趙超凡，王淑娟，鄧超然，劉雨桐

(1.哈爾濱工業(yè)大學電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001；2.吉林油田二氧化碳捕集埋存與提高采收率(CCS-EOR)開發(fā)公司，吉林松原 138000)

0 引言

鋁合金作為一種具有優(yōu)秀剛度與強度性能的合金，被廣泛應用于航空航天、交通運輸、機電制造等領域。在使用過程中，鋁合金材料經(jīng)常需要承受拉伸應力，超載的應力會造成鋁合金材料損傷、變形以及力學性能的改變，進而可能導致其機械結構的破壞產(chǎn)生嚴重事故。使用無損檢測技術準確評估鋁合金材料因拉伸應力超載而導致的損傷對于確保其安全可靠地使用具有重要意義，也是無損檢測與評估領域的研究熱點[1]。

常用的無損檢測與評估技術主要有超聲、渦流、射線、磁粉、滲透等。其中超聲具有技術成熟、成本低等優(yōu)點，因此被廣泛應用于無損檢測與評估領域[2]。按照換能方式區(qū)分，可以將超聲分為壓電超聲、電磁超聲、激光超聲3種。其中壓電超聲換能效率最高，但壓電片與耦合劑的種類、厚度、均勻度以及壓電片內(nèi)的諧振會對應力和損傷評估的準確度產(chǎn)生較大的影響；激光超聲成本高，而且對被測材料表面粗糙度要求高；電磁超聲具有非接觸，無需耦合劑，對被測材料表面粗糙度要求低等優(yōu)點，適合應用于金屬材料無損檢測中，但是較低的換能效率是其應用于實際檢測的主要限制因素[3]。電磁超聲諧振(electromagnetic acoustic resonance，EMAR)技術是將電磁超聲技術與聲諧振原理相結合的技術，通過電磁耦合方式激發(fā)和接收超聲波，并且使超聲波在試件內(nèi)形成諧振，多次回波相疊加，能夠有效增強信號強度，解決了換能效率低的問題，還具有非接觸、無需耦合劑檢測的優(yōu)點[4]。通過測量聲波的渡越時間(time of flight，TOF)對材料進行檢測是超聲檢測中常用的方法，可以結合聲速用于精準測厚，以及根據(jù)聲彈性效應測量應力等[5-6]，但是不能用于評估材料內(nèi)部損傷。聲波的非線性效應是指機械振動在材料內(nèi)與晶粒相互作用下激發(fā)出高次諧波的現(xiàn)象，非線性超聲檢測技術是基于聲波的非線性效應檢測與評估材料損傷的方法。但是由于聲波非線性效應屬于一種弱效應，一般方法難以檢測到高次諧波的產(chǎn)生，而EMAR可以將微弱的高次諧波相疊加，令其幅度達到可檢測的程度，因此可以利用EMAR技術進行非線性超聲檢測?；贓MAR技術，通過單頻連續(xù)波激勵的方式，可以分析不同塑性損傷的鋼板頻譜，從而監(jiān)測早期塑性變形[7-8]；或者通過測量基波與高次諧波幅值比來表征材料非線性，進而評估材料熱損傷等[9]。但上述所使用方法均為測量單一諧振頻率激勵時的非線性情況，具有一些偶然性。因此，本文提出一種檢測多諧振頻率激勵的非線性EMAR檢測方法，可以在一定程度上消除單一諧振頻率激勵的偶然性，進而得到6061鋁合金拉伸損傷與試件非線性之間的準確關系。

1 非線性EMAR技術

EMAR發(fā)射與接收聲波都通過電磁超聲換能器(electromagnetic acoustic transducer，EMAT)實現(xiàn)。EMAT有3種主要的換能機理：洛倫茲力、磁致伸縮力及磁化力。本文采用基于洛倫茲力換能的EMAT，其原理和換能過程如圖1所示。電磁超聲換能器由永磁鐵(提供偏置磁場)、線圈(提供交變電流)和金屬材料(感應渦流、產(chǎn)生洛倫茲力、形成超聲波)組成。相比于壓電超聲，EMAT的顯著特點就是換能過程的非接觸性，超聲波自發(fā)射至接收只在試件內(nèi)傳播，這就避免了壓電超聲中聲波在壓電片和耦合劑內(nèi)傳播的影響。

圖1 洛倫茲力EMAT換能過程

相比于壓電超聲，EMAT另一個顯著的特點是換能效率遠低于傳統(tǒng)的壓電超聲換能器。解決EMAT換能效率低的方法有增加激勵EMAT的信號功率、收發(fā)線圈前端增加匹配網(wǎng)絡等[10]。本文中提到的EMAR也可以有效解決EMAT換能效率低的問題。

EMAR通常采用長時多周波的連續(xù)波信號激勵。超聲波在材料中產(chǎn)生諧振時，滿足以下關系：

T0=nT

(1)

(2)

式中：T0為聲波經(jīng)反射往返一次的時間；T為聲波周期；fn為第n次形成諧振的聲波頻率；n為正整數(shù)；v為波速；d為材料厚度。

假設聲波在試件中經(jīng)反射往返一次的時間T0是4倍的聲波周期T，即n=4，激勵周波數(shù)為5。如圖2所示，當產(chǎn)生諧振時，相鄰回波之間幅值會相互疊加，例如2T0處一次回波的第5個周波與二次回波的第1個回波疊加，3T0處二次回波的第5個周波與三次回波的第1個回波疊加，使得這些位置的接收信號得到了增強。T0由波速、材料厚度決定，聲波周期為頻率的倒數(shù)，因此得到諧振時的頻率條件為式(2)。同樣，根據(jù)式(2)可以計算出在不同頻率激勵條件下是否產(chǎn)生了諧振。首先選擇一個頻率區(qū)間[fa，fb]，在這個頻率范圍內(nèi)，以一定的頻率步進值掃頻激勵EMAT，然后測量接收信號的幅度值，這樣就可以得到材料的諧振超聲譜(resonance ultrasound spectroscopy，RUS)，如圖3所示，材料的RUS曲線呈一種梳狀結構，每個梳齒位置對應一個諧振頻率，與未諧振時較低的接收信號幅度對比明顯，所以十分容易定位諧振頻率位置。

圖2 5周波數(shù)諧振示意圖

圖3 材料的RUS曲線

聲波具有非線性效應，其中一個明顯的現(xiàn)象就是高次諧波的生成。本文使用EMAT產(chǎn)生剪切波，剪切波產(chǎn)生的高次諧波主成分為三次諧波。非線性EMAR技術是將EMAR應用在聲波非線性檢測中，如圖4所示。在材料的RUS曲線中選擇諧振頻率fr，以該頻率作為激勵信號驅動EMAT，此時可以在材料內(nèi)形成諧振，記接收信號幅度譜在fr處幅度為A1。再以fr/3作為激勵信號以相同功率驅動EMAT，此時激勵信號頻率不滿足諧振條件，因此不能形成諧振，但是所產(chǎn)生的三次諧波頻率為fr可以滿足諧振條件，記此時接收信號幅度譜在fr處為A3，二者的比值A1/A3或對數(shù)差值lgA1-lgA3可以有效地表征材料的損傷程度[11]。

圖4 非線性EMAR檢測示意圖

2 試件和EMAT與實驗方法

2.1 試件和EMAT

本文實驗對象為6061鋁合金板材，其主要化學成分如表1所示，剪切波波速為3 180 m/s。將板材加工成為長300 mm、寬56 mm、厚8 mm的掐腰型試件，試件中部還加工了一道直徑2 mm的半圓豁口，如圖5所示，在拉伸實驗時應力主要集中在該區(qū)域，試件也將在這一區(qū)域產(chǎn)生拉伸損傷。

表1 6061鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

圖5 試件與EMAT示意圖

本文選擇一種收發(fā)分離式橫波EMAT作為換能器，由一塊釹鐵硼強磁鐵，一組收發(fā)分離式線圈組成EMAT探頭，試件形狀及EMAT的示意圖如圖5所示。

2.2 實驗方法

本文采用RITEC作為EMAT的驅動源與接收裝置，與EMAT、上位機、示波器共同構成的實驗平臺如圖6所示。上位機控制RITEC產(chǎn)生激勵信號的頻率、功率、周波數(shù)，接收部分的增益以及掃頻模式的起始頻率、截止頻率、頻率步進等參數(shù)，在文中RITEC發(fā)射功率等級為20，接收部分增益為30 dB，掃頻范圍為2～6 MHz，頻率步進為1 kHz。示波器與RITEC有兩通道連接，分別是接收信號與門控信號。

圖6 實驗平臺

為了評估試件被拉伸后的損傷情況，首先，需要對試件進行一次掃頻檢測，得到試件的RUS曲線，獲得每個諧振頻率精確的位置。之后，根據(jù)RUS曲線中出現(xiàn)的所有諧振頻率，進行多次非線性EMAR檢測，得到lgA1-lgA3隨頻率變化的曲線。最后根據(jù)曲線的變化趨勢，總結拉伸損傷程度與該曲線參數(shù)之間的定性關系。

拉伸實驗所用拉伸機為WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，最大試驗力可達1 000 kN，試驗力分辨力為滿量程的1/240 000，試驗力有效測量范圍為2%～100%(20～1 000 kN)，位移測量范圍為0～250 mm，位移分辨力為0.007 mm。本文所用6061鋁合金試件拉至斷裂時所需拉力為100 kN左右，最大位移在20 mm以內(nèi)，因此該試驗機可以滿足實驗要求。

3 實驗結果

3.1 試件拉伸結果

材料的內(nèi)部損傷主要在塑性區(qū)產(chǎn)生，所以本文也主要對拉伸到該區(qū)域的試件進行拉伸損傷評估。采用一組未拉伸試件作為對照組，分別對3組拉伸14 mm、15 mm和16 mm的試件A、B、C進行實驗。

使用拉伸機對試件進行了拉伸處理，得到拉力-位移曲線如圖7所示。其中拉力小于20 kN，位移0～8 mm區(qū)域為拉伸機力傳感器盲區(qū)區(qū)域。拉力為20～85 kN，位移8～14 mm范圍內(nèi)拉力-位移曲線近似成線性變化，為彈性區(qū)。拉力大于85 kN，位移大于14 mm后，拉力-位移曲線成非線性變化，為塑性區(qū)。

圖7 試件拉力-位移曲線

3.2 非線性EMAR檢測結果

對照組試件不同諧振頻率處的lgA1、lgA3以及l(fā)gA1-lgA3的分布如圖8所示。由于試件、線圈特性、RITEC電路特性等各種因素，lgA1及l(fā)gA3分布并不穩(wěn)定，有明顯的波動。lgA1及l(fā)gA3隨諧振頻率波動的趨勢近似一致，所以二者差值lgA1-lgA3波動較小，隨諧振頻率成線性。

圖8 對照組非線性EMAR檢測結果

各組試件的lgA1-lgA3與諧振頻率的線性擬合結果如圖9所示。

(a)對照組擬合結果

非線性EMAR檢測結果顯示4個試件的lgA1-lgA3隨諧振頻率均成線性分布，但根據(jù)拉伸程度不同，線性分布的趨勢不同。4個試件線性擬合斜率k分別為0.318 6、0.262 7、-1.464 6、-1.818 7，說明在未拉伸的對照組試件或者拉伸程度較低的A試件中，lgA1-lgA3值隨諧振頻率增加逐漸增大，線性擬合斜率k為正，lgA1-lgA3值越大，表示在該諧振頻率位置處產(chǎn)生高次諧波越困難。在拉伸程度較高、拉伸損傷嚴重的試件B和C中，lgA1-lgA3值隨諧振頻率增加逐漸減小，線性擬合斜率k為負，lgA1-lgA3值越小，表示在該諧振頻率位置處越容易產(chǎn)生高次諧波。

另對2組試件(記為S1，S2)分別拉伸至4 mm、8 mm后卸載進行非線性EMAR檢測實驗，將這2組試件的lgA1-lgA3的擬合曲線斜率k與上述4組試件的k值一起繪制在圖10中。結果表明，當試件受到拉力處于彈性區(qū)時，k值均為正值，近似為(0，0.5)范圍的常數(shù)，說明試件在受到彈性區(qū)拉力后其內(nèi)部情況與初始未拉伸狀態(tài)的對照組試件相似。試件A的k值與對照組及S1，S2相似，這說明拉力在彈塑性區(qū)臨界位置時材料主要發(fā)生彈性形變，內(nèi)部狀態(tài)同對照組相似。當試件受到拉力達到塑性區(qū)一定程度后，如試件B、C，其k值為負值，并且隨著拉伸程度加深，k值也會逐漸減小，和對照組試件形成明顯區(qū)別，根據(jù)對6061鋁合金的原位拉伸實驗研究發(fā)現(xiàn)，6061鋁合金的拉伸損傷形式主要是微孔洞和微裂紋，隨著外加應力水平增加，進入塑性區(qū)程度加深，微裂紋會逐漸長大、連接，微孔洞會聚合，從而形成宏觀裂紋，最終導致試樣斷裂[12]，而材料的k值隨進入塑性區(qū)的程度變化而變化，所以可以用該值來間接地表征材料的拉伸損傷情況，k值隨拉伸程度變化的擬合曲線如圖10所示。根據(jù)此曲線，能夠實現(xiàn)定量檢測6061鋁合金材料塑性形變以及內(nèi)部拉伸損傷。

圖10 擬合曲線斜率k值隨最大拉伸位移變化圖

4 結論

本文使用非線性EMAR技術，分別對未拉伸、拉伸至彈性區(qū)、拉伸至塑性區(qū)不同程度的6061鋁合金試件進行了非線性EMAR檢測實驗，首先通過掃頻獲得各試件2～6 MHz范圍內(nèi)所有諧振頻率點，對這些諧振點進行非線性實驗，得到基波與諧波幅值比隨諧振頻率變化的擬合曲線。實驗中發(fā)現(xiàn)該曲線隨著試件拉伸程度不同，呈現(xiàn)不同的趨勢。在彈性區(qū)拉伸試件，曲線斜率近似為正的常數(shù)，與未拉伸試件相似，說明拉力在彈性區(qū)時試件幾乎不產(chǎn)生微損傷。在塑性區(qū)拉伸試件，曲線斜率會減小為負值，且隨著進入塑性區(qū)程度加深，試件內(nèi)的微損傷與微裂紋逐漸增大，該曲線斜率越小。將該曲線的斜率與試件的最大拉伸位移擬合得到一條基波與諧波幅值比隨諧振頻率變化曲線，根據(jù)該曲線可以實現(xiàn)定量檢測6061鋁合金的塑性損傷情況。