第一篇：聲發射的ELID超精密磨削光學玻璃技術研究

聲發射的ELID超精密磨削光學玻璃

技術研究

A study on ELID ultra precision grinding of optical glass

with acoustic emission

D.J.Stephenson*, X.Sun, C.Zervos

摘要

BK7玻璃和微晶玻璃的ELID磨削是用聲發射進行研究的。實驗結果表明，在磨削過程砂輪和工件之間的接觸面積是對精細粒度的樹脂結合劑砂輪的承載能力至關重要。ELID可用于當砂輪和工件接觸面積大時材料去除的高效性。ELID砂輪的敷料強度之間的與檢測到的AE信號之間的相關性進行了觀察。更細的粒度砂輪磨削的進取ELID修整參數對應于一個較低的AE水平。當ELID砂輪的處理時間增加時，低而穩定的AE振幅由于砂輪磨削的惡化變得大而波動。結果表明，聲發射檢測技術有潛力被采納為超精密磨削過程監測，確定砂輪的條件和調查ELID磨削機制的有效方法。Q 2005 Elsevier公司保留所有產權。關鍵詞：ELID磨削玻璃；聲發射； 1.引言

在精密磨削，實現高質量的表面最實用的方法是使用一個細磨粒尺寸砂輪。然而，隨著粒度的減小，用于存儲碎屑的空間變小，承載容易沖突[ 1 ]。當碎屑填充在砂輪表面的活性顆粒的孔隙間時砂輪受到負載。當去除率超過碎屑存儲可用率，碎屑會積聚在碎屑存儲空間[ 2 ]。磨屑粘附在砂輪表面減少了磨粒出刃的層次和存儲新的碎屑的空間由此產生了砂輪和工件之間沉悶的摩擦行為。因此，表面光潔度差，嚴重損傷都將在加載條件下出現。車輪負載可以限制加工效率甚至使磨削變得不可能。樹脂和金屬結合劑砂輪是精密磨削常用的。他們有相對較少的空隙當敷料、整形后，修整表面太光滑、致密，活動構件間不足的空間來容納芯片[ 2 ]。當鈍的磨粒和樹脂粘結材料被磨損是精細粒度的樹脂結合劑砂輪光學玻璃的精密磨削可能發生自我修正過程。使用樹脂結合劑砂輪的自我修整效果仍需被研究。在線電解修整（ELID）技術被用來減輕精細粒度的金屬結合劑砂輪的負載。ELID電化學技術是通過原位電解來持續修整金屬結合劑砂輪[ 3–7 ]。電解化學修飾了磨削砂輪的表面，在磨削過程中磨削砂輪的層數也被改善以此來提供必要的磨粒出刃和芯片存儲空間。在精密磨削中，保持最佳的砂輪面貌是實現高質量的質地表面必不可少的。實時過程監控或檢測方法來確保所需的砂輪狀態和部分質量[ 8 ]。無損評價（NDE）傳感器的應用可以在實時監控磨削過程中發揮重要的作用。在超精密加工光學玻璃，材料以非常低的材料去除率從工件去除，未切割的切屑厚度通常是在納米水平以使表面/亞表面損傷打到最低。小的切削深度下功耗，振動和力信號具有很低的靈敏度和信噪比（ANR），這是因為在切削過程中的低層次的力。一些在傳統的加工操作常用的傳感器來監測切削過程精度是很困難的。然而，聲發射（AE）信號已被證明是足夠敏感的來監測精密磨削，并更適合用于監測非常快的事件，例如力的測量[9–11 ]。由于聲發射波的傳播頻率從100千赫到1兆赫，遠高于多數結構固有頻率，機械振動不會影響的AE信號[ 10 ]。因此聲發射作為理想方法來表征材料去除活性，提供工具條件和零件質量信息。聲發射波可以由一個聲發射傳感器（壓電換能器）檢測，它安裝在靠近地表的位置。聲發射源包括彈性碰撞，摩擦，壓痕裂紋，鍵的斷裂，切屑斷裂，斷口，和車輪/工件界面除砂[8,9]。先前的研究已經表明，磨損顆粒，砂輪負荷，沉重的摩擦，和硬的粘結材料可能會導致較大的聲發射能量[ 11–13 ]。車輪荷載，耕，和滑動是聲發射能量的主要來源。耕的特征為無材料去除工件的塑性變形，由于這種變形而消耗能量。滑動由于磨粒和工件之間的滑動摩擦而消耗能量。擴展的磨削操作過程中砂輪負載的影響降低了磨粒切削作用的效率，由于砂工作的互動組件產生打的耕和滑動（摩擦）部件。這預計將增加過程中聲發射能量。已經做出許多努力來發展狀態監測系統來利用聲發射信號中提取的特征。工業應用一個比較可靠的方法均方根（RMS），來評價聲發射信號。均方根評價AE信號被定義為：

其中v（t）是AE原始信號，T是整合期。

在過去的二十年里中ELID技術已深入研究。對ELID的原理，據作者所知，據大森的描述以前的文獻中沒有先進的明顯。為了了解和提高ELID技術，金屬基體修整砂輪的的電化學行為應進行徹底調查。為了研磨過程的監測，力在以前的研究通常被用于評估磨削工藝和探討ELID機制。據報道，ELID可以磨削開始階段提供降低和幾乎恒定的磨削力。Lim研究了ELID參數的影響，表明磨削力隨著修整電流的占空比的增加而下降。Fathima指出，對于粗粒度的砂輪修，低占空比修整是可取的，而較高的易磨性和更高的占空比被推薦用于精細粒度的砂輪以達到高質量的表面。在這項研究中，聲發射法被用于評估ELID為減輕砂輪輪負載的有效性和確定砂輪的條件。結論建立采用剛性機床tetraform C，磨削BK7玻璃和微晶玻璃測試的基礎上。本研究的目的是評估鑄鐵結合劑砂輪ELID磨削的性能并將之與不經ELID的樹脂結合劑砂輪磨削想比較。聲發射的等級對應于不同的電修整參數是基于聲發射的測量研究。這項研究還調查了ELID機制，提供了最佳的磨削條件如何實現的預測。2.實驗設置

ELID和沒有ELID的磨削試驗是在精密平面磨床tetraform C上進行[ 6 ]。使用了2到7mm的粒度尺寸，124毫米直徑和4毫米表面寬度的鑄鐵結合劑（CIB）和樹脂結合劑金剛石砂輪。工件的材料是微晶玻璃和BK7玻璃，或者長方形（16×10毫米）或圓形（直徑50毫米）。ELID系統采用不銹鋼作為陰極，用220毫米的敷料覆蓋缺口1 / 6的輪面。一種水基磨削液CEM，富士模具，日本，作為冷卻液和電解質。ELID應用的電源是一個ed-921（富士模具，日本）。AE信號采集系統的流程圖如圖1所示。使用壓電傳感器的傳感器采集聲發射信號。傳感器1，圖1所示，是一個寬帶100–1000千赫的物理聲學有限公司的模型。該傳感器使用凡士林連接到工件表面。聲發射信號經傳感器轉換成電信號，通過前置放大器放大到可用的電壓水平并轉移到aedsp-32 / 16卡，它有16位分辨率的數據記錄。前置放大器（1220A）提供了100的收益（40分貝）和使用100–1200 kHz帶寬的帶寬濾波器來消除機械和聲學背景噪聲，優先在低頻率。每秒2百萬的采樣率頻率進行信號采集。聲發射設施被用來短時間內獲得AE原始信號和快速傅立葉變換（FFT）分析。另一個聲發射系統，AE4000-1，沃爾特凱利公司，與“S”型傳感器——圖1-2的傳感器，用于收集的被糾正的AE信號來監測在一個完整的磨削循環聲發射的變化。

3.結果與討論

3.1.樹脂結合劑和鑄鐵結合劑（ELID）砂輪的聲發射

如圖2所示杯形砂輪的研磨材料去除區分主要和次要。一般來說，主要的材料去除區可以考慮進行大多數材料去除，而二級材料去除工藝去除地面材料一個很小的比例，可以考慮作為一個加工區。超精密磨削，如切削深度相對于砂輪的邊緣的半徑非常小時，主去除區域和次區域以及他們之間的邊界都很難區分（圖2）。因此，本文并不試圖區分聲發射來自不同的材料去除區的貢獻。對樹脂結合劑砂輪磨削產生的聲發射信號（無ELID）和CIB輪（ELID）進行了研究。初步試驗是用BK7玻璃樣品使用7毫米粒度砂輪在39米/秒的輪速，6毫米/分鐘進給速度，5毫米深度進行切割。加工過程中砂輪和工件之間的接觸面積是40平方毫米。圖3為一些通過AErms磨削的結果，它表明鑄鐵結合劑砂輪ELID磨削比樹脂結合劑砂輪產生更高的AErms和表現更大的散射。沒有摩擦的痕跡或地面嚴重損壞表面。進一步實驗是用表面直徑50毫米的BK7玻璃樣品以39米/秒輪的轉速，2 mm切削深度，和3毫米/分鐘進給率進行切割。在磨削過程中砂輪和工件之間接觸面積的變化范圍在0–200平方毫米。圖4顯示了樹脂結合劑和金屬結合劑砂輪表面和工件接觸面積變化相對應的聲發射信號。每個砂輪總的材料去除量低于75毫米。在圖4中，當砂輪和工件的接觸面積小于150平方毫米時，樹脂結合劑砂輪的聲發射水平普遍低于金屬結合劑砂輪。然而，樹脂結合劑砂輪的砂輪和工件接觸面積擴大時AE水平增加一個相當大的速率。圖4表明，聲發射信號的振幅達到在B點峰值，比達到最高的輪/工件接觸面積200平方毫米更早。顯然，輪/工件接觸區在很大程度上影響了樹脂結合劑砂輪磨削的AE振幅。對聲發射信號的峰值的位置被認為與表面質量差相關聯。在圖4中的ELID輪產生的聲發射信號具有較低的AE水平相對于相同的磨削參數下的樹脂結合劑砂輪。輪/工件接觸區并沒有對ELID磨削的AE水平表現出的一個顯著的影響。

圖5顯示了在當砂輪與工件接觸面積為180平方毫米時樹脂結合劑和技術結合劑砂輪磨削時聲發射信號的時間域和頻率域。采用樹脂結合劑砂輪產生的聲發射信號比金屬結合劑砂輪產生的信號更大的振幅。樹脂結合劑砂輪產生的鋸齒狀的AE信號可能是由于鈍砂輪與工件之間摩擦或滑動作用。對于樹脂結合劑砂輪磨削在頻率成分的振幅的增加與ELID磨削在圖（a）和（b）中做了一個整體比較。由兩個砂輪產生的頻率分量之間明顯的差異可以在圖5中觀察到的。圖6顯示了兩個車輪產生的表面。在ELID磨削和樹脂結合劑砂輪磨削中，樣品都經過了十次磨削過程，為了觀察長時間的進程中砂輪狀態的穩定性在，并增加輪和工件的接觸面積。

圖7顯示了樹脂結合劑砂輪的SEM照片。該照片是在兩個不同的地方，一個遠離和一個在砂輪的前緣的附近，它磨削時經歷了最積極的條件。從這兩幅圖畫的比較，很明顯，該輪已在基體材料中裂紋擴展過程中損壞。前緣附近的光學顯微鏡在圖8（a）表明，活動的金剛石磨粒的數量相比于圖8（b）所示的卸載砂輪表面顯著下降。影響輪式裝載期間延長磨削操作降低了磨粒切削產生大的春耕行動和滑動的效率（摩擦）的磨粒工件的相互作用組件。隨著砂輪的磨損，由于能源消耗翻耕和滑動部件負載的能源消耗增加，從而聲發射也增加。研究結果表明，砂輪/工件接觸面積是影響輪樹脂結合劑砂輪加載的一個關鍵因素。嚴重的輪裝載是為精細粒度的樹脂結合劑砂輪所發展的，當輪/工件接觸面積增加時。從中可以得出結論，當砂輪與工件之間的接觸面積大時，一個經過ELID磨削的精細粒度的CIB的杯形砂輪比樹脂結合劑砂輪能更好的克服車輪荷載。在這樣的條件下，ELID方法有望成為更適合高效精密磨削的材料去除。

3.2.利用聲發射檢測車輪狀態

ELID砂輪在修整后能迅速進入一個穩定的切削過程。然而，隨著材料去除或處理時間的增加，ELID輪可能不良的砂輪地貌最終無法進行適當的切割。由于砂輪具有粗糙的表面和許多不導電磨料顆粒嵌入，電解質的散亂和金屬表面之間會產生不均勻的電流分布，如圖9所示（a）。在金屬結合劑中電解質的流動和分布是由圖中的等高線表示。可以看出，磨料顆粒和腔干擾了電流的流動。他們使其周邊周圍的電流密度的局部增加。該區暴露了碎屑去除表面氧化物的摩擦產生的金屬鍵，如圖9（b），也是修整電流的密集區域。這表明，金屬基體的砂輪表面不均勻的電化學反應將由不均勻的電流分布產生而導致在金屬表面的電解作用產生不同。圖10顯示了在一系列的磨削循環中BK7玻璃聲發射信號的變化。當砂輪的材料去除量低于75立方毫米，聲發射信號是穩定的，表現出相對小的值。在材料去除量的增加，聲發射幅值增加并變得不穩定。CIB砂輪表面的光學顯微照片如圖11（a）所示，當去除材料后有裂縫的存在，砂輪表面有大的空隙和嚴重銹蝕的地區。長的裂縫可能來自短裂紋或缺陷，并被工件在車輪工作接口處的周期力下擴大。電解腐蝕電化學行為可以集中在這些位置促進裂化過程。探討輪表面裂紋的形態，聚焦離子束（FIB）技術被用于監測砂輪表面的地下橫段銑。圖11（b）顯示了離子束加工產生的溝槽，在縱向和橫向裂紋的砂輪表面下觀察。橫向裂紋擴展與垂直裂縫連接。隨著裂縫數量和嚴重程度的增加，破壞和粘結材料的去除是可能發生的，會導致砂輪面貌變壞，最后砂輪報廢。圖10中大振幅的AE信號隨機分布可能對應于粘結材料的斷裂。在磨削循環中逐漸增加的AE水平可能表明了砂輪的惡化。

3.3.ELID參數

電解對ELID輪表面的氧化物層的形成起著至關重要的作用。法拉第定律已被用于開展粘結材料的理論體積轉化的表達，就是：

其中M是反應離子的原子量；I是電流；T是反應時間；Z是反應離子的價態；F法拉第常數；

是金屬粘結的密度。

根據式（2），車輪表面的電解活性是受施加在砂輪和陰極電極之間電解電流的影響。有兩個參數可用來確定應用于ELID的電源的修整電解的用量，是占空比和峰值電壓。占空比定義為用于ELID方波時間的百分比。峰值電壓是從ELID電源波形輸出的振幅。從理論上講，這兩個參數可以影響砂輪表面腐蝕層產生的速度。實驗結果表明，ELID強度更可能影響地面的質量，當研磨很細的磨料粒度的金剛石砂輪是。圖12顯示了光學顯微鏡下使用不同組合的占空比和峰值電壓的ELID的2毫米粒度的CIB杯金剛石砂輪所產生的BK7質地表面。圖12中的照片（a）顯示了在10%的占空比和60 V峰值電壓下一些質地上的嚴重摩擦損傷。摩擦損傷被認為是由一些在砂輪表面產生的鈍的區域。在圖12（a）中一個較大的放大倍率的光學顯微鏡表明了裂紋運行正常的滑動方向。隨著占空比從10%增加到70%，摩擦作用在一定程度上緩解如圖12（b），其中在摩擦損傷無裂紋。當應用70%占空比和90 V電壓時，在表面的摩擦標記減少，如圖12（c）。這些試驗表明，高占空比和/或峰值電壓可以為這些磨削條件提供足夠的砂輪修整。圖12（a）中地表的裂縫可通過砂輪和工件之間的摩擦產生的熱效應產生。因為BK7具有的導熱性差，當精細粒度的砂輪修整不夠時熱裂紋發生。

修整參數對聲發射的影響進行了研究。試驗通過16×10毫米的微晶玻璃樣品和使用39米/秒的輪速，5毫米切割深度，6毫米/分鐘進給速度的7毫米粒度砂輪進行。在測試系列之前先進行砂輪的整形和預修整。AE記在每個樣品的表面被磨平幾次之后開始。圖13顯示了利用10% / 60 V和70% / 90 V ELID參數的聲發射原始信號和功率譜圖。當使用更積極的ELID參數時，原始信號在時間域的AE幅值有所減少。AE振幅在頻率域的頻率成分也減少，當修整參數變得更積極時，如圖13(a)和(b)所示。頻率成分的下降率是比較大，在240和300千赫頻率。圖14和圖15分別顯示了占空比和峰值電壓對AERMS的影響。結果表明，聲發射能量的增加時占空比和峰值電壓減少。占空比參數對聲發射的能量的影響比峰值電壓更為顯著。ELID磨削涉及砂輪表面氧化層的去除和再生[ 3–5 ]。當在電解環境中應用大劑量的電時，砂輪表面氧化膜的形成是快速。在磨削過程中氧化物層的去除可以在車輪表面產生新的磨粒凸出和更多的碎屑存儲空間，減少車輪荷載和顫振。平緩的修整參數可以導致不充足的修整，導致大的暗區，使砂輪和工件之間的切割效果較差。低效率的磨削和焊接金屬和工件之間大的接觸面積造成大的AE水平。

4.結論

聲發射檢測可用于識別砂輪裝載和評估一個砂輪的磨削狀態。本次調查表明，聲發射能量隨這砂輪荷載的發生而增加。當轉動裝置有長接觸弧時精細粒度的杯形砂輪的ELID磨削不太可能遇到的輪裝載，相比于樹脂砂輪。因此，ELID磨削是高效精密磨削推薦使用的，組件都是比較大的。樹脂結合劑砂輪的AE振幅顯著增加對應了砂輪便面的劇烈摩擦。這表明，磨粒加工弧長時樹脂結合劑砂輪無法進行有效的自我修整。然而，當輪和工件的接觸面積小的時樹脂結合劑砂輪容易產生較低的AE振幅。更溫和的修整參數的ELID磨削可以為7毫米的細磨輪產生高的聲發射能量。更細的粒度砂輪建議密集的修整過程和更具侵略性的修整參數來減小車輪負載和提高切削效率。修整參數的應用應考慮輪配置，磨削工藝參數和工件材料的性能，因此，依賴于一套復雜的多變量之間的相互作用。聲發射檢測技術有潛力被采用來監測復雜的ELID磨削過程并確保保持最佳的磨削條件的有效方法。

致謝

這項工作是由EC project—NanoGrind(GRD1-2001-40538)部分贊助。

第二篇：聲發射技術的發展現狀(牛超楠)

焊接檢驗論文

班級：材料科學與工程11-1

聲發射技術發展現狀

摘要：介紹了國內外聲發射技術的發展歷程和現狀，綜述主要研究和應用領域的現狀，提出了我國目前急需解決的問題和發展趨勢。關鍵詞：聲發射 應用 綜述 1聲發射的原理以及應用

一、聲發射技術機理及特征

聲發射(Acousticemission簡稱AE)又稱應力波發射，是材料或零部件受力作用產生變形、斷裂，或內部應力超過屈服極限ss而進進不可逆的塑性變形階段，以瞬態彈性波形式開釋應變能的現象。

在外部條件作用下，固體（材料或零部件）的缺陷或潛伏缺陷改變狀態而自動發出瞬態彈性波的現象亦為聲發射。

通常意義上的聲發射源，一般是指材料受力的作用所產生的各種變形和斷裂機制，例如：金屬材料中的裂縫擴展、位錯運動、滑移帶的形成、孿生變形、晶界滑移、夾雜物的分離與開裂；復合材料中的基體開裂、層間分離、纖維和基體間界面分離和纖維斷裂等，這些無損檢測的主要對象，都是重要的聲發射源。

聲發射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻。它的幅度動態范圍亦很廣，從微弱的位錯運動直到強烈的地震波。然而，聲發射作為無損檢測與無損評價手段，則是采用高靈敏度傳感器，在材料或構件受外力的作用，且又遠在其達到破損以前，接收來自這些缺陷與損傷開始出現或擴展時所發射的聲發射信號，通過對這些信號的分析、處理來檢測、評估材料或構件缺陷、損傷等內部特征。從而，通過聲發射檢測，可以確定：

1.材料或構件何時出現損傷； 2.材料或構件出現損傷的部位；

3.材料或構件出現損傷的嚴重程度及其危害性，對構件作出結構完整性評價。

作為一種新的無損檢測技術，聲發射檢測技術與常規無損檢測技術：滲透、磁粉、渦流、射線、超聲檢測相比較具有兩個基本性的特點：敏感于動態缺陷，而不是靜態缺陷；即不像其他無損檢測技術只是在缺陷出現后，事后靜態檢測時才能發現，而是在缺陷萌生和擴展過程中，即能實時發現。-聲發射波來自缺陷的本身而不是外部；從而可以得到有關缺陷的豐富的信息以及檢測的高靈敏度與高分辨率。2 聲發射的發展歷程 現代聲發射技術的開始以Kaiser二十世紀五十年代初在德國所作的研究工作為標志。他觀察到銅、鋅、鋁、鉛、錫、黃銅、鑄鐵和鋼等金屬和合金在形變過程中都有聲發射現象。他最有意義的發現是材料形變聲發射的不可逆效應即：“材料被重新加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產生聲發射信號”。現在人們稱材料的這種不可逆現象為“Kaiser效應”。Kaiser同時提出了連續型和突發型聲發射信號的概念。

二十世紀五十年代末和六十年代，美國和日本許多工作者在實驗室中作了大量工作，研究了各種材料聲發射源的物理機制，并初步應用于工程材料的無損檢測領域。Dunegan首次將聲發射技術應用于壓力容器的檢測。美國于1967年成立了聲發射工作組，日本于1969年成立了聲發射協會。

二十世紀七十年代初, Dunegan等人開展了現代聲發射儀器的研制，他們把儀器測試頻率提高到100KHz-1MHz的范圍內, 這是聲發射實驗技術的重大進展, 現代聲發射儀器的研制成功為聲發射技術從實驗室走向在生產現場用于監視大型構件的結構完整性創造了條件。

隨著現代聲發射儀器的出現，整個七十年代和八十年代初人們從聲發射源機制、波的傳播到聲發射信號分析方面開展了廣泛和系統的深入研究工作。在生產現場也得到了廣泛的應用，尤其在化工容器、核容器和焊接過程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年統計出版了1979年以前世界上發表的聲發射論文目錄[2], 據他的統計, 到1986年底世界上發表有關聲發射的論文總數已超過5000篇[3]。

八十年代初，美國PAC公司將現代微處理計算機技術引入聲發射檢測系統, 設計出了體積和重量較小的第二代源定位聲發射檢測儀器, 并開發了一系列多功能高級檢測和數據分析軟件, 通過微處理計算機控制, 可以對被檢測構件進行實時聲發射源定位監測和數據分析顯示。由于第二代聲發射儀器體積和重量小易攜帶，從而推動了八十年代聲發射技術進行現場檢測的廣泛應用，另一方面，由于采用286及更高級的微處理機和多功能檢測分析軟件，儀器采集和處理聲發射信號的速度大幅度提高，儀器的信息存儲量巨大，從而提高了聲發射檢測技術的聲發射源定位功能和缺陷檢測準確率。

進入九十年代，美國PAC公司、美國DW公司、德國Vallen Systeme公司和中國廣州聲華公司先后分別開發生產了計算機化程度更高、體積和重量更小的第三代數字化多通道聲發射檢測分析系統，這些系統除能進行聲發射參數實時測量和聲發射源定位外，還可直接進行聲發射波形的觀察、顯示、記錄和頻譜分析。目前聲發射技術作為一種成熟的無損檢測方法，已被廣泛應用于許多領域，主要包括以下方面：

(1)石油化工工業：各種壓力容器、壓力管道和海洋石油平臺的檢測和結構完整性評價，常壓貯罐底部、各種閥門和埋地管道的泄漏檢測等。

(2)電力工業：高壓蒸汽汽包、管道和閥門的檢測和泄漏監測，汽輪機葉片的檢測，汽輪機軸承運行狀況的監測，變壓器局部放電的檢測。

(3)材料試驗：材料的性能測試、斷裂試驗、疲勞試驗、腐蝕監測和摩擦測試, 鐵磁性材料的磁聲發射測試等。

(4)民用工程：樓房、橋梁、起重機、隧道、大壩的檢測，水泥結構裂紋開裂和擴展的連續監視等。

(5)航天和航空工業：航空器殼體和主要構件的檢測和結構完整性評價，航空器的時效試驗、疲勞試驗檢測和運行過程中的在線連續監測等。

(6)金屬加工：工具磨損和斷裂的探測，打磨輪或整形裝置與工件接觸的探測，修理整形的驗證，金屬加工過程的質量控制，焊接過程監測，振動探測，鍛壓測試，加工過程的碰撞探測和預防。

(7)交通運輸業：長管拖車、公路和鐵路槽車及船舶的檢測和缺陷定位，鐵路材料和結構的裂紋探測，橋梁和隧道的結構完整性檢測，卡車和火車滾珠軸承和軸頸軸承的狀態監測，火車車輪和軸承的斷裂探測。

(8)其他：硬盤的干擾探測，帶壓瓶的完整性檢測，莊稼和樹木的干旱應力監測，磨損摩擦監測，巖石探測，地質和地震上的應用，發動機的狀態監測，轉動機械的在線過程監測，鋼軋輥的裂紋探測，汽車軸承強化過程的監測，鑄造過程監測，Li/MnO2電池的充放電監測，人骨頭的摩擦、受力和破壞特性試驗，骨關節狀況的監測。

聲發射檢測方法在許多方面不同于其它常規無損檢測方法，其優點主要表現為：

(1)聲發射是一種動態檢驗方法，聲發射探測到的能量來自被測試物體本身，而不是象超聲或射線探傷方法一樣由無損檢測儀器提供；

(2)聲發射檢測方法對線性缺陷較為敏感，它能探測到在外加結構應力下這些缺陷的活動情況，穩定的缺陷不產生聲發射信號；

(3)在一次試驗過程中，聲發射檢驗能夠整體探測和評價整個結構中活性缺陷的狀態；

(4)可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續信息，因而適用于工業過程在線監控及早期或臨近破壞預報；

(5)由于對被檢件的接近要求不高，而適于其它方法難于或不能接近環境下的檢測，如高低溫、核輻射、易燃、易爆及極毒等環境；

(6)對于在用設備的定期檢驗，聲發射檢驗方法可以縮短檢驗的停產時間或者不需要停產；

(7)對于設備的加載試驗，聲發射檢驗方法可以預防由未知不連續缺陷引起系統的災難性失效和限定系統的最高工作載荷；

(8)由于對構件的幾何形狀不敏感，而適于檢測其它方法受到限制的形狀復雜的構件。主要研究和應用領域[4-15] 2.1 壓力容器的聲發射檢測

壓力容器檢測是目前聲發射技術在中國開展應用最成功和普遍的領域之一，人們已經對現場壓力容器的聲發射源進行了詳細的研究工作[11]，通過大量的試驗和現場應用，使這一方法已達到成熟，制定了國家標準，并編寫了II級檢測人員聲發射培訓教材[12]，對80多人進行了培訓和II級資格認證。目前國內有近30家擁有聲發射儀器的單位從事壓力容器的聲發射檢測，國內的大部分多通道聲發射儀由這些單位擁有。具粗略統計，這些單位每年采用聲發射檢測大型壓力容器200～300臺。

壓力容器的聲發射檢測包括新制造壓力容器水壓試驗時的聲發射監測、在用壓力容器的聲發射檢測和缺陷評價、壓力容器工作狀態下的聲發射在線監測和安全評價[13]。由于我國在二十世紀七十年代投入使用的壓力容器絕大部分存在各種各樣的焊接缺陷，在定期檢驗過程中對采用超聲波和射線方法發現的大量超標缺陷的處理十分困難，如全部返修工程造價甚至和更新的費用差不多，而采用聲發射檢測可以快速發現這些超標缺陷中存在的活性缺陷，僅許需對這些活性缺陷進行返修處理，壓力容器即可重新投入使用。另外，在壓力容器的運行過程中，許多到了檢驗周期但由于生產工藝的需要不能停產，而聲發射技術是目前較成熟的在線無損檢測方法，采用聲發射進行在線監測，可以對壓力容器的安全性進行評價，從而決定是否延長壓力容器的檢驗周期。

聲發射技術和大量的科研成果在我國壓力容器檢測中成功的推廣和應用，一方面及時排除了大量帶缺陷運行的壓力容器的爆炸隱患，降低了惡性事故的發生，確保了這些壓力容器的安全運行，取得了重大的社會效益；另一方面，聲發射檢測大大縮短了壓力容器的檢驗周期，并減少了盲目返修和報廢壓力容器所帶來的損失，為廣大壓力容器用戶帶來了巨大的經濟效益，這種檢驗方法深受廣大壓力容器用戶的歡迎。

2.2 航空航天工業中的應用

我國學者在這一領域也進行了廣泛和深入的研究，并取得了一些重要成果。早在二十世紀八十年代初，國內有關單位就進行了飛機機翼疲勞試驗過程中的聲發射監測研究[14]，并在信號處理和識別技術方面積累了寶貴經驗。空軍第一研究所在某型飛機的全尺寸疲勞試驗過程中(飛行長達16000小時)，用聲發射技術對其主梁螺孔和隔框連接螺栓等部位疲勞裂紋的形成和擴展進行了跟蹤監測，歷時之長和積累數據之豐富都是前所未有的[16,17]。他們利用了聲發射參數組成多維空間的一個特征矢量，成功進行了疲勞裂紋產生的聲發射信號識別。除利用這種多參數識別方法外，還利用趨勢分析和相關技術等方法對信號進行處理，建立了一套較完整的信號識別和處理體系。

2.3 復合材料的聲發射特性研究

聲發射技術目前已成為研究復合材料斷裂機理和檢測復合材料壓力容器的重要方法。中科院沈陽金屬所、航空621所、航天703所和44所在這些領域做了大量工作，尤其是44所作了大量復合材料壓力容器的聲發射檢測，并起草了內部的檢測與評價標準。目前采用聲發射技術已能檢測每根碳纖維或玻璃纖維絲束的斷裂及絲束斷裂載荷的分布，從而評價它們的質量。聲發射技術還可以區分復合材料層板不同階段的斷裂特性，如基體開裂、纖維與基體界面開裂、分層和纖維斷裂。另外，我國也有人采用聲發射技術研究碳纖維增強聚酰亞胺復合材料升溫固化的特性[18]。

2.4 聲發射信號的處理技術

聲發射檢測的最主要目的之一是識別產生聲發射源的部位和性質，而聲發射信號的處理是解決這一問題的唯一途徑。在聲發射信號的處理和分析方面，除大家普遍常用經典聲發射信號參數和定位分析之外，我國目前開展了處于世界前沿的基于波形分析基礎之上的模態分析、經典譜分析、現代譜分析、小波分析和人工神經網絡模式識別，另外也對聲發射信號參數采用了模式識別、灰色關聯分析和模糊分析等先進的技術，我國還自主開發了進行各種信號分析和模式識別的軟件包。通過采用這些信號處理與分析技術，可以在不對聲發射源部位進行其它常規無損檢測方法復驗的情況下，直接給出聲發射源的性質及危險程度[19-22]。2.5 巖石的監測和應力測量

聲發射現象的觀測起源于地震的監測，現今廣泛地用于巖石的監測和地質與石油鉆探中的應力測量。冶金部武漢安全環保研究院近20年來一直開展礦山和大型水壩巖石塌方的監測研究和應用工作，近幾年一直在長江三峽大壩對一些關鍵部位的巖石活動情況進行監測，為三峽大壩的建設提供了重要依據。中國科學院地質研究所利用巖石的KAISER效應測量古巖石的應力，以研究遠古時期地質的變化情況。北京石油勘探開發設計院和北京石油大學采用聲發射技術測量巖芯的主應力方向，達到確定油田最大水平應力方向的目的。這些成果已用在我國油田生產和開發上，取得了明顯的經濟效益。

2.6 在機械制造過程中的監控應用

聲發射應用于機械制造過程或機加工過程的監控始于二十世紀七十年代末，我國在這一領域起步早、發展快。早在1986年國防科技大學等單位就進行了用聲發射監測機加工刀具磨損的研究工作。現在，一些單位已研制成功車刀破損監測系統和鉆頭折斷報警系統，前者的檢測準確率高達99%。根據刀具與工件接觸時擠壓和摩擦產生聲發射的原理，我國還成功研制出了高精度聲發射對刀裝置，用以保證配合件的加工精度。九十年代，有些部門已開始用人工神經網絡進行刀具狀態監控、切削形態識別與控制以及磨削接觸與砂輪磨損監測等。2.7 鐵路焊接結構疲勞損傷的監測

我國鐵路部門對高速列車轉向架構架模擬梁的焊接結構進行了聲發射監測試驗，采用聲發射多參數分析技術監測了焊接梁疲勞試驗的全過程，得到了構件疲勞損傷各階段與聲發射特征之間的關系，準確的監測到焊接梁中焊縫和應力集中處的裂紋萌生及擴展過程。所用方法可進一步用來確定構件的損傷程度，并有可能應用到鐵路橋梁疲勞損傷監測中。2.8 泄漏監測

帶壓力流體介質的泄漏檢測是聲發射技術應用的一個重要方面，國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心、冶金部武漢安全環保研究院和清華大學無損檢測中心在國家“八五”和“九五”期間合作對壓力容器和壓力管道氣、液介質泄漏的聲發射檢測技術進行了研究，取得的科研成果目前已在一些石化企業的原油加熱爐和城市埋地燃氣管道的泄漏監測得到成功應用。核工業總公司武漢核動力運行研究所，于九十年代中期從美國進口了36通道聲發射泄漏檢測儀器，專門用于我國核電站的泄漏檢測，目前已進行了大量研究和應用工作。國家質量監督檢驗檢疫總局鍋爐壓力容器檢測研究中心和大慶石油學院也分別開展了大型油罐底部聲發射泄漏檢測的研究和應用工作，初步取得了成功。2.9 磁聲發射研究

我國于1984年由武漢大學首先開展鐵磁性材料磁聲發射的研究工作，隨后北京科技大學和華中科技大學也相繼開展了磁聲發射的研究工作。武漢大學以多晶和單晶硅鋼材料對磁聲發射的機制進行了詳細研究，并在世界上首次提出1800磁疇壁的運動也可以產生很大的磁聲發射信號，他們提出了磁疇壁內磁化矢量的逐漸旋轉運動會產生彈性波的模型，這可認為是對一般公認的磁聲發射產生機制的完善和補充。北京科技大學將磁聲發射與磁巴克豪森效應想結合，開發出可以測量焊縫殘余應力的儀器。目前急需解決的問題和發展趨勢

自學會成立的25年來，我國的聲發射技術從實驗室的研究到目前在許多工業領域得到成功應用，從開始研制采用電子管技術的模擬式單通道聲發射儀到目前已研制出全數字化全波形的多通道聲發射儀，從十幾個從事聲發射技術的研究人員到目前數百人的科研和檢驗隊伍等多個方面都得到了巨大發展和取得了十分顯著的成就，所有這些是我國聲發射研究和檢測人員努力的成果，但學會在組織學術交流活動、加強我國科研工作人員的信息交流與合作等方面也起到了很大的促進作用。

目前，雖然我國的聲發射技術取得了很大進展，但應當承認與歐美等工業發達國家相比，在很多方面還有差距，考慮到我國當前科研和工程檢測對聲發射技術的需求，特提出以下我國急需解決的問題和聲發射技術的發展趨勢：(1)

依據；(2)在儀器開發方面，進一步完善和提高現有機型的功能和可靠性，開發適用在波的傳播等基礎理論領開展研究，為聲發射技術在工程應用中提供理論于各種工程檢測聲發射信號數據分析與處理軟件包，尤其需要開發適用于埋地管道和油罐底部泄漏檢測的商品化儀器和軟件；(3)在換能器制造方面，進一步完善和提高現有共振型換能器的制造水平，開發低頻和高溫換能器的制造技術，并形成商品銷售；(4)加快聲發射檢測標準的制定和修訂步伐，建立我國聲發射檢測的標準體系，為進一步推廣聲發射檢測的工程應用打下基礎，盡快趕上工業發達國家的水平；(5)加強各部門的協調，建立我國一致的檢驗人員培訓和資質認證體系，擴大聲發射檢測人員的隊伍，降低聲發射檢測人員取得資質證書的成本；(6)進一步拓展聲發射檢測技術的應用領域，重點開展橋梁、建筑物、埋地管道和大型常壓油罐的聲發射檢測技術研究和應用；(7)進一步開展聲發射信號各種處理分析技術和神經網絡模式識別的研究，提高壓力容器、壓力管道和各種大型機械裝備的在線檢測應用水平。4 參考文獻

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