波導(dǎo)桿應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素就是衰減問(wèn)題，劉建軍等經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，進(jìn)行高溫檢測(cè)的過(guò)程中，檢測(cè)是否成功很大程度上取決于波導(dǎo)桿的耦合是否良好。蔣俊等通過(guò)試驗(yàn)證明，只要耦合良好，幅值并不會(huì)降低很多。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)看，波導(dǎo)另一端表面的最大衰減不到20 dB，完全可以滿足檢測(cè)所需。

李建功等[5]利用ANSYS軟件對(duì)AE信號(hào)在波導(dǎo)桿中的傳播規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，AE信號(hào)在波導(dǎo)桿中傳播時(shí)受波導(dǎo)桿的粗細(xì)以及長(zhǎng)短影響，波導(dǎo)桿直徑在110 mm間時(shí)，其對(duì)AE信號(hào)傳播的影響較小，且波導(dǎo)桿長(zhǎng)度應(yīng)盡量大于0.5 m，以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。

歷史是不可能發(fā)生的事：企圖用不完整的知識(shí)，來(lái)解釋本身就在不完整的知識(shí)下發(fā)生的行為。因此它教導(dǎo)我們，沒(méi)有通向“救贖”的捷徑，沒(méi)有制造“新世界”的秘方，只有兢兢業(yè)業(yè)和耐心的做法才行得通。我教導(dǎo)你們，通過(guò)不斷努力解釋，我們也許可以最終得知——并非某種解釋——我們進(jìn)行解釋的能力是極其有限的[2]92。

1 波導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)

在以上研究以及運(yùn)用聲學(xué)知識(shí)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了波導(dǎo)桿，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，筆者分別設(shè)計(jì)了不同材料、不同直徑、不同長(zhǎng)度以及有無(wú)拐角的波導(dǎo)桿，研究各影響因素對(duì)波導(dǎo)桿傳導(dǎo)聲波的影響。采用控制變量法設(shè)計(jì)，即研究某一影響因素時(shí)，確保其他因素相同。

圖1 波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意

圖2 波導(dǎo)桿傳導(dǎo)聲波影響因素分析框圖

2 波導(dǎo)桿特性比較研究

研究不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)桿對(duì)AE信號(hào)幅值、波形等的影響，確定最適合AE檢測(cè)的波導(dǎo)桿的結(jié)構(gòu)。

斷鉛試驗(yàn)是一種穩(wěn)定、可靠、重復(fù)性高的驗(yàn)證方法，常用于模擬損傷源。參數(shù)分析法和波形分析法是AE信號(hào)處理最常用的方法，主要用于描述AE源特性以及評(píng)估材料損傷程度，因此采用斷鉛試驗(yàn)來(lái)比較波導(dǎo)桿特性。

2.1 傳感器標(biāo)定

采用16通道聲發(fā)射系統(tǒng)采集信號(hào)，該系統(tǒng)主要由壓電傳感器、前置放大器、AE信號(hào)記錄和分析軟件等組成，AE前置放大器的放大倍數(shù)為40 dB。傳感器靠壓電效應(yīng)，將材料局部損傷以能量形式釋放的彈性波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。門檻值設(shè)定為45 dB，信號(hào)采樣率設(shè)為3 Mb·s-1。采用直徑為0.5 mm的鉛芯在矩形試件表面進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，鉛芯伸長(zhǎng)量為2.5 mm，每次斷鉛時(shí)保證鉛芯與試件表面夾角為30°。傳感器1,2和5分別置于距離斷鉛10 mm處，并采用磁性?shī)A具固定。傳感器和試件之間涂有耦合劑，目的是減少AE信號(hào)在傳感器和試件界面處過(guò)度散射和衰減，采用10次斷鉛取平均值的方法進(jìn)行對(duì)比。通道1,2,5進(jìn)行10次斷鉛的AE信號(hào)幅值平均值分別為98.4,96.4,98.0 dB。3個(gè)傳感器采集的每次斷鉛的AE波形也極為類似，為典型的高衰減突發(fā)性AE信號(hào)。

快速傅里葉變換(FFT)作為時(shí)域和頻域轉(zhuǎn)換的分析工具，廣泛應(yīng)用在數(shù)字通信、圖像處理、雷達(dá)信號(hào)處理、航空航天等領(lǐng)域，利用FFT對(duì)AE信號(hào)的頻譜進(jìn)行了計(jì)算，以觀察波形在頻域內(nèi)的變化。

圖3為采集的第6次斷鉛時(shí)的AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號(hào)逐漸衰減，開始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環(huán)境噪聲信號(hào)覆蓋，3個(gè)傳感器采集到的波形幾乎一致。由FFT得出的頻譜結(jié)果可以看出，3個(gè)AE信號(hào)的頻譜主頻所在的頻率段相同，在020 kHz間以及110 kHz120 kHz間。

圖3 矩形試件的AE波形和頻譜

2.2 波導(dǎo)桿材料影響分析

對(duì)材料為高溫合金GH4169、A3鋼的波導(dǎo)桿AE信號(hào)傳播特性作了比較，通道1為GH4169合金波導(dǎo)桿+傳感器，通道2為A3鋼波導(dǎo)桿+傳感器，通道5為傳感器。采用斷鉛試驗(yàn)?zāi)M損傷源，斷鉛位置與高溫合金GH4169波導(dǎo)桿端頭、A3鋼波導(dǎo)桿端頭以及不帶波導(dǎo)桿的傳感器距離相同，為10 mm。兩根波導(dǎo)桿尺寸相同，直徑為5 mm，長(zhǎng)為1 m。

通道1，2，5進(jìn)行10次斷鉛的AE信號(hào)平均幅值分別為86.6，93.6，98.5 dB。比較幅值，發(fā)現(xiàn)A3鋼波導(dǎo)桿對(duì)AE信號(hào)的衰減明顯小于高溫合金GH4169波導(dǎo)桿的。

圖4為采集的第6次斷鉛的AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的信號(hào)幅值較高，之后信號(hào)逐漸衰減，開始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環(huán)境噪聲信號(hào)掩埋，通道2采集到的波形更加接近于通道5采集到的波形；相對(duì)于無(wú)波導(dǎo)桿的通道5，通道1,2接收到的AE信號(hào)略有延遲，延遲時(shí)間小于1 ms。

圖4 第6次斷鉛AE波形和頻譜(材料影響試驗(yàn))

頻譜圖表明3個(gè)AE信號(hào)的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在030 kHz之間；較高頻率段通道5主頻在120 kHz左右，通道1,2主頻在90 kHz100 kHz之間，說(shuō)明波形有微小失真，對(duì)比3個(gè)頻譜，通道2更加接近于通道5。

通過(guò)以上分析，A3鋼波導(dǎo)桿接收到的AE信號(hào)衰減要小于GH4169合金波導(dǎo)桿接收到的，且波形更加接近于無(wú)波導(dǎo)桿時(shí)采集的完全真實(shí)信號(hào)，因此認(rèn)為相同尺寸的A3鋼波導(dǎo)桿更有利于AE信號(hào)的傳播。

2.3 波導(dǎo)桿直徑影響分析

對(duì)不同直徑A3鋼波導(dǎo)桿AE信號(hào)傳播特性作了比較，通道1為直徑5 mm波導(dǎo)桿+傳感器，通道2為直徑1 mm波導(dǎo)桿+傳感器；采用斷鉛試驗(yàn)?zāi)M損傷源，斷鉛位置與波導(dǎo)桿端頭的距離相同，為10 mm。兩根波導(dǎo)桿長(zhǎng)度相同，為1 m。

通道1，2進(jìn)行10次斷鉛的AE信號(hào)平均幅值分別為87.5，81.7 dB。比較幅值，發(fā)現(xiàn)5 mm直徑波導(dǎo)桿對(duì)AE信號(hào)的衰減明顯小于1 mm直徑波導(dǎo)桿的；這說(shuō)明波導(dǎo)桿的直徑越大，越有利于AE信號(hào)的傳播。

圖5為采集的第6次斷鉛AE信號(hào)波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號(hào)逐漸衰減，開始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環(huán)境噪聲信號(hào)覆蓋，通道1采集到的波形更加接近于斷鉛試驗(yàn)產(chǎn)生的脈沖波。

圖5 A3鋼波導(dǎo)桿AE信號(hào)波形和頻譜

頻譜圖表明，兩個(gè)AE信號(hào)的頻譜主頻所在的頻率段相同，在040 kHz間以及160 kHz170 kHz間。

通過(guò)以上分析可知，5 mm直徑波導(dǎo)桿接收到的AE信號(hào)衰減要小，這說(shuō)明波導(dǎo)桿的直徑越大，越有利于AE信號(hào)的傳播。

2.4 波導(dǎo)桿長(zhǎng)度影響分析

對(duì)不同長(zhǎng)度A3鋼波導(dǎo)桿的AE信號(hào)傳播特性作了比較，通道1為1 m長(zhǎng)波導(dǎo)桿+傳感器，通道2為0.8 m長(zhǎng)波導(dǎo)桿+傳感器；采用斷鉛試驗(yàn)?zāi)M損傷源，斷鉛位置與波導(dǎo)桿端頭距離相同，兩根波導(dǎo)桿直徑相同，均為5 mm。

通道1，2進(jìn)行10次斷鉛的AE信號(hào)平均幅值分別為89.9，91.2 dB。比較幅值，發(fā)現(xiàn)兩者之差在1 dB左右；這說(shuō)明波導(dǎo)桿越短，越有利于AE信號(hào)的傳播，但是影響較小。

圖6為采集的第6次斷鉛AE信號(hào)波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號(hào)逐漸衰減，開始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環(huán)境噪聲信號(hào)覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。

圖6 第6次斷鉛AE信號(hào)波形和頻譜(長(zhǎng)度影響試驗(yàn))

頻譜圖表明，兩個(gè)AE信號(hào)的頻譜主頻所在的頻率段各有兩處，較低頻率段大致相同，在030 kHz之間；較高頻率段通道1主頻在60 kHz70 kHz，通道2主頻在80 kHz90 kHz之間，這可能與端頭焊接工藝有關(guān)。

通過(guò)以上分析，0.8 m長(zhǎng)波導(dǎo)桿接收到的AE信號(hào)衰減小，這說(shuō)明波導(dǎo)桿的長(zhǎng)度越短，接收到的AE信號(hào)衰減越小，越有利于AE信號(hào)的傳播,所以建議選擇適合檢測(cè)條件下長(zhǎng)度較短的波導(dǎo)桿，檢測(cè)中選擇0.8 m長(zhǎng)的波導(dǎo)桿。

2.5 波導(dǎo)桿拐角影響分析

為分析拐角對(duì)AE信號(hào)的影響，進(jìn)行了試驗(yàn)，即采用斷鉛試驗(yàn)?zāi)M損傷源，斷鉛位置距波導(dǎo)桿端頭距離相同。兩根波導(dǎo)桿直徑相同(為5 mm)，長(zhǎng)度相同(為1 m)。波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 拐角試驗(yàn)時(shí)的波導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意

通道1,2進(jìn)行第10次斷鉛的AE信號(hào)平均幅值分別為88.5，92.7 dB。比較幅值，發(fā)現(xiàn)兩者之間差值為4 dB左右，這說(shuō)明波導(dǎo)桿拐角會(huì)造成AE信號(hào)的衰減。

圖8為采集的第6次斷鉛AE波形以及頻譜圖，由波形可以看出，開始采集到的幅值較高，之后信號(hào)逐漸衰減，開始時(shí)信號(hào)衰減速度較慢，然后快速衰減直至被環(huán)境噪聲信號(hào)覆蓋，傳感器采集到的波形幾乎一致。

圖8 第10次斷鉛AE信號(hào)波形和頻譜(拐角影響試驗(yàn))

頻譜圖表明，兩個(gè)AE信號(hào)的頻譜主頻較明顯，主頻范圍在030 kHz之間，但是通道1主頻所在頻率較窄且略高。

通過(guò)以上分析，不帶拐角波導(dǎo)桿接收到的AE信號(hào)衰減要小，這說(shuō)明波導(dǎo)桿拐角對(duì)AE信號(hào)有衰減作用，不利于AE信號(hào)的傳播，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免波導(dǎo)桿帶拐角。

3 波導(dǎo)桿高溫條件下的應(yīng)用

選擇合適的波導(dǎo)桿應(yīng)用于高溫試驗(yàn)是研究的重點(diǎn)，因此在某熱試驗(yàn)過(guò)程中，采用波導(dǎo)桿進(jìn)行高溫條件下的AE損傷檢測(cè)。波導(dǎo)桿一端與軸承通過(guò)黏接的方式連接，保證試件與波導(dǎo)桿的良好接觸，另一端通過(guò)機(jī)械裝置以及密封劑和AE傳感器耦合。采用波導(dǎo)桿連接試件和傳感器，避免了傳感器與高溫試件直接接觸，接入通道6；作為對(duì)比，另一不帶波導(dǎo)桿的高溫傳感器安裝于軸承的對(duì)稱另一端，接入通道1。試驗(yàn)加熱溫度為700 ℃，圖9為載荷控制曲線(圖中W為橫向位移載荷，F(xiàn)為縱向力)。

圖9 高溫試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)件載荷控制曲線

圖10為AE全程采集波形，由圖10可以看出，從外觀看兩者采集波形大體相似，與載荷譜相對(duì)應(yīng)分為4個(gè)階段，取一階段信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖10 AE全程采集波形(高溫試驗(yàn))

在此階段可以明顯看出，波形呈周期性變化，變化周期約為2.5 s，正好與軸承偏轉(zhuǎn)周期的一半相同，說(shuō)明此階段產(chǎn)生的AE信號(hào)主要來(lái)源于軸承偏轉(zhuǎn)，但是從波形看出波導(dǎo)桿采集到的波形弱于直接用高溫傳感器采集到的波形。部分AE采集波形如圖11所示。

圖11 部分AE采集波形(高溫試驗(yàn))

取一部分時(shí)間內(nèi)的波形，統(tǒng)計(jì)其平均幅值，通道1,6平均幅值分別為98.1,86.3 dB。通過(guò)比較幅值，發(fā)現(xiàn)兩者之差值為12 dB左右，信號(hào)衰減明顯。

頻譜13為從第一階段中挑取的有代表性的3種頻譜(見圖12)，通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，主頻出現(xiàn)在030 kHz之間，兩者主頻頻率幾乎相同。

圖12 有代表性的3種圖譜(高溫試驗(yàn))

4 結(jié)論

A3鋼波導(dǎo)桿優(yōu)于GH4169波導(dǎo)桿。波導(dǎo)桿傳播AE信號(hào)受直徑的影響，在一定范圍內(nèi)，直徑越大越有利于AE信號(hào)的傳播；波導(dǎo)桿傳播AE信號(hào)特性受長(zhǎng)度影響，在一定范圍內(nèi)，長(zhǎng)度越短越有利于AE信號(hào)傳播；波導(dǎo)桿拐角對(duì)AE信號(hào)有衰減作用，使用時(shí)應(yīng)盡量避免波導(dǎo)桿帶拐角。

通過(guò)高溫條件下的應(yīng)用分析得出：① 波導(dǎo)桿可以用于高溫條件下材料的損傷檢測(cè)；② 波導(dǎo)桿對(duì)于AE信號(hào)傳播有明顯的衰減作用，對(duì)于AE信號(hào)較弱的損傷可能檢測(cè)不到；③ 波導(dǎo)桿會(huì)微調(diào)AE信號(hào)的頻帶分布;④ 波導(dǎo)桿應(yīng)用于高溫AE檢測(cè)時(shí)，波導(dǎo)桿的選材很關(guān)鍵。