孫國(guó)豪，柏明清，王 希，李建宏，潘家禎

（1.華東理工大學(xué)，上海 200237；2.獨(dú)山子石化公司研究院，新疆 833600）

容器聲發(fā)射檢測(cè)過(guò)程中，容器本體的缺陷狀況是檢測(cè)人員關(guān)心的問(wèn)題。缺陷隨應(yīng)力變化的活動(dòng)特性能夠被聲發(fā)射儀器接收，進(jìn)而可以評(píng)價(jià)容器的完整性。通過(guò)缺陷板拉伸試驗(yàn)可以很好地模擬容器缺陷受載狀態(tài)。本試驗(yàn)里，對(duì)制作的不同焊接缺陷試板進(jìn)行聲發(fā)射拉伸試驗(yàn)，通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)特征歸納常見缺陷的聲發(fā)射特性，由于裂紋類缺陷在很多論著［1－3］中大量提及，在此筆者著重對(duì)焊接缺陷的氣孔、夾渣及未焊透類缺陷進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)制備

選擇厚度為20 mm 的16MnR 鋼板進(jìn)行雙面焊，對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)，確定缺陷性質(zhì)，試板的焊接缺陷見表1。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)中選用美國(guó)PAC 公司生產(chǎn)的PCI－2型聲發(fā)射儀，傳感器型號(hào)為WD（寬頻）。拉伸試驗(yàn)在MTS－810型多功能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試板及傳感器位置見圖1。

表1 試板內(nèi)部焊接缺陷

圖1 拉伸試板及傳感器安裝位置

1.3 加載過(guò)程

試板在拉伸過(guò)程中以100N／s的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。為減少試驗(yàn)機(jī)卡具與試板夾持過(guò)程中的噪聲影響及驗(yàn)證kaiser效應(yīng)，先加載到162.337kN 時(shí)保持180s，后降至150.000kN 保持30s，加載到157.467kN，保持180s后再降至150.000kN 保持30s。隨后開始逐步加載直到試板斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析是研究?jī)山M數(shù)據(jù)的相關(guān)特性，其數(shù)學(xué)式表達(dá)如下：

式中ρxy為兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)；x，y為兩個(gè)變量。當(dāng)ρxy＞0時(shí)，x增加，y也增加，此時(shí)x與y正相關(guān)；ρxy＝1，x與y呈線性關(guān)系；當(dāng)ρxy＜0 時(shí)，x增加，y減少，x與y負(fù)相關(guān)；ρxy＝－1，線性減小；當(dāng)ρxy＝0，x與y不相關(guān)。

聲發(fā)射特征參數(shù)包含上升時(shí)間、計(jì)數(shù)、能量、幅值、持續(xù)時(shí)間和到峰計(jì)數(shù)等。研究材料的聲發(fā)射特性實(shí)際是研究聲發(fā)射特征參數(shù)的關(guān)系，用特征參數(shù)能夠清晰地表征材料的聲發(fā)射特性。但材料內(nèi)部的均一度影響特征參量的變化，如含有各種缺陷的材料，所以通過(guò)特征參量的相關(guān)性分析可以表征某一不連續(xù)結(jié)構(gòu)的特征變化，再對(duì)比無(wú)缺陷材料的特征，便可總結(jié)該類缺陷的特性。

表2 試板特征參量的相關(guān)性分析

從表2中可以看出，無(wú)缺陷試板與含缺陷試板在ρ的不同區(qū)段特征參量也不同。為尋找出特征缺陷的細(xì)節(jié)特點(diǎn)，對(duì)不同類型缺陷在ρ值為0.7～1.0范圍的相同特征參量進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見圖2～5。從圖2中可以看出，無(wú)缺陷試板計(jì)數(shù)集中分布在650個(gè)以下，僅有少量幅值超過(guò)80dB以上的點(diǎn)，信號(hào)點(diǎn)分布集中。未焊透缺陷試板計(jì)數(shù)點(diǎn)沿回歸線兩側(cè)分布，且分布范圍較大，多處計(jì)數(shù)值超過(guò)650個(gè)，且多點(diǎn)幅值在80dB 以上，未焊透造成試板承載應(yīng)力變大，且由于焊縫母材與基材的陡變聯(lián)結(jié)，致使在拉伸過(guò)程中開裂信號(hào)明顯，計(jì)數(shù)值分布范圍廣。氣孔缺陷由于應(yīng)力狀況屬緩滑過(guò)渡，在受到拉伸應(yīng)力時(shí)其彈性變形、屈服、強(qiáng)化及斷裂過(guò)程與無(wú)缺陷板性質(zhì)相似，故回歸分析后的結(jié)果也與無(wú)缺陷板相似。條形夾渣信號(hào)點(diǎn)的分布與未焊透缺陷相似，但不像未焊透缺陷在高計(jì)數(shù)值區(qū)間分布數(shù)量大，由于受力狀況比未焊透缺陷稍好，又缺陷與基材間界面的緩滑過(guò)渡（夾渣尖端應(yīng)力大，塑性變形一般先在此部位開始，當(dāng)應(yīng)力值超過(guò)界面基材抗拉強(qiáng)度時(shí)，先沿此部位開始斷裂，聲信號(hào)間斷式增加），所以在拉伸過(guò)程中高計(jì)數(shù)聲發(fā)射信號(hào)點(diǎn)少于未焊透缺陷。

從以上分析可知，高相關(guān)參量信號(hào)可以一定程度反映出缺陷的相似性特征，但由于缺陷不是以一種形式單獨(dú)存在，往往焊縫中一個(gè)部位同時(shí)存在多種不同類型缺陷，所以回歸分析后的信號(hào)也是上面幾種信號(hào)分布的結(jié)合，需要研究人員根據(jù)情況具體分析判斷。

2.2 參量累積分布特征分析

選取基本聲發(fā)射信號(hào)特性分析的計(jì)數(shù)和能量參量進(jìn)行累積分析。通過(guò)累積分析，可以判斷出無(wú)缺陷材料和缺陷材料在拉伸過(guò)程的活動(dòng)性及能量釋放情況，為完整性評(píng)價(jià)提供一定程度的支持。圖6～9為無(wú)缺陷材料與缺陷材料累積計(jì)數(shù)、能量－時(shí)間的關(guān)系圖。

從圖6～9可以看出，Kaiser效應(yīng)滿足任一狀態(tài)下的拉伸過(guò)程。無(wú)缺陷板與缺陷板的累積計(jì)數(shù)與累積能量隨時(shí)間變化趨勢(shì)不同。無(wú)缺陷板拉伸過(guò)程中累積計(jì)數(shù)與累積能量上升趨勢(shì)平緩，屈服點(diǎn)處累積計(jì)數(shù)略增加，累積能量變化不大，累積計(jì)數(shù)在10 000個(gè)左右；斷裂時(shí)累積計(jì)數(shù)為15 000個(gè)，整個(gè)拉伸過(guò)程累積能量15 000J左右（圖6）。未焊透缺陷試板拉伸過(guò)程累積計(jì)數(shù)變化較大，屈服時(shí)累積計(jì)數(shù)與累積能量均突然增加，且在3 200s時(shí)有個(gè)陡升的過(guò)程，對(duì)比圖6，該陡升點(diǎn)應(yīng)為缺陷塑變及微裂紋擴(kuò)展開始的點(diǎn)，斷裂時(shí)累積計(jì)數(shù)達(dá)到80 000個(gè)，而累積能量在15 000J左右（圖7）。氣孔缺陷試板屈服時(shí)的累積計(jì)數(shù)達(dá)到50 000 個(gè)，而累積能量達(dá)到10 000J，斷裂時(shí)累積計(jì)數(shù)達(dá)到85 000個(gè)，累積能量達(dá)到25 000J，陡升點(diǎn)在2 800s左右（圖8），由于氣孔的形狀特點(diǎn)，使含氣孔缺陷材料拉伸中能量不能連續(xù)快速釋放，隨著位錯(cuò)在氣孔周圍不斷塞積，位錯(cuò)間滑移的能量變大，使得累積能量在拉伸過(guò)程增加幅度較大，斷裂時(shí)，累積計(jì)數(shù)72 000個(gè)左右，累積能量達(dá)到25 000J左右。條形夾渣試板累積計(jì)數(shù)、累積能量在屈服點(diǎn)后開始迅速增加，且累積能量在3 510s左右時(shí)有個(gè)明顯陡升，此時(shí)條形夾渣開裂，在3 500～4 000s時(shí)間內(nèi)，裂紋逐步擴(kuò)展，累積能量增加迅速，斷裂時(shí)累積計(jì)數(shù)為55 000個(gè)左右，累積能量達(dá)到30 000J。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用相關(guān)性分析及特征參量累積分析可以確定某一類型含缺陷材料的聲發(fā)射特性。但由于缺陷的形狀特征、尺寸及混合特性不同，得出的特性曲線、特征點(diǎn)也不同，試驗(yàn)中應(yīng)盡可能建立多種缺陷材料的聲發(fā)射特性數(shù)據(jù)，以有利于檢測(cè)人員更好地評(píng)估設(shè)備材料的完整性。

（2）材料聲發(fā)射特性試驗(yàn)分析的手段方法不同，得出細(xì)節(jié)差異性可能也不同，在現(xiàn)有理論研究［4－6］基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)一步研究拓展新的方法［7］，不斷提高定量分析的準(zhǔn)確性。

［1］ 何舒，馬宇寬，楊建波.含不同缺陷的金屬材料聲發(fā)射特性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，33（4）：21－25.

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