点击接通在线客服
电磁声发射技术在无损检测中的应用
【来源/作者】奥科官网 【更新日期】2017-01-16

1 引言

物体在受到形变或外界作用时,因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象称为声发射(Acoustic Emission,AE)。当材料中有声发射现象发生时,由声源发射出的每一个声发射信号都包含了材料内部结构或缺陷性质和状态变化的丰富信息。

声发射检测是一种动态无损检测方法,声发射探测到的能量来自被测试物体本身,而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供。它能够探测到在外加应力下缺陷的活动情况,可提供活性缺陷随载荷、时间和温度等外变量而变化的实时或连续信息。但是传统的声发射检测需要机械加载使整个结构或材料受力,经常引起附加损伤,并且大型构件的整体加载比较困难[1]。

电磁声发射技术是一种新型的无损检测技术,它通过对导电部件进行电磁加载产生洛仑兹力,进而激发声发射效应,并通过这个效应来进行无损检测。因此,电磁声发射技术具有电磁加载和声发射检测的优点。将电磁加载应用到声发射无损检测中,不仅具有声发射动态检测的优点,而且由于缺陷本身是应力波发生源,因此可以用来检测和定位构件上隐藏的微小裂缝。

由电磁感应在导体材料中感应涡流产生超声波进行无损探伤已经是一个成熟的技术[2-3],但通过电磁加载在导体材料中激发声发射却是一个新的概念。流经金属导体的电流在缺陷部位(如气孔、裂缝或夹杂物)会产生集中现象,即缺陷部位的电流密度明显大于缺陷周围,尤其是在裂缝型缺陷的尖端,其电流密度比其他地方的电流密度大一个数量级。在电磁场的作用下,在导体缺陷部位会产生使缺陷进一步扩展的洛仑兹力,进而产生声发射信号。

利用电磁激励产生声发射信号来定位小的缺陷或裂缝,可以做到对特定区域的检测而不用对整个构件加载。构件可以在线进行检测,无需拆卸或制作工装。电磁声发射可根据需要进行加载,从而减少了传统声发射长期加载的时间要求。这种方法在飞机航行器、大的复杂铸件及多层接合材料中,对检测缺陷的类型及数量具有良好的发展潜力。

美国学者 P. Finkel 等人使用局部动态电磁加载成功地在薄板裂缝缺陷处产生了声发射信号[1,4],并对电流分布进行了有限元模拟,证实了电磁声发射技术用于薄金属件无损检测的能力。虽然 P. Finkel等人并未对电磁声发射机理作细致地研究,但却指出在理论上确定电流脉冲和外部磁场的参数,通过数值仿真而优化参数是非常有必要的[1]。在国内,河北工业大学最早对电磁声发射技术进行了研究[5]。在此基础上,本文分析了电磁声发射缺陷处形变的大小及其形成原因,研究了缺陷的形变与加载条件的关系,其中电流脉冲和外部磁场对电磁声发射缺陷处形变的影响是研究重点。在数值分析的基础上进行了电磁声发射实验,给带有圆孔和裂纹的薄金属板施加脉冲电流,得到了电磁声发射信号,并成功地定位出了缺陷位置。

2 电磁声发射有限元模型及仿真

电磁声发射技术主要用于薄金属板部件的无损检测。对薄金属板通过短时大电流,进而激发薄板振动而产生声波。因此,建立电磁声发射的数学模型,要能够反映电磁声发射的特点,并能够得到尽可能强的电磁声发射信号。

本文采用的模型是一块矩形薄铜板,在铜板上有一个圆孔。在应力作用下,在圆孔上往往会因为应力集中的疲劳效应而产生裂纹,因此在圆孔正上方用一个三角形来模拟裂纹,如图 1 所示。

模型主要参数为:①几何参数:铜板长度为0.1m,宽度为 0.05m,厚度为 0.001m;②物理参数:相对磁导率r=1,电阻率ρ=5×10-8 ·m,弹性模量E=6.9 × 1010Pa , 泊 松 比 μ=0.3 , 密 度 m=8.9 ×103kg/m3,比热容 c=386kJ/(kg·K)。本文图中未单独标注单位的,均采用国际单位制。

设三维体域的位移、应变和应力分别记为 uij、εij和σij,指标 i、j 和 k 的值域为 1、2 和 3。场变量 H 对时间和空间的求导运算简记为

式中,fi为单位体积上的体力分量;m 为材料密度;δij为克罗内克符号(Kronecker);λ为 Lame 弹性常数;G 为剪切模量;并且

式中,E 和μ分别为材料的弹性模量和泊松比。

电磁声发射是通过电磁加载产生声发射响应,本质上说是一个电磁-应力耦合问题。导体缺陷部位通过的大密度电流将会在缺陷表面施加一个电磁力,这也是激发通电铜板产生声发射现象的力载荷。

金属中的电子流在力的作用下,通过晶格碰撞等物理作用而产生声波振动。因此,各向同性弹性介质中声波传输方程为

式中,F 为电磁力。

电磁声发射有两种电磁加载方式,一种是对被测试件直接通以短时大电流,另一种是通过涡流线圈在被测试件上感应涡流进行加载。两种方法只是短时大电流产生的方法不一样,但是激发电磁声发射现象的原理是一样的。本文采用第一种加载方法,即对被测试件直接通以短时大电流,如图 2 所示。

图 3 为实验试件的电流密度矢量图,矢量的长度代表了电流的幅值,矢量的根部位于节点上。从图中可以清晰地看出电流在缺陷尖端处产生了集中效应,使得裂缝尖端的电流密度比周围大一个数量级。缺陷尖端就好像一个单匝螺线管线圈,缺陷处的高电流密度和集中的磁通在缺陷处激发的电磁力远大于在其他部位的电磁力。因为缺陷尖端两侧的电流方向相反,因而其缺陷两侧的电磁力方向相反,电磁力的存在使得缺陷扩大了。

合适的电流密度可以仅产生声发射信号而不会使缺陷扩展。这种电和声的耦合机制类似于电磁声换能器,所不同的是在静磁场存在下,被测试件是一个应力波发生源。因此,局部电磁力可以产生声波,通过普通的超声或者声发射换能器来检测。

3 不同加载条件下的形变

本模型为开域问题,零磁动势参考点本应该选为无限远处,但为了简化计算,假定试件模型厚度方向 10mm(铜板厚度的 10 倍)处和距离试件中心圆孔径向 25mm(铜板宽度的 5 倍)处磁动势为零。采用一个矩形导体面电极加载电流,采用基于力和位移的收敛判据[7]。试件附近的空气场单元赋予很小的弹性模量,通过空气单元的变形来反映试件边界的形变。

3.1 电流加载位置与形变的关系

加载电流的电极位置在试件的下沿,两电极内沿的间距 D 分别为 0.02m、0.04m、0.06m 和 0.08m,电极的宽度 w=0.005m,电流的加载曲线为斜率 2×106的直线,加载时间为 1ms。通过赋予试件底部薄空气层弹性模量属性的方法施加位移约束,空气层弹性模量等于试件的弹性模量,确保实际的形变不低于有限元分析的计算值。

图 4a 所示的是未变形的试件边界以及加载电流后的试件边界(形变放大后的边界)。在试件的中心位置,由圆孔和三角形组成的图形有两个。一个为施加激励前的边界,边界的形状为标准的圆形和三角形;另一个为施加激励后的边界,边界的形状已经微微变形。电流和磁场激发的洛仑兹力不仅使裂缝扩大了,而且发生了平移。裂缝顶点处的形变向周围扩散,且因为模型几何形状的原因,形变最大值并未出现在裂缝处,而是出现在电极的附近。

 

图 4b 所示的是沿裂缝方向和起点位于裂缝顶点的形变。随着电极间距的加大,形变逐渐减小、形变的分布逐渐扩散,D=0.06m 与 D=0.08m 的形变基本相同。应力波的产生与应力波发射处的能量释放速度与周围的形变差有关,因此只要保证裂缝的形变明显区别于周围的形变就可以保证由缺陷处能产生强的声发射[8]。

3.2 电流大小与形变的关系

缺陷顶点处的形变最大值发生在电极间距D=0.02m 的情况下,此时形变的分布最为理想(形变的值和梯度最大)。在此加载条件下,计算不同加载电流的试件形变。电流的加载曲线为斜率等于1×106的直线,加载时间为 1ms。

图 5 为试件裂缝顶点处的形变和加载电流的关系,其中形变取该点的最大形变值。形变随加载电流的增加而变大,形变与电流的关系曲线近似为抛物线。

普通声发射压电传感器检测的振动幅值为10 7~10 14m。考虑到噪声和形变能量未完全释放及仪器灵敏度等因素,10 11m 形变数量级足以满足缺陷检测的需要。若加载电流过大,局部的高电流密度会使裂纹扩展,甚至产生新的裂纹。

3.3 电流加载时间与形变的关系

电流加载位置和 3.2 节相同。在此加载条件下,计算不同加载时间的裂缝顶点处的最大形变。图 6为加载时间和形变关系曲线。形变随加载时间的增大而减小,这说明电磁声发射中形变的加速度效应是存在的,且加速度效应在电流加载时间越小时越明显,但是形变的变化很小,说明形变对加载时间不敏感。

声发射具有凯塞效应,延长加载时间并不会对声发射的特征造成明显影响。而电极的位置和加载电流的幅值直接决定了缺陷处电流密度的分布,从而确定了缺陷处磁场强度 B 的分布,进而使得形变的变化服从于电极和电流的变化。

3.4 外加磁场条件下的形变

研究外加磁场对电磁声发射效应的影响。外加磁场由永磁体提供,永磁体的磁场方向和加载电流在裂缝尖端处产生的磁通方向一致,大小为 0.65T。

图 7 与图 4a 除了外加磁场外,其他边界条件和外加激励均一样。从两张图的形变分布来看,外加磁场后,试件的形变有了明显地加大,且形变的分布有了明显的扩散。

4 试件的温升计算

下表中的温度均为试件最高温度,假设环境温度为 25℃。

加载时间对温升的大小影响很大,对温升的分布影响很小,而加载电流的大小对缺陷处温升的大小影响很小,对温升的分布影响比较大。试件为厚度仅为1mm 的薄铜板,而铜是电和热的良导体,因此试件的温升很低,且由温升引起的形变数量级在 10 14m。

由于铜的熔点为 1084.88℃,从理论上来讲,加载电流不是很长时,试件不会发生不可逆的破坏。实际中,应该控制电流加载时间,避免试件温度过高并由其引起的热应力以及由此引起的声发射。

5 实验结果

利用电容器的储能特性,设计了一种脉冲大电流发生装置。先对其以小电流充电,然后再以大电流瞬间放电来获得电磁声发射所需的脉冲大电流。图 8 为储能电容为 2200μF 的电容放电的情况,此时检测电阻(阻值为 3.75m )两端电压达到 8V,输出电流最高可达 2100A,电流持续时间约为280μs。

在试件中通入上述脉冲大电流(如图 2 所示),得到了图 9 所示的电磁声发射信号。对信号进行处理分析,利用时差定位的方法定位发生声发射的具体位置,其定位结果如图 10 所示。图形所示的定位位置与试件裂纹尖端位置基本一致,和前面的理论分析相吻合。

6 结论

目前电磁声发射还处在实验室阶段,实验条件很高,因而寻求用数值模拟的方法对其进行分析来降低实验费用和缩短实验时间是很有必要的。本文采用有限元方法对电磁激励产生声发射效应进行了分析,研究了电流脉冲和外部磁场对电磁声发射信号的影响并进行了电磁声发射实验,实验结果和理论分析相吻合。

将电磁加载应用于声发射,目前刚刚起步,还需要进一步地研究,今后电磁声发射的研究重点是:

(1)进一步研究电磁声发射的规律,尤其是不同类型加载电流的声信号特点,并将声发射理论进一步应用到电磁声发射中,进一步降低声信号的噪声干扰。

(2)研究涡流加载。涡流加载可以使能量更加集中于缺陷,降低完好区域声发射的干扰,在相同声发射强度的条件下,采用涡流加载可以极大地降低对电源输出幅值方面的要求。

摘自:中国计量测控网


【关键词】电磁声发射,无损检测,奥科官网,北京世纪奥科 

<< 上一篇:数字地震仪在精密装置支撑结构微振动分析中的应用

>> 下一篇:空间假彩色编码的频谱分析及实现