為滿足壓力容器在聲發(fā)射檢測(cè)中聲發(fā)射源區(qū)強(qiáng)度劃分的準(zhǔn)確性要求，需設(shè)計(jì)相關(guān)材料聲發(fā)射特性試驗(yàn)來(lái)獲得相對(duì)應(yīng)的a，b推薦值，以達(dá)到無(wú)損檢測(cè)的目標(biāo)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者采用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了大量研究，取得了一定成果，也有不少學(xué)者總結(jié)了該方法在金屬材料、高分子材料和非金屬?gòu)?fù)合材料斷裂損傷中的應(yīng)用[1-7]。 

文章針對(duì)0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，通過(guò)材料試驗(yàn)找出a，b推薦值，以準(zhǔn)確劃分由0Cr18Ni9Ti材料構(gòu)成的承壓設(shè)備的聲發(fā)射源強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)目前的標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.9—2012《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第9部分：聲發(fā)射檢測(cè)》中只有Q345R的材料具有確定的a，b值，沒(méi)有針對(duì)其他金屬材料的a，b值，故文章通過(guò)力學(xué)拉伸試驗(yàn)獲取相應(yīng)的定量化a，b值，用于在實(shí)際應(yīng)用中指導(dǎo)檢測(cè)結(jié)果的評(píng)價(jià)參考。 

文章設(shè)計(jì)制作了4種類型試件的力學(xué)試驗(yàn)，包括母材無(wú)缺陷、焊縫帶缺陷、焊縫無(wú)缺陷、母材V口缺陷試件，并進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，了解不同類型缺陷之間的信號(hào)參數(shù)的變化規(guī)律，找出表征材料不同階段的參數(shù)差別，用以確定合適的a，b值作為強(qiáng)度評(píng)價(jià)的參考。 

1.   聲發(fā)射檢測(cè)原理

聲發(fā)射的檢測(cè)原理如圖1所示，聲發(fā)射源發(fā)射的彈性波傳播到達(dá)材料的表面時(shí)，會(huì)引起可以用傳感器探測(cè)到的表面位移，這些探測(cè)器將材料的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理與分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料質(zhì)量狀況的評(píng)估。在材料加工、處理和使用過(guò)程中有很多因素能引起內(nèi)應(yīng)力的變化，如位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、孿生、裂紋萌生與擴(kuò)展、斷裂、無(wú)擴(kuò)散型相變、磁疇壁運(yùn)動(dòng)、熱脹冷縮、外加負(fù)荷的變化等，固體材料中內(nèi)應(yīng)力的變化產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。而材料在應(yīng)力作用下，會(huì)出現(xiàn)彈性變形、塑性變形甚至斷裂。其中裂紋的形成和擴(kuò)展過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射源是聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)中的重要關(guān)注點(diǎn)。試驗(yàn)表明，各種材料聲發(fā)射的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻到超聲頻，可從數(shù) Hz 到數(shù) MHz，根據(jù)理論計(jì)算，最高頻率可達(dá) 50 MHz。其中，金屬材料的聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)主要關(guān)心的頻率為 100~400 kHz。 

圖  1  聲發(fā)射檢測(cè)原理示意

2.   試驗(yàn)裝置

2.1   試驗(yàn)機(jī)單元

針對(duì)帶缺陷、低抗拉強(qiáng)度材料采用量程為 10 t 的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，針對(duì)無(wú)缺陷、高抗拉強(qiáng)度的材料采用量程為 20 t 的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸。采用引伸計(jì)作為應(yīng)變測(cè)量?jī)x器，記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線。力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)調(diào)整至位移橫速拉伸模式，依據(jù)材料的延展特性，加載速率設(shè)為 2 mm·min−1。試驗(yàn)中應(yīng)確保力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)與聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)間同步（2個(gè)設(shè)備原始數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間對(duì)應(yīng)），并記錄拉伸機(jī)應(yīng)力值、位移等參數(shù)，拉伸試驗(yàn)傳感器布置如圖2所示。 

圖  2  拉伸試驗(yàn)傳感器布置示意

2.2   采集單元

（1） 傳感器 

壓電傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)，是影響聲發(fā)射儀器性能的關(guān)鍵組成部分。在進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)，傳感器和試件之間應(yīng)保證良好的聲耦合。采用的傳感器諧振頻率為 150 kHz，帶寬為 100~400 kHz。 

（2） 前置放大器 

前置放大器置于傳感器附近，可對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，并通過(guò)同軸屏蔽電纜將信號(hào)傳輸?shù)讲杉ㄉ稀Ｇ爸梅糯笃骶哂?20，40，60 dB 三檔放大倍數(shù)，可根據(jù)聲發(fā)射源信號(hào)的不同自由選擇，同時(shí)放大器具有較寬的帶寬，可以搭配多種頻率的傳感器。 

（3） 采集卡 

采集卡為新一代 PCIE 總線采集卡，集中 8個(gè)聲發(fā)射采集通道和 8個(gè)外參數(shù)通道，具有 16位 A/D （模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換精度，由模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣/保持電路及A/D轉(zhuǎn)換器組成。其中，聲發(fā)射特征提取電路將數(shù)字化的聲發(fā)射信號(hào)變成聲發(fā)射特性參數(shù)。最后通過(guò) PCIE 總線，由系統(tǒng) CPU 來(lái)讀取和處理聲發(fā)射數(shù)據(jù)。 

（4） 主機(jī) 

采用堅(jiān)固的工業(yè)用便攜式聲發(fā)射主機(jī)，保證采集過(guò)程的穩(wěn)定運(yùn)行，內(nèi)部具有 PCI-Express 總線接口。 

（5） 采集分析軟件 

聲發(fā)射采集分析軟件，具有門檻閾值設(shè)置功能，可以濾除掉現(xiàn)場(chǎng)的背景噪聲；具有軟件控制的模擬濾波器功能；可根據(jù)采樣定理設(shè)置采樣率和采集長(zhǎng)度；可進(jìn)行時(shí)間參數(shù)設(shè)置；軟件具有 16個(gè)時(shí)域參數(shù)和 6個(gè)頻域參數(shù)的采集功能，文中試驗(yàn)選擇幅值參數(shù)；在定位設(shè)置中，選擇線性定位的方法作為閾值濾波方法。 

（6） 顯示單元 

采用計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線連接顯示，可以實(shí)時(shí)顯示采集情況、遠(yuǎn)程控制、傳導(dǎo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用方便。 

2.3   試件制作

試件按照 GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊縫試件的力學(xué)性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行制作，試件的具體尺寸如圖3，圖4所示。圖3包含了三種類型試件的尺寸要求，包括焊縫無(wú)缺陷、焊縫有缺陷、母材無(wú)缺陷試件；圖4中包含了母材帶 V 口缺陷的試件尺寸信息，拉伸試件實(shí)物如圖5所示。 

圖  3  板材拉伸試件尺寸示意

圖  4  母材帶 V 口缺陷拉伸試件尺寸示意

圖  5  拉伸試件實(shí)物

此次試驗(yàn)根據(jù)力學(xué)試驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)樣本的要求，每種類型共制作 6個(gè)試件，保證有 5個(gè)試件的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剩余 1個(gè)試件用于數(shù)據(jù)不完整的補(bǔ)充以及材料分析。 

試件上的標(biāo)記代表如下含義：① 焊縫無(wú)缺陷-焊縫無(wú)缺陷；② 焊縫帶缺陷-焊縫有條形缺陷；③ 母材透-母材無(wú)缺陷；④ 母材紋-母材 V 口缺陷。 

3.   試驗(yàn)過(guò)程

將聲發(fā)射傳感器放置于試件兩端的弧形過(guò)渡位置處（見(jiàn)圖2），采用布基膠帶進(jìn)行固定，傳感器與試件表面采用耦合劑進(jìn)行耦合，同時(shí)采用引伸計(jì)對(duì)試件的拉伸應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，聲發(fā)射系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)；根據(jù)不同拉伸試件的抗拉強(qiáng)度，選擇不同量程的拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸，直到其最終拉斷，記錄全過(guò)程的聲發(fā)射數(shù)據(jù)和拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析。 

所用聲發(fā)射傳感器的諧振頻率為 150 kHz，響應(yīng)帶寬為 100~400 kHz。采用直徑 0.3 mm 的2H 鉛筆鉛芯進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)，保證傳感器耦合良好。 

3.1   靈敏度測(cè)試

采用直徑 0.3 mm 的2H 自動(dòng)鉛筆鉛芯，伸長(zhǎng) 2~3 mm，在距離探頭 10 mm 處斷鉛5次，取3次斷鉛數(shù)值接近的幅值取均值為ax，兩個(gè)通道的均值相加再取均值為a，靈敏度滿足的條件是任意通道的均值ax與兩個(gè)通道的均值a的差不大于 ±2 dB。該過(guò)程既判斷了各個(gè)通道的耦合情況是否滿足要求，又測(cè)試了每個(gè)通道的探頭、信號(hào)線、采集通道是否正常，并確認(rèn)探頭連接的通道號(hào)是否正確。 

3.2   噪聲測(cè)試

試驗(yàn)機(jī)通電啟動(dòng)，對(duì)試件進(jìn)行初始預(yù)加載，載荷為正常載荷的 5%~10%。啟動(dòng)聲發(fā)射軟件開(kāi)始采集信號(hào)，觀察試驗(yàn)機(jī)預(yù)加載時(shí)的噪聲水平，并觀察機(jī)械噪聲和電磁噪聲水平的大小，采集時(shí)間不少于 15 min，再根據(jù)噪聲水平，設(shè)置檢測(cè)門檻確保噪聲不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，文章設(shè)置門檻為 40 dB。 

3.3   聲速測(cè)試

定位的準(zhǔn)確性與聲速關(guān)系較大，因此需要進(jìn)行聲速測(cè)試。采用斷鉛法，通過(guò)兩個(gè)探頭接收該斷鉛信號(hào)的時(shí)間差與斷鉛位置到達(dá)此兩個(gè)探頭的距離差來(lái)計(jì)算得到信號(hào)傳播速度V（聲速），即 

式中：ΔS為距離差；ΔT為時(shí)間差。 

為了避免聲速在特定傳播方向的偏差，需要測(cè)得不同方向的探頭路徑的聲速Vx，得到平均速度Va，取平均速度進(jìn)行定位，可以更好地減少誤差。 

3.4   定位校準(zhǔn)

裂紋定位非常關(guān)鍵，可以根據(jù)定位點(diǎn)的參數(shù)特征、波形特征、集中趨勢(shì)以及與載荷次數(shù)的相關(guān)性，來(lái)判斷定位點(diǎn)是否為裂紋信號(hào)。 

定位校準(zhǔn)時(shí)，采用斷鉛法在軟件顯示的定位集中區(qū)域斷鉛，再觀察該斷鉛信號(hào)在軟件上的定位與原顯示位置是否一致，測(cè)量偏差方向、偏差距離，從而反向移動(dòng)斷鉛點(diǎn)，找到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)際裂紋開(kāi)裂位置。 

3.5   數(shù)據(jù)采集

實(shí)際測(cè)試開(kāi)始后，試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行加載拉伸，同時(shí)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)過(guò)程的信號(hào)圖譜。 

4.   數(shù)據(jù)分析

將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行重放分析，對(duì)比加載曲線，觀察加載的不同階段的曲線變化；將聲發(fā)射與加載曲線進(jìn)行對(duì)比分析，觀察不同加載階段對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)變化過(guò)程，不同工況下的加載曲線以及幅值散點(diǎn)如圖6~13所示。 

圖  6  焊縫有缺陷試件加載曲線

圖  7  焊縫無(wú)缺陷試件加載曲線

圖  8  母材有缺陷試件加載曲線

圖  9  母材無(wú)缺陷試件加載曲線

圖  10  焊縫帶缺陷試件幅值散點(diǎn)圖

圖  11  焊縫無(wú)缺陷試件幅值散點(diǎn)圖

圖  12  母材 V 口缺陷試件幅值散點(diǎn)圖

圖  13  母材無(wú)缺陷試件幅值散點(diǎn)圖

4.1   數(shù)據(jù)處理與分析

考慮到材料韌性較強(qiáng)，聲發(fā)射信號(hào)較弱的可能性，文章主要采用聲發(fā)射定位事件結(jié)合不同通道的聲發(fā)射撞擊信號(hào)（參數(shù)和波形）進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合分析與處理。具體技術(shù)手段包括以下10個(gè)方面。 

（1） 利用過(guò)門檻技術(shù)實(shí)時(shí)捕捉突發(fā)脈沖信號(hào)，提取聲發(fā)射信號(hào)波形和特征參數(shù)。 

（2） 采用幅值濾波濾除低幅值的噪聲信號(hào)和不需要的信號(hào)。 

（3） 采用參數(shù)帶通頻率濾波方法濾除低頻干擾噪聲。 

（4） 基于時(shí)序判斷方法，判斷裂紋的區(qū)域。 

（5） 基于撞擊數(shù)和能量數(shù)的方法確定裂紋區(qū)域的空間位置。 

（6） 采用時(shí)差定位的方法進(jìn)行聲源判定。 

（7） 基于參數(shù)的關(guān)系法，相關(guān)法區(qū)別裂紋信號(hào)與噪聲信號(hào)。 

（8） 根據(jù)采集的波形特征與頻譜特征，區(qū)別裂紋信號(hào)與噪聲信號(hào)。 

（9） 基于撞擊數(shù)率或能量數(shù)率的關(guān)系，判斷信號(hào)的活度與強(qiáng)度。 

（10） 基于事件數(shù)率的多少，判斷損傷發(fā)展的劇烈程度或嚴(yán)重度。 

4.2   主要分析步驟

（1） 通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)，獲取試件結(jié)構(gòu)不同區(qū)域裂紋萌生-擴(kuò)展-貫通過(guò)程的聲發(fā)射特征參數(shù)信息，以及這些信息與不同載荷階段產(chǎn)生的損傷類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 

（2） 得到不同損傷類型對(duì)應(yīng)的信號(hào)特征的幅值，確定不同損傷類型的頻率、能量等參數(shù)特征。 

（3） 針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，獲得不同試驗(yàn)階段裂紋損傷出現(xiàn)的嚴(yán)重程度，結(jié)合載荷特點(diǎn)與信號(hào)參數(shù)特征，采用不同的濾波屏蔽方式，噪聲濾波方法以及數(shù)據(jù)處理方法。 

4.3   a，b值選擇

材料a，b值（無(wú)單位）對(duì)應(yīng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和快速擴(kuò)展的起始點(diǎn)。因此試驗(yàn)中對(duì)裂紋的準(zhǔn)確捕捉及其對(duì)裂紋發(fā)展動(dòng)態(tài)的準(zhǔn)確掌握是研究的關(guān)鍵。根據(jù)文獻(xiàn)資料和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為裂紋擴(kuò)展過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)有如下一些特點(diǎn)，可以依據(jù)這些特征掌握裂紋的發(fā)展動(dòng)態(tài)。 

（1） 材料出現(xiàn)裂紋后，裂紋源附近通道的接收信號(hào)的撞擊數(shù)、事件數(shù)會(huì)逐漸增加。 

（2） 定位圖將出現(xiàn)裂紋源所在位置的定位點(diǎn)，并持續(xù)集中聚集。 

（3） 定位事件的曲線圖將出現(xiàn)拐點(diǎn)。 

（4） 定位事件的能量圖出現(xiàn)突增。 

（5） 頻譜圖會(huì)出現(xiàn)裂紋信號(hào)特征頻率并持續(xù)聚集。 

（6） 根據(jù)裂紋活動(dòng)信號(hào)到達(dá)探頭的時(shí)間可以初步判斷裂紋所在區(qū)域，根據(jù)到達(dá)附近探頭的信號(hào)幅值、能量大小關(guān)系可判斷裂紋源的位置情況。 

4.4   活強(qiáng)度取值

（1） 考慮到現(xiàn)有 NB/T 47013.9 標(biāo)準(zhǔn)最低采用 40 dB 門檻，以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程的背景噪聲水平接近或大于 40 dB，此次將低于 40 dB 的信號(hào)不作為a，b值的取值參考。 

（2） 強(qiáng)度取值參考如下階段：a值：塑性屈服階段（a值推薦），b值：強(qiáng)化階段（b值推薦）。 

（3） 拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，為了使表征強(qiáng)度的信號(hào)參數(shù)具有一致性，采用信號(hào)幅值參數(shù)作為強(qiáng)度的表征參數(shù)，其不受門檻影響，受軟件設(shè)置影響較小，受信號(hào)類型的影響較小。 

（4） 不同類型、不同編號(hào)的試件在加載過(guò)程中出現(xiàn)的信號(hào)幅值如表1~4所示。 

（5） 最后將表征a值、b值大小的數(shù)據(jù)由小到大排序，將最大的5個(gè)數(shù)值進(jìn)行平均，減小測(cè)試誤差，該均值較為接近損傷的參數(shù)表征數(shù)值。 

（6） 相同材料下，焊縫帶缺陷的幅值響應(yīng)較高，這也說(shuō)明缺陷對(duì)聲發(fā)射的貢獻(xiàn)程度和顯度都較高，這從理論上證明了聲發(fā)射對(duì)壓力容器活性缺陷的檢測(cè)能力是具備且足夠的。 

（7） 鑒于將來(lái)主要針對(duì)壓力容器進(jìn)行檢測(cè)的實(shí)際情況，認(rèn)為選擇焊縫帶缺陷的試件數(shù)據(jù)來(lái)取a，b值更有意義。故a，b值均取分布圖上最大的 5個(gè)數(shù)值進(jìn)行平均，所得均值作為推薦較為合理。 

鑒于實(shí)際容器結(jié)構(gòu)上的焊縫缺陷顯著聲發(fā)射程度可能大于試件的，因此按照試件試驗(yàn)確定的a，b值應(yīng)該是偏于保守和安全的，也就是具有更高靈敏度和較小缺陷的發(fā)現(xiàn)以及評(píng)價(jià)能力。因此將屈服階段作為聲發(fā)射強(qiáng)度閾值的a值的取值參考范圍；強(qiáng)化階段作為聲發(fā)射強(qiáng)度閾值的b值的取值參考范圍。 

對(duì)4種類型試件的5個(gè)樣本的拉伸幅值數(shù)據(jù)由小到大進(jìn)行排序，將40 dB以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和作圖顯示，a值排序結(jié)果如圖14所示，b值排序結(jié)果如圖15所示。 

圖  14  a值分布示意（由小到大排序）

圖  15  b值分布示意（由小到大排序）

5.   結(jié)論

通過(guò)系統(tǒng)性的拉伸試驗(yàn)和聲發(fā)射信號(hào)分析，對(duì)0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼材料的聲發(fā)射強(qiáng)度閾值進(jìn)行了定量研究，得到以下結(jié)論。 

（1）0Cr18Ni9Ti材料在屈服階段的聲發(fā)射強(qiáng)度閾值a值推薦范圍為58~73 dB，平均值為67.2 dB；在強(qiáng)化階段的b值推薦范圍為79~94 dB，平均值為84.2 dB。 

（2）焊縫帶缺陷試件的聲發(fā)射響應(yīng)最為顯著，其幅值響應(yīng)明顯高于其他類型試件的響應(yīng)，這一結(jié)果與理論預(yù)期相符，證實(shí)了聲發(fā)射技術(shù)對(duì)活性缺陷檢測(cè)的有效性。 

（3）試驗(yàn)結(jié)果為0Cr18Ni9Ti材料聲發(fā)射檢測(cè)提供了可靠的強(qiáng)度閾值參考依據(jù)，對(duì)壓力容器等承壓設(shè)備的聲發(fā)射檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)