缺陷试板拉伸过程声发射信号特性的相关性分析

孙国豪，柏明清，王 希，李建宏，潘家祯

（1.华东理工大学，上海 200237；2.独山子石化公司研究院，新疆 833600）

容器声发射检测过程中，容器本体的缺陷状况是检测人员关心的问题。缺陷随应力变化的活动特性能够被声发射仪器接收，进而可以评价容器的完整性。通过缺陷板拉伸试验可以很好地模拟容器缺陷受载状态。本试验里，对制作的不同焊接缺陷试板进行声发射拉伸试验，通过声发射信号特征归纳常见缺陷的声发射特性，由于裂纹类缺陷在很多论著［1－3］中大量提及，在此笔者着重对焊接缺陷的气孔、夹渣及未焊透类缺陷进行分析。

1 试验过程

1.1 试验制备

选择厚度为20 mm 的16MnR 钢板进行双面焊，对焊缝进行射线检测和超声检测，确定缺陷性质，试板的焊接缺陷见表1。

1.2 试验仪器

试验中选用美国PAC 公司生产的PCI－2型声发射仪，传感器型号为WD（宽频）。拉伸试验在MTS－810型多功能材料试验机上进行，试板及传感器位置见图1。

表1 试板内部焊接缺陷

图1 拉伸试板及传感器安装位置

1.3 加载过程

试板在拉伸过程中以100N／s的加载速率进行试验。为减少试验机卡具与试板夹持过程中的噪声影响及验证kaiser效应，先加载到162.337kN 时保持180s，后降至150.000kN 保持30s，加载到157.467kN，保持180s后再降至150.000kN 保持30s。随后开始逐步加载直到试板断裂。

2 试验结果分析

2.1 相关性分析

相关性分析是研究两组数据的相关特性，其数学式表达如下：

式中ρxy为两组数据的相关系数；x，y为两个变量。当ρxy＞0时，x增加，y也增加，此时x与y正相关；ρxy＝1，x与y呈线性关系；当ρxy＜0 时，x增加，y减少，x与y负相关；ρxy＝－1，线性减小；当ρxy＝0，x与y不相关。

声发射特征参数包含上升时间、计数、能量、幅值、持续时间和到峰计数等。研究材料的声发射特性实际是研究声发射特征参数的关系，用特征参数能够清晰地表征材料的声发射特性。但材料内部的均一度影响特征参量的变化，如含有各种缺陷的材料，所以通过特征参量的相关性分析可以表征某一不连续结构的特征变化，再对比无缺陷材料的特征，便可总结该类缺陷的特性。

表2 试板特征参量的相关性分析

从表2中可以看出，无缺陷试板与含缺陷试板在ρ的不同区段特征参量也不同。为寻找出特征缺陷的细节特点，对不同类型缺陷在ρ值为0.7～1.0范围的相同特征参量进行回归分析，结果见图2～5。从图2中可以看出，无缺陷试板计数集中分布在650个以下，仅有少量幅值超过80dB以上的点，信号点分布集中。未焊透缺陷试板计数点沿回归线两侧分布，且分布范围较大，多处计数值超过650个，且多点幅值在80dB 以上，未焊透造成试板承载应力变大，且由于焊缝母材与基材的陡变联结，致使在拉伸过程中开裂信号明显，计数值分布范围广。气孔缺陷由于应力状况属缓滑过渡，在受到拉伸应力时其弹性变形、屈服、强化及断裂过程与无缺陷板性质相似，故回归分析后的结果也与无缺陷板相似。条形夹渣信号点的分布与未焊透缺陷相似，但不像未焊透缺陷在高计数值区间分布数量大，由于受力状况比未焊透缺陷稍好，又缺陷与基材间界面的缓滑过渡（夹渣尖端应力大，塑性变形一般先在此部位开始，当应力值超过界面基材抗拉强度时，先沿此部位开始断裂，声信号间断式增加），所以在拉伸过程中高计数声发射信号点少于未焊透缺陷。

从以上分析可知，高相关参量信号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种形式单独存在，往往焊缝中一个部位同时存在多种不同类型缺陷，所以回归分析后的信号也是上面几种信号分布的结合，需要研究人员根据情况具体分析判断。

2.2 参量累积分布特征分析

选取基本声发射信号特性分析的计数和能量参量进行累积分析。通过累积分析，可以判断出无缺陷材料和缺陷材料在拉伸过程的活动性及能量释放情况，为完整性评价提供一定程度的支持。图6～9为无缺陷材料与缺陷材料累积计数、能量－时间的关系图。

从图6～9可以看出，Kaiser效应满足任一状态下的拉伸过程。无缺陷板与缺陷板的累积计数与累积能量随时间变化趋势不同。无缺陷板拉伸过程中累积计数与累积能量上升趋势平缓，屈服点处累积计数略增加，累积能量变化不大，累积计数在10 000个左右；断裂时累积计数为15 000个，整个拉伸过程累积能量15 000J左右（图6）。未焊透缺陷试板拉伸过程累积计数变化较大，屈服时累积计数与累积能量均突然增加，且在3 200s时有个陡升的过程，对比图6，该陡升点应为缺陷塑变及微裂纹扩展开始的点，断裂时累积计数达到80 000个，而累积能量在15 000J左右（图7）。气孔缺陷试板屈服时的累积计数达到50 000 个，而累积能量达到10 000J，断裂时累积计数达到85 000个，累积能量达到25 000J，陡升点在2 800s左右（图8），由于气孔的形状特点，使含气孔缺陷材料拉伸中能量不能连续快速释放，随着位错在气孔周围不断塞积，位错间滑移的能量变大，使得累积能量在拉伸过程增加幅度较大，断裂时，累积计数72 000个左右，累积能量达到25 000J左右。条形夹渣试板累积计数、累积能量在屈服点后开始迅速增加，且累积能量在3 510s左右时有个明显陡升，此时条形夹渣开裂，在3 500～4 000s时间内，裂纹逐步扩展，累积能量增加迅速，断裂时累积计数为55 000个左右，累积能量达到30 000J。

3 结论

（1）运用相关性分析及特征参量累积分析可以确定某一类型含缺陷材料的声发射特性。但由于缺陷的形状特征、尺寸及混合特性不同，得出的特性曲线、特征点也不同，试验中应尽可能建立多种缺陷材料的声发射特性数据，以有利于检测人员更好地评估设备材料的完整性。

（2）材料声发射特性试验分析的手段方法不同，得出细节差异性可能也不同，在现有理论研究［4－6］基础上应进一步研究拓展新的方法［7］，不断提高定量分析的准确性。

［1］ 何舒，马宇宽，杨建波.含不同缺陷的金属材料声发射特性［J］.吉林大学学报，2003，33（4）：21－25.

［2］ 徐长航，刘立群，陈国明.钢制试件拉伸断裂及疲劳开裂声发射特征分析［J］.中国石油大学学报，2009，33（5）：95－99.

［3］ 曲义坤，刘志明.多疲劳裂纹扩展的声发射特性研究［J］.无损检测，1997，19（4）：102－104.

［4］ 李伟，蒋鹏.基于独立分量分析的声发射信号分离方法［J］.压力容器，2008，25（5）：10－12，36.

［5］ 李元辉，刘建坡.岩石破裂过程中的声发射b值及分形特征研究［J］.岩土力学，2009，30（9）：2559－2563，2574.

［6］ 纪洪广，邵永波，蔡美峰.混凝土材料声发射过程及其自相似性的研究［J］.北京科技大学学报，1998，20（5）：421－425.

［7］ 孙国豪，张雪涛，李建宏，等.常温下16MnR 板材焊接缺陷声发射特性研究［J］.实验力学，2009，24（4）：361－366.