SA508低合金钢焊缝疲劳裂纹声发射信号特征识别研究

　　摘 要： 利用声发射(AE)检测技术，对核电主设备SA508低合金钢焊缝疲劳裂纹的萌生、扩展和断裂阶段进行特征识别研究。对SA508低合金钢焊缝试样进行循环加载，模拟焊缝疲劳裂纹产生过程;采用DSP信号采集系统，采集得到不同阶段的声发射特征。研究发现：1)裂纹在不同阶段下声发射信号的时域特征与理论研究相符;2)在频域下，裂纹萌生、扩展阶段的声发射信号频率成分主要集中在430 kHz以内，断裂阶段出现更高的频率成分;3)幅度、持续时间、上升时间、振铃计数、能量这五个特征参数在不同阶段变化显著，可用于不同阶段下声发射信号的识别。

　　本文源自工业技术创新 2020年5期《工业技术创新》是由中国电子信息产业发展研究院和工业和信息化部部长主办的国家科技学术期刊。该报主要面向工业技术创新领域的相关产业部门、工业企业、科研创新学术交流平台、技术创新成果宣传转化领域以及战略政策研究的理论讨论阵地。该杂志的宗旨是促进产业技术创新，促进产业转型升级，为建设创新型国家服务。

　　关键词： 声发射信号特征识别;SA508低合金钢;焊缝疲劳裂纹;特征参数;频率成分

　　引言

　　声发射(AE)检测技术区别于超声波、X-射线等常规技术，是融合了无损检测[1]、动态无损检测优势的技术，可以实时监测缺陷的萌生、扩展及断裂过程，通过对声特征信号进行处理分析来判断缺陷的活动性和严重性。声发射检测技术已在液化石油瓶等压力容器的焊缝品质检测、柴油发动机等设备中滚动接触元件的疲劳裂纹检测中得到了广泛应用[2]。

　　核电主设备一般选用SA508低合金钢作为承压容器材料。虽然材料在制造过程中经过了严格的检验，但由于长期受高温、高辐照、压力波动等严苛环境的影响，其出现焊缝疲劳裂纹等缺陷的风险加大，将影响压力边界的完整性，因此非常有必要引入监测手段对重要部位的焊缝进行实时监测。

　　声发射监测系统应用于核电主设备焊缝疲劳裂纹检测，可以对设备运行状态进行监测和评价。本文利用实验室现有设备，搭建焊缝疲劳裂纹声发射监测平台，捕捉和采集裂纹萌生、扩展及断裂等阶段的信号特征，对不同阶段信号的特征参数进行时域、频域分析，找出相互间的特征差别，为核电主设备焊缝疲劳裂纹声发射监测系统的成功研制提供理论与试验支持。

　　1 声发射检测技术基本原理

　　当材料、零部件内部局部区域受到外力或内力作用时，该区域所承受的应力高度集中，使材料缺陷部位产生塑性变形、裂纹及相变，并通过滑移、位错、开裂、晶界突然改变取向[3]等方式迅速释放出能量。声发射检测技术就是对上述异常进行探测的。

　　声发射检测技术基本原理是利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头，将材料内声发射源产生的弹性波转化为电信号，对电信号进行放大和处理，使之特性化，并予以显示和记录，从而获得来自材料内与裂纹等缺陷相关的声信息;通过对声发射源波形及特征参数进行分析，可以推演出材料内部的缺陷情况[4]。

　　大量的研究表明，金属缺陷的声发射信号幅度范围可从数微伏到上百伏，频率范围主要集中在400 kHz以内。

　　2 试验台设计和声发射信号噪声处理

　　2.1 试验台设计

　　图1为试验台构架示意图。试验系统包括：

　　(1)10吨INSTRON试验机;

　　(2)中心频率为150 kHz(带宽20 kHz～400 kHz)的声发射传感器;

　　(3)增益为40 dB的前置放大器;

　　(4)北京软岛科技有限公司DS5-8A/B 8通道DSP数据采集系统，2.5 M采样频率;

　　(5)焊缝试样：材料SA-508 Gr.3 Cl.2，试样尺寸200 mm×50 mm×5 mm，试样1/2处预制20 mm×0.5 mm裂纹。

　　2.2 循环加载曲线

　　为更好地模拟焊缝疲劳裂纹产生过程，对焊缝试样施加平均拉力为30 kN、幅度为10 kN、加载频率为10 Hz的拉—拉循环载荷。图2为循环加载曲线。

　　2.3 声发射信号噪声处理

　　由于声发射源在实际检测中具有复杂性和不确定性，为获取有效的声源信息，试验中采取接地和提高采集门槛(门槛值设置为200 mV)的方式，降低疲劳试验机产生的电磁波干扰、振动干扰等。

　　3 焊缝疲劳裂纹在不同阶段下声发射信号的时域、频域特征分析

　　3.1 时域特征分析

　　理论研究发现，裂纹萌生阶段的声发射信号幅值发生较大突变，意味着材料开始出现损伤;裂纹扩展阶段，声发射信号出现异常，信号幅值大幅增加，表明裂纹继续扩展，出现明显的宏观裂纹;裂纹断裂阶段，出现极大幅值的声发射信号[5]。

　　在第22 957次循环时，声发射信号幅值发生较大突变。如图3a所示，预制裂纹尖端处出现明显的“痕迹”，产生塑性变形区，结构開始出现损伤，伴随裂纹萌生现象。由图3b可知，裂纹萌生时，声发射信号幅值确实出现了较大突变，最大峰值达322 mV。

　　当循环数达到30 727时，声发射信号突然发生异常。如图4a所示，结构出现明显的裂痕，裂纹呈现不断扩展趋势。由图4b可知，当裂纹扩展时，声发射信号幅值大幅增加，最大峰值达526 mV。

　　当循环数在30 727～43 227时，裂纹继续产生且快速扩展，出现明显的宏观裂纹。本文将这一阶段称作裂纹再扩展阶段。

　　如图5a所示，当循环数达到44 077时，裂纹瞬间断裂。由图5b可知，裂纹断裂时出现极大幅值声发射信号，最小峰值达-2.8 V，最大峰值达3.79 V，且持续时间极短，为典型的突发型信号。

　　综上，焊缝疲劳裂纹在三个阶段下的声发射信号特征与理论研究吻合。

　　3.2 频域特征分析

　　从理论上讲，时域信号并不能反映出所有的信号特征信息，而频域信号可以对时域信号所不能识别的信息加以反映[6]。为进一步了解焊縫疲劳裂纹三个阶段下的声发射信号差别，对三个阶段下的时域信号进行频域分析。图6a、6b、6c分别为裂纹萌生、裂纹扩展及裂纹再扩展阶段的声发射信号频谱图，信号频率成分集中在0～430 kHz范围内，峰值频率在150 kHz左右。裂纹萌生阶段，90 kHz～180 kHz频率下的信号成分较为活跃;裂纹扩展阶段，110 kHz～190 kHz频率下的信号成分较为活跃。图6d为裂纹断裂阶段的频谱图，声发射信号的幅值大幅增加，最大幅值接近0.18 V。此外，裂纹断裂信号与裂纹萌生、扩展、再扩展信号相比具有更高的频率成分，在430 kHz～800 kHz范围内，频率成分增加明显，说明材料内部释放出更多的应变能。

　　4 焊缝疲劳裂纹声发射信号特征参数

　　通过DS5-8A/B 8通道DSP数据采集系统，采集得到裂纹在不同阶段下的声发射特征参数：幅度(a1)、持续时间(a2)、上升时间(a3)、振铃计数(a4)、上升计数(a5)、能量(a6)、有效电压(a7)、平均信号电平(a8)、质心频率(a9)、峰值频率(a10)。选取裂纹不同阶段下典型的36组采样数据，如表1所示。其中，序号1～13为裂纹萌生阶段、14～25为裂纹扩展(再扩展)阶段、26～36为裂纹断裂阶段。对数据进行对比分析，发现幅度、持续时间、上升时间、振铃计数及能量这五个参数变化较为显著，可用作裂纹萌生、扩展及断裂的趋势表征参数。

　　5 结论

　　(1)时域特征分析结果表明：裂纹萌生阶段，声发射信号幅值发生较大突变;裂纹扩展阶段，声发射信号出现异常，信号幅值大幅增加;裂纹断裂阶段，出现极大幅值的声发射信号。试验得到的时域特征与理论吻合。

　　(2)频域特征分析结果表明：裂纹萌生、扩展及断裂三个阶段下的声发射信号频率成分不同。裂纹萌生和扩展阶段的频率成分主要集中在430 kHz以内;裂纹断裂阶段出现更高的频率成分，430～800kHz范围内的频率成分更为显著。

　　(3)声发射信号特征参数对比分析表明：幅度、持续时间、上升时间、振铃计数、能量这五个参数在不同阶段变化较为显著，可用作裂纹在不同阶段下的趋势表征参数。

　　致谢

　　感谢课题牵头单位中国特种设备检测研究院的大力支持，感谢北京化工大学马波教授的技术支持，感谢审稿专家的辛勤劳动及细致审查!

　　基金项目

　　“国家重点研发计划”(The National Key Research and Development Program of China)资助，课题编号：2018YFF0214702。)

　　参考文献

　　[1] 崔卫东， 焦昌峰， 高庆伟. 声发射检测技术在压力容器检验中的应用 [J]. 广州化工， 2012， 40(4)： 78-80.

　　[2] 韦花貌. 声发射传播特性及传导方式的研究综述[J]. 装备制造技术， 2012(8)： 123-126.

　　[3] 成建国， 毛汉领， 黄振峰， 等. 金属材料声发射信号特征提取方法[J]. 声学技术， 2008， 27(3)： 309-314.

　　[4] 伍蒋军， 黄振峰， 毛汉领. 金属拉伸声发射信号特征分析[J]. 浙江工业大学学报， 2011， 39(3)： 301-303.

　　[5] 韩晖， 肖迎春， 白生宝， 等. 金属疲劳裂纹声发射特性分析及检测概率研究[J]. 科学技术与工程， 2014， 14(23)： 51-55.

　　[6] 李光海， 刘时风. 声发射信号分析技术及进展[C]//哈尔滨： 中国第十届声发射学术研讨会， 2004.