电磁声发射技术在无损检测中的应用

　　1 引言

　　物体在受到形变或外界作用时，因迅速释放弹性能量而产生瞬态应力波的一种物理现象称为声发射(Acoustic Emission，AE)。当材料中有声发射现象发生时，由声源发射出的每一个声发射信号都包含了材料内部结构或缺陷性质和状态变化的丰富信息。

　　声发射检测是一种动态无损检测方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是像超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供。它能够探测到在外加应力下缺陷的活动情况，可提供活性缺陷随载荷、时间和温度等外变量而变化的实时或连续信息。但是传统的声发射检测需要机械加载使整个结构或材料受力，经常引起附加损伤，并且大型构件的整体加载比较困难[1]。

　　电磁声发射技术是一种新型的无损检测技术，它通过对导电部件进行电磁加载产生洛仑兹力，进而激发声发射效应，并通过这个效应来进行无损检测。因此，电磁声发射技术具有电磁加载和声发射检测的优点。将电磁加载应用到声发射无损检测中，不仅具有声发射动态检测的优点，而且由于缺陷本身是应力波发生源，因此可以用来检测和定位构件上隐藏的微小裂缝。

　　由电磁感应在导体材料中感应涡流产生超声波进行无损探伤已经是一个成熟的技术[2-3]，但通过电磁加载在导体材料中激发声发射却是一个新的概念。流经金属导体的电流在缺陷部位(如气孔、裂缝或夹杂物)会产生集中现象，即缺陷部位的电流密度明显大于缺陷周围，尤其是在裂缝型缺陷的尖端，其电流密度比其他地方的电流密度大一个数量级。在电磁场的作用下，在导体缺陷部位会产生使缺陷进一步扩展的洛仑兹力，进而产生声发射信号。

　　利用电磁激励产生声发射信号来定位小的缺陷或裂缝，可以做到对特定区域的检测而不用对整个构件加载。构件可以在线进行检测，无需拆卸或制作工装。电磁声发射可根据需要进行加载，从而减少了传统声发射长期加载的时间要求。这种方法在飞机航行器、大的复杂铸件及多层接合材料中，对检测缺陷的类型及数量具有良好的发展潜力。

　　美国学者 P. Finkel 等人使用局部动态电磁加载成功地在薄板裂缝缺陷处产生了声发射信号[1,4]，并对电流分布进行了有限元模拟，证实了电磁声发射技术用于薄金属件无损检测的能力。虽然 P. Finkel等人并未对电磁声发射机理作细致地研究，但却指出在理论上确定电流脉冲和外部磁场的参数，通过数值仿真而优化参数是非常有必要的[1]。在国内，河北工业大学最早对电磁声发射技术进行了研究[5]。在此基础上，本文分析了电磁声发射缺陷处形变的大小及其形成原因，研究了缺陷的形变与加载条件的关系，其中电流脉冲和外部磁场对电磁声发射缺陷处形变的影响是研究重点。在数值分析的基础上进行了电磁声发射实验，给带有圆孔和裂纹的薄金属板施加脉冲电流，得到了电磁声发射信号，并成功地定位出了缺陷位置。