王瑞恩，張萬(wàn)嶺，沈功田，李麗菲

（1.河北大學(xué)，保定 071000；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

目前在我國(guó)鈦的應(yīng)用主要有兩個(gè)領(lǐng)域：由于鈦的密度小、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，鈦在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，代表性的合金類型是Ti6Al4V；另一方面鈦具有優(yōu)異的耐蝕性，大量用于石化設(shè)備，代表性的合金類型為工業(yè)純鈦及耐蝕低合金鈦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)鈦材產(chǎn)量的80%都用于石化設(shè)備，而包括熱交換器在內(nèi)的容器類的用鈦量約占石化設(shè)備用鈦量的75%［1］。聲發(fā)射技術(shù)作為一種先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，在壓力容器的檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。但從分析目前聲發(fā)射在鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，其主要應(yīng)用方向集中在航空航天領(lǐng)域，而對(duì)工業(yè)領(lǐng)域使用的鈦材壓力容器聲發(fā)射特性研究很少，我國(guó)頒布的GB／T 18182—2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)有給出鈦材的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度判據(jù)。為此國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目中專門列出了一個(gè)研究任務(wù)開展對(duì)鈦材壓力容器聲發(fā)射特征研究。文章通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同厚度的GR2鈦板材的聲發(fā)射衰減特性研究，為后期鈦制壓力容器的聲發(fā)射研究提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)儀器采用德國(guó)Vallen公司生產(chǎn)的8通道聲發(fā)射儀，傳感器型號(hào)為R150型，其中心頻率為150kHz，該儀器配套軟件可以同時(shí)采集記錄聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)、波形數(shù)據(jù)，并可存儲(chǔ)、回放等。試驗(yàn)材料選用同牌號(hào)不同厚度的3張鈦板材，具體情況見(jiàn)表1所示。

表1 GR2系列的板材情況

2 試驗(yàn)過(guò)程

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程參考GB／T 18182標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由于信號(hào)發(fā)生器相對(duì)斷鉛而言所發(fā)出的信號(hào)穩(wěn)定，故采用信號(hào)發(fā)生器作為模擬源，且發(fā)出的信號(hào)均為f＝1MHz的正弦信號(hào)，每觸發(fā)一次發(fā)出一個(gè)周期信號(hào)。耦合劑采用真空脂，由于板材均為水平置于地面，故傳感器不用固定，使用相同的力耦合在板材表面即可。聲發(fā)射儀器門檻值設(shè)置為50dB，采樣頻率5MHz，采樣點(diǎn)數(shù)8 192，預(yù)采樣3 200。試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程模擬圖

1號(hào)探頭作為發(fā)射探頭，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出信號(hào)；3號(hào)探頭作為監(jiān)測(cè)探頭，距離發(fā)射探頭20cm，目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射探頭是否耦合良好；2號(hào)作為移動(dòng)探頭，從距離發(fā)射探頭5cm處開始往后每隔一段距離測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的幅度，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3～5次。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 波形分析

工程中大量使用的板狀結(jié)構(gòu)其厚度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸，給予一定的激勵(lì)條件在其中形成的是板波（Lamb波）。而一般情況下，板中波的傳播是多階對(duì)稱波（即擴(kuò)展波S）和反對(duì)稱波（即彎曲波A）的組合（這兩種波會(huì)相互耦合）［3］。但是在絕大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)AE檢測(cè)過(guò)程中，傳感器主要頻段大概是幾百千赫茲，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，認(rèn)為在板中起主導(dǎo)作用的是最低階對(duì)稱波S0和反對(duì)稱波A0。當(dāng)激勵(lì)源作用力方向與板平面垂直時(shí)，在板中主要產(chǎn)生彎曲波；當(dāng)激勵(lì)源作用力方向沿板平面方向時(shí)，在板中主要產(chǎn)生擴(kuò)展波［4］。而在該試驗(yàn)中激勵(lì)源作用力方向與板平面垂直，所以在板中產(chǎn)生的主要是彎曲波。該板材典型的AE信號(hào)波形及頻譜如圖2所示。其中波形由幅度較小的彎曲波和幅度較大的擴(kuò)展波組成，頻率有兩個(gè)峰值，分別是150和350kHz。

圖2 信號(hào)波形與頻譜圖

3.2 幅度分析

該組試驗(yàn)主要目的之一是研究同種材質(zhì)不同厚度情況下聲波幅度的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)板表面不同點(diǎn)處聲波幅度的測(cè)量，并且利用Matlab軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到幅度衰減情況如圖3所示。

圖3 幅度衰減曲線圖

從上圖可以看出，在100cm之前波幅的衰減非常明顯，在100cm之后其衰減趨勢(shì)逐漸放緩。而且隨著板厚的增加其衰減程度增加，20cm的板材在300cm范圍內(nèi)衰減24dB左右，6cm的板材在300cm范圍內(nèi)衰減只有12dB左右。所以按GB／T 18182標(biāo)準(zhǔn)，聲發(fā)射探頭的間距可以大于3m。

耿榮生等人在其文章中曾經(jīng)推導(dǎo)出幅度與板厚的關(guān)系為［5］：

式中ζ0為接收信號(hào)幅度；F為外力作用力；б為泊松比；E為楊氏模量；ω為角頻率；h為板厚。

該公式說(shuō)明接收信號(hào)的幅度與頻率和板厚的乘積成反比的關(guān)系。由于試驗(yàn)中的信號(hào)取自于統(tǒng)一設(shè)置的信號(hào)發(fā)生器，所以外力作用力F假定不變；又由于試驗(yàn)所用板材同為GR2系列，所以泊松比和楊氏模量也是一定的；至于頻率，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該三種厚度板材的接受頻率均在100～400kHz頻帶之間且很相似，故可以假設(shè)他們也是一致的。這樣就可以認(rèn)為幅度的衰減隨著厚度的增加而增加，但并非線性關(guān)系。

3.3 波速分析

通過(guò)對(duì)三種板材每個(gè)點(diǎn)波速的計(jì)算，并且進(jìn)行Matlab擬合，得到波速情況如圖4所示。

圖4 波速波動(dòng)曲線圖

通過(guò)分析，在前100cm范圍內(nèi)，由于距離較近，波速未拉開，波的傳播模式較復(fù)雜；但在前100cm范圍內(nèi)，波速的波動(dòng)隨著厚度的增加逐漸趨于平穩(wěn)。而在100～300cm范圍內(nèi)，三種板材的波速都逐漸趨向于3 000m／s左右。通過(guò)Vallen軟件中的Dispersion軟件對(duì)不同厚度鈦的波速進(jìn)行模擬，得到圖5所示（箭頭所指）曲線。

由于該試驗(yàn)中探頭使用的R150型，其中心頻率為0.15MHz，箭頭所指曲線即為最低階反對(duì)稱波 A0（彎曲波），它在0.15kHz處的波速為3 000m／s左右。該結(jié)果與試驗(yàn)所測(cè)波速基本吻合。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)中三種不同厚度GR2板材的衰減程度從大到小依次為20，10，6cm。在300cm范圍之內(nèi)，20cm厚板材衰減24dB左右，6cm厚板材衰減12dB左右，且在前100cm范圍內(nèi)幅度的衰減趨勢(shì)較大，而在100～300cm之間衰減趨勢(shì)較為平坦。所以按GB／T 18182標(biāo)準(zhǔn)，聲發(fā)射探頭的布置間距可以大于3m。

（2）厚度對(duì)波速影響不是很大，三種厚度板材的波速在100cm范圍之內(nèi)由于邊緣效應(yīng)的影響波速波動(dòng)范圍較大，但隨著厚度的增加，波速的波動(dòng)逐漸平緩。100～300cm范圍內(nèi)波速逐漸穩(wěn)定于3 000m／s。

圖5 鈦材波速圖

［1］黃嘉琥.有色金屬制容器［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008（10）：235－236.

［2］沈功田，李金海.壓力容器無(wú)損檢測(cè)——聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2004，26（9）：457－463.

［3］耿榮生，景鵬.聲發(fā)射波形分析技術(shù)在復(fù)合材料故障評(píng)價(jià)中的作用［J］.無(wú)損檢測(cè)，1999，21（7）：289－296.

［4］Prosser W H，Hamstad M A，et al.Reflections of wave in finite plates：finite elements modeling and experimental measurements［J］.Journal of Acoustic E－mission，1999，17（1－2）：37－47.

［5］耿榮生，沈功田，劉時(shí)風(fēng).模態(tài)聲發(fā)射基本理論［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，24（7）：302－306.