声发射的ELID超精密磨削光学玻璃技术研究

第一篇：声发射的ELID超精密磨削光学玻璃技术研究

声发射的ELID超精密磨削光学玻璃

技术研究

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磨削是用声发射进行研究的。实验结果表明，在磨削过程砂轮和工件之间的接触面积是对精细粒度的树脂结合剂砂轮的承载能力至关重要。ELID可用于当砂轮和工件接触面积大时材料去除的高效性。ELID砂轮的敷料强度之间的与检测到的AE信号之间的相关性进行了观察。更细的粒度砂轮磨削的进取ELID修整参数对应于一个较低的AE水平。当ELID砂轮的处理时间增加时，低而稳定的AE振幅由于砂轮磨削的恶化变得大而波动。结果表明，声发射检测技术有潜力被采纳为超精密磨削过程监测，确定砂轮的条件和调查ELID磨削机制的有效方法。Q 2005 Elsevier公司保留所有产权。关键词：ELID磨削玻璃；声发射； 1.引言

在精密磨削，实现高质量的表面最实用的方法是使用一个细磨粒尺寸砂轮。然而，随着粒度的减小，用于存储碎屑的空间变小，承载容易冲突[ 1 ]。当碎屑填充在砂轮表面的活性颗粒的孔隙间时砂轮受到负载。当去除率超过碎屑存储可用率，碎屑会积聚在碎屑存储空间[ 2 ]。磨屑粘附在砂轮表面减少了磨粒出刃的层次和存储新的碎屑的空间由此产生了砂轮和工件之间沉闷的摩擦行为。因此，表面光洁度差，严重损伤都将在加载条件下出现。车轮负载可以限制加工效率甚至使磨削变得不可能。树脂和金属结合剂砂轮是精密磨削常用的。他们有相对较少的空隙当敷料、整形后，修整表面太光滑、致密，活动构件间不足的空间来容纳芯片[ 2 ]。当钝的磨粒和树脂粘结材料被磨损是精细粒度的树脂结合剂砂轮光学玻璃的精密磨削可能发生自我修正过程。使用树脂结合剂砂轮的自我修整效果仍需被研究。在线电解修整（ELID）技术被用来减轻精细粒度的金属结合剂砂轮的负载。ELID电化学技术是通过原位电解来持续修整金属结合剂砂轮[ 3–7 ]。电解化学修饰了磨削砂轮的表面，在磨削过程中磨削砂轮的层数也被改善以此来提供必要的磨粒出刃和芯片存储空间。在精密磨削中，保持最佳的砂轮面貌是实现高质量的质地表面必不可少的。实时过程监控或检测方法来确保所需的砂轮状态和部分质量[ 8 ]。无损评价（NDE）传感器的应用可以在实时监控磨削过程中发挥重要的作用。在超精密加工光学玻璃，材料以非常低的材料去除率从工件去除，未切割的切屑厚度通常是在纳米水平以使表面/亚表面损伤打到最低。小的切削深度下功耗，振动和力信号具有很低的灵敏度和信噪比（ANR），这是因为在切削过程中的低层次的力。一些在传统的加工操作常用的传感器来监测切削过程精度是很困难的。然而，声发射（AE）信号已被证明是足够敏感的来监测精密磨削，并更适合用于监测非常快的事件，例如力的测量[9–11 ]。由于声发射波的传播频率从100千赫到1兆赫，远高于多数结构固有频率，机械振动不会影响的AE信号[ 10 ]。因此声发射作为理想方法来表征材料去除活性，提供工具条件和零件质量信息。声发射波可以由一个声发射传感器（压电换能器）检测，它安装在靠近地表的位置。声发射源包括弹性碰撞，摩擦，压痕裂纹，键的断裂，切屑断裂，断口，和车轮/工件界面除砂[8,9]。先前的研究已经表明，磨损颗粒，砂轮负荷，沉重的摩擦，和硬的粘结材料可能会导致较大的声发射能量[ 11–13 ]。车轮荷载，耕，和滑动是声发射能量的主要来源。耕的特征为无材料去除工件的塑性变形，由于这种变形而消耗能量。滑动由于磨粒和工件之间的滑动摩擦而消耗能量。扩展的磨削操作过程中砂轮负载的影响降低了磨粒切削作用的效率，由于砂工作的互动组件产生打的耕和滑动（摩擦）部件。这预计将增加过程中声发射能量。已经做出许多努力来发展状态监测系统来利用声发射信号中提取的特征。工业应用一个比较可靠的方法均方根（RMS），来评价声发射信号。均方根评价AE信号被定义为：

其中v（t）是AE原始信号，T是整合期。

在过去的二十年里中ELID技术已深入研究。对ELID的原理，据作者所知，据大森的描述以前的文献中没有先进的明显。为了了解和提高ELID技术，金属基体修整砂轮的的电化学行为应进行彻底调查。为了研磨过程的监测，力在以前的研究通常被用于评估磨削工艺和探讨ELID机制。据报道，ELID可以磨削开始阶段提供降低和几乎恒定的磨削力。Lim研究了ELID参数的影响，表明磨削力随着修整电流的占空比的增加而下降。Fathima指出，对于粗粒度的砂轮修，低占空比修整是可取的，而较高的易磨性和更高的占空比被推荐用于精细粒度的砂轮以达到高质量的表面。在这项研究中，声发射法被用于评估ELID为减轻砂轮轮负载的有效性和确定砂轮的条件。结论建立采用刚性机床tetraform C，磨削BK7玻璃和微晶玻璃测试的基础上。本研究的目的是评估铸铁结合剂砂轮ELID磨削的性能并将之与不经ELID的树脂结合剂砂轮磨削想比较。声发射的等级对应于不同的电修整参数是基于声发射的测量研究。这项研究还调查了ELID机制，提供了最佳的磨削条件如何实现的预测。2.实验设置

ELID和没有ELID的磨削试验是在精密平面磨床tetraform C上进行[ 6 ]。使用了2到7mm的粒度尺寸，124毫米直径和4毫米表面宽度的铸铁结合剂（CIB）和树脂结合剂金刚石砂轮。工件的材料是微晶玻璃和BK7玻璃，或者长方形（16×10毫米）或圆形（直径50毫米）。ELID系统采用不锈钢作为阴极，用220毫米的敷料覆盖缺口1 / 6的轮面。一种水基磨削液CEM，富士模具，日本，作为冷却液和电解质。ELID应用的电源是一个ed-921（富士模具，日本）。AE信号采集系统的流程图如图1所示。使用压电传感器的传感器采集声发射信号。传感器1，图1所示，是一个宽带100–1000千赫的物理声学有限公司的模型。该传感器使用凡士林连接到工件表面。声发射信号经传感器转换成电信号，通过前置放大器放大到可用的电压水平并转移到aedsp-32 / 16卡，它有16位分辨率的数据记录。前置放大器（1220A）提供了100的收益（40分贝）和使用100–1200 kHz带宽的带宽滤波器来消除机械和声学背景噪声，优先在低频率。每秒2百万的采样率频率进行信号采集。声发射设施被用来短时间内获得AE原始信号和快速傅立叶变换（FFT）分析。另一个声发射系统，AE4000-1，沃尔特凯利公司，与“S”型传感器——图1-2的传感器，用于收集的被纠正的AE信号来监测在一个完整的磨削循环声发射的变化。

3.结果与讨论

3.1.树脂结合剂和铸铁结合剂（ELID）砂轮的声发射

如图2所示杯形砂轮的研磨材料去除区分主要和次要。一般来说，主要的材料去除区可以考虑进行大多数材料去除，而二级材料去除工艺去除地面材料一个很小的比例，可以考虑作为一个加工区。超精密磨削，如切削深度相对于砂轮的边缘的半径非常小时，主去除区域和次区域以及他们之间的边界都很难区分（图2）。因此，本文并不试图区分声发射来自不同的材料去除区的贡献。对树脂结合剂砂轮磨削产生的声发射信号（无ELID）和CIB轮（ELID）进行了研究。初步试验是用BK7玻璃样品使用7毫米粒度砂轮在39米/秒的轮速，6毫米/分钟进给速度，5毫米深度进行切割。加工过程中砂轮和工件之间的接触面积是40平方毫米。图3为一些通过AErms磨削的结果，它表明铸铁结合剂砂轮ELID磨削比树脂结合剂砂轮产生更高的AErms和表现更大的散射。没有摩擦的痕迹或地面严重损坏表面。进一步实验是用表面直径50毫米的BK7玻璃样品以39米/秒轮的转速，2 mm切削深度，和3毫米/分钟进给率进行切割。在磨削过程中砂轮和工件之间接触面积的变化范围在0–200平方毫米。图4显示了树脂结合剂和金属结合剂砂轮表面和工件接触面积变化相对应的声发射信号。每个砂轮总的材料去除量低于75毫米。在图4中，当砂轮和工件的接触面积小于150平方毫米时，树脂结合剂砂轮的声发射水平普遍低于金属结合剂砂轮。然而，树脂结合剂砂轮的砂轮和工件接触面积扩大时AE水平增加一个相当大的速率。图4表明，声发射信号的振幅达到在B点峰值，比达到最高的轮/工件接触面积200平方毫米更早。显然，轮/工件接触区在很大程度上影响了树脂结合剂砂轮磨削的AE振幅。对声发射信号的峰值的位置被认为与表面质量差相关联。在图4中的ELID轮产生的声发射信号具有较低的AE水平相对于相同的磨削参数下的树脂结合剂砂轮。轮/工件接触区并没有对ELID磨削的AE水平表现出的一个显着的影响。

图5显示了在当砂轮与工件接触面积为180平方毫米时树脂结合剂和技术结合剂砂轮磨削时声发射信号的时间域和频率域。采用树脂结合剂砂轮产生的声发射信号比金属结合剂砂轮产生的信号更大的振幅。树脂结合剂砂轮产生的锯齿状的AE信号可能是由于钝砂轮与工件之间摩擦或滑动作用。对于树脂结合剂砂轮磨削在频率成分的振幅的增加与ELID磨削在图（a）和（b）中做了一个整体比较。由两个砂轮产生的频率分量之间明显的差异可以在图5中观察到的。图6显示了两个车轮产生的表面。在ELID磨削和树脂结合剂砂轮磨削中，样品都经过了十次磨削过程，为了观察长时间的进程中砂轮状态的稳定性在，并增加轮和工件的接触面积。

图7显示了树脂结合剂砂轮的SEM照片。该照片是在两个不同的地方，一个远离和一个在砂轮的前缘的附近，它磨削时经历了最积极的条件。从这两幅图画的比较，很明显，该轮已在基体材料中裂纹扩展过程中损坏。前缘附近的光学显微镜在图8（a）表明，活动的金刚石磨粒的数量相比于图8（b）所示的卸载砂轮表面显著下降。影响轮式装载期间延长磨削操作降低了磨粒切削产生大的春耕行动和滑动的效率（摩擦）的磨粒工件的相互作用组件。随着砂轮的磨损，由于能源消耗翻耕和滑动部件负载的能源消耗增加，从而声发射也增加。研究结果表明，砂轮/工件接触面积是影响轮树脂结合剂砂轮加载的一个关键因素。严重的轮装载是为精细粒度的树脂结合剂砂轮所发展的，当轮/工件接触面积增加时。从中可以得出结论，当砂轮与工件之间的接触面积大时，一个经过ELID磨削的精细粒度的CIB的杯形砂轮比树脂结合剂砂轮能更好的克服车轮荷载。在这样的条件下，ELID方法有望成为更适合高效精密磨削的材料去除。

3.2.利用声发射检测车轮状态

ELID砂轮在修整后能迅速进入一个稳定的切削过程。然而，随着材料去除或处理时间的增加，ELID轮可能不良的砂轮地貌最终无法进行适当的切割。由于砂轮具有粗糙的表面和许多不导电磨料颗粒嵌入，电解质的散乱和金属表面之间会产生不均匀的电流分布，如图9所示（a）。在金属结合剂中电解质的流动和分布是由图中的等高线表示。可以看出，磨料颗粒和腔干扰了电流的流动。他们使其周边周围的电流密度的局部增加。该区暴露了碎屑去除表面氧化物的摩擦产生的金属键，如图9（b），也是修整电流的密集区域。这表明，金属基体的砂轮表面不均匀的电化学反应将由不均匀的电流分布产生而导致在金属表面的电解作用产生不同。图10显示了在一系列的磨削循环中BK7玻璃声发射信号的变化。当砂轮的材料去除量低于75立方毫米，声发射信号是稳定的，表现出相对小的值。在材料去除量的增加，声发射幅值增加并变得不稳定。CIB砂轮表面的光学显微照片如图11（a）所示，当去除材料后有裂缝的存在，砂轮表面有大的空隙和严重锈蚀的地区。长的裂缝可能来自短裂纹或缺陷，并被工件在车轮工作接口处的周期力下扩大。电解腐蚀电化学行为可以集中在这些位置促进裂化过程。探讨轮表面裂纹的形态，聚焦离子束（FIB）技术被用于监测砂轮表面的地下横段铣。图11（b）显示了离子束加工产生的沟槽，在纵向和横向裂纹的砂轮表面下观察。横向裂纹扩展与垂直裂缝连接。随着裂缝数量和严重程度的增加，破坏和粘结材料的去除是可能发生的，会导致砂轮面貌变坏，最后砂轮报废。图10中大振幅的AE信号随机分布可能对应于粘结材料的断裂。在磨削循环中逐渐增加的AE水平可能表明了砂轮的恶化。

3.3.ELID参数

电解对ELID轮表面的氧化物层的形成起着至关重要的作用。法拉第定律已被用于开展粘结材料的理论体积转化的表达，就是：

其中M是反应离子的原子量；I是电流；T是反应时间；Z是反应离子的价态；F法拉第常数；

是金属粘结的密度。

根据式（2），车轮表面的电解活性是受施加在砂轮和阴极电极之间电解电流的影响。有两个参数可用来确定应用于ELID的电源的修整电解的用量，是占空比和峰值电压。占空比定义为用于ELID方波时间的百分比。峰值电压是从ELID电源波形输出的振幅。从理论上讲，这两个参数可以影响砂轮表面腐蚀层产生的速度。实验结果表明，ELID强度更可能影响地面的质量，当研磨很细的磨料粒度的金刚石砂轮是。图12显示了光学显微镜下使用不同组合的占空比和峰值电压的ELID的2毫米粒度的CIB杯金刚石砂轮所产生的BK7质地表面。图12中的照片（a）显示了在10%的占空比和60 V峰值电压下一些质地上的严重摩擦损伤。摩擦损伤被认为是由一些在砂轮表面产生的钝的区域。在图12（a）中一个较大的放大倍率的光学显微镜表明了裂纹运行正常的滑动方向。随着占空比从10%增加到70%，摩擦作用在一定程度上缓解如图12（b），其中在摩擦损伤无裂纹。当应用70%占空比和90 V电压时，在表面的摩擦标记减少，如图12（c）。这些试验表明，高占空比和/或峰值电压可以为这些磨削条件提供足够的砂轮修整。图12（a）中地表的裂缝可通过砂轮和工件之间的摩擦产生的热效应产生。因为BK7具有的导热性差，当精细粒度的砂轮修整不够时热裂纹发生。

修整参数对声发射的影响进行了研究。试验通过16×10毫米的微晶玻璃样品和使用39米/秒的轮速，5毫米切割深度，6毫米/分钟进给速度的7毫米粒度砂轮进行。在测试系列之前先进行砂轮的整形和预修整。AE记在每个样品的表面被磨平几次之后开始。图13显示了利用10% / 60 V和70% / 90 V ELID参数的声发射原始信号和功率谱图。当使用更积极的ELID参数时，原始信号在时间域的AE幅值有所减少。AE振幅在频率域的频率成分也减少，当修整参数变得更积极时，如图13(a)和(b)所示。频率成分的下降率是比较大，在240和300千赫频率。图14和图15分别显示了占空比和峰值电压对AERMS的影响。结果表明，声发射能量的增加时占空比和峰值电压减少。占空比参数对声发射的能量的影响比峰值电压更为显著。ELID磨削涉及砂轮表面氧化层的去除和再生[ 3–5 ]。当在电解环境中应用大剂量的电时，砂轮表面氧化膜的形成是快速。在磨削过程中氧化物层的去除可以在车轮表面产生新的磨粒凸出和更多的碎屑存储空间，减少车轮荷载和颤振。平缓的修整参数可以导致不充足的修整，导致大的暗区，使砂轮和工件之间的切割效果较差。低效率的磨削和焊接金属和工件之间大的接触面积造成大的AE水平。

4.结论

声发射检测可用于识别砂轮装载和评估一个砂轮的磨削状态。本次调查表明，声发射能量随这砂轮荷载的发生而增加。当转动装置有长接触弧时精细粒度的杯形砂轮的ELID磨削不太可能遇到的轮装载，相比于树脂砂轮。因此，ELID磨削是高效精密磨削推荐使用的，组件都是比较大的。树脂结合剂砂轮的AE振幅显着增加对应了砂轮便面的剧烈摩擦。这表明，磨粒加工弧长时树脂结合剂砂轮无法进行有效的自我修整。然而，当轮和工件的接触面积小的时树脂结合剂砂轮容易产生较低的AE振幅。更温和的修整参数的ELID磨削可以为7毫米的细磨轮产生高的声发射能量。更细的粒度砂轮建议密集的修整过程和更具侵略性的修整参数来减小车轮负载和提高切削效率。修整参数的应用应考虑轮配置，磨削工艺参数和工件材料的性能，因此，依赖于一套复杂的多变量之间的相互作用。声发射检测技术有潜力被采用来监测复杂的ELID磨削过程并确保保持最佳的磨削条件的有效方法。

致谢

这项工作是由EC project—NanoGrind(GRD1-2001-40538)部分赞助。

第二篇：声发射技术的发展现状(牛超楠)

焊接检验论文

班级：材料科学与工程11-1

声发射技术发展现状

摘要：介绍了国内外声发射技术的发展历程和现状，综述主要研究和应用领域的现状，提出了我国目前急需解决的问题和发展趋势。关键词：声发射 应用 综述 1声发射的原理以及应用

一、声发射技术机理及特征

声发射(Acousticemission简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限ss而进进不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式开释应变能的现象。

在外部条件作用下，固体（材料或零部件）的缺陷或潜伏缺陷改变状态而自动发出瞬态弹性波的现象亦为声发射。

通常意义上的声发射源，一般是指材料受力的作用所产生的各种变形和断裂机制，例如：金属材料中的裂缝扩展、位错运动、滑移带的形成、孪生变形、晶界滑移、夹杂物的分离与开裂；复合材料中的基体开裂、层间分离、纤维和基体间界面分离和纤维断裂等，这些无损检测的主要对象，都是重要的声发射源。

声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频。它的幅度动态范围亦很广，从微弱的位错运动直到强烈的地震波。然而，声发射作为无损检测与无损评价手段，则是采用高灵敏度传感器，在材料或构件受外力的作用，且又远在其达到破损以前，接收来自这些缺陷与损伤开始出现或扩展时所发射的声发射信号，通过对这些信号的分析、处理来检测、评估材料或构件缺陷、损伤等内部特征。从而，通过声发射检测，可以确定：

1.材料或构件何时出现损伤； 2.材料或构件出现损伤的部位；

3.材料或构件出现损伤的严重程度及其危害性，对构件作出结构完整性评价。

作为一种新的无损检测技术，声发射检测技术与常规无损检测技术：渗透、磁粉、涡流、射线、超声检测相比较具有两个基本性的特点：敏感于动态缺陷，而不是静态缺陷；即不像其他无损检测技术只是在缺陷出现后，事后静态检测时才能发现，而是在缺陷萌生和扩展过程中，即能实时发现。-声发射波来自缺陷的本身而不是外部；从而可以得到有关缺陷的丰富的信息以及检测的高灵敏度与高分辨率。2 声发射的发展历程 现代声发射技术的开始以Kaiser二十世纪五十年代初在德国所作的研究工作为标志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中都有声发射现象。他最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应即：“材料被重新加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号”。现在人们称材料的这种不可逆现象为“Kaiser效应”。Kaiser同时提出了连续型和突发型声发射信号的概念。

二十世纪五十年代末和六十年代，美国和日本许多工作者在实验室中作了大量工作，研究了各种材料声发射源的物理机制，并初步应用于工程材料的无损检测领域。Dunegan首次将声发射技术应用于压力容器的检测。美国于1967年成立了声发射工作组，日本于1969年成立了声发射协会。

二十世纪七十年代初, Dunegan等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把仪器测试频率提高到100KHz-1MHz的范围内, 这是声发射实验技术的重大进展, 现代声发射仪器的研制成功为声发射技术从实验室走向在生产现场用于监视大型构件的结构完整性创造了条件。

随着现代声发射仪器的出现，整个七十年代和八十年代初人们从声发射源机制、波的传播到声发射信号分析方面开展了广泛和系统的深入研究工作。在生产现场也得到了广泛的应用，尤其在化工容器、核容器和焊接过程的控制方面取得了成功。Drouillard于1979年统计出版了1979年以前世界上发表的声发射论文目录[2], 据他的统计, 到1986年底世界上发表有关声发射的论文总数已超过5000篇[3]。

八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统, 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器, 并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件, 通过微处理计算机控制, 可以对被检测构件进行实时声发射源定位监测和数据分析显示。由于第二代声发射仪器体积和重量小易携带，从而推动了八十年代声发射技术进行现场检测的广泛应用，另一方面，由于采用286及更高级的微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提高，仪器的信息存储量巨大，从而提高了声发射检测技术的声发射源定位功能和缺陷检测准确率。

进入九十年代，美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国广州声华公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。目前声发射技术作为一种成熟的无损检测方法，已被广泛应用于许多领域，主要包括以下方面：

(1)石油化工工业：各种压力容器、压力管道和海洋石油平台的检测和结构完整性评价，常压贮罐底部、各种阀门和埋地管道的泄漏检测等。

(2)电力工业：高压蒸汽汽包、管道和阀门的检测和泄漏监测，汽轮机叶片的检测，汽轮机轴承运行状况的监测，变压器局部放电的检测。

(3)材料试验：材料的性能测试、断裂试验、疲劳试验、腐蚀监测和摩擦测试, 铁磁性材料的磁声发射测试等。

(4)民用工程：楼房、桥梁、起重机、隧道、大坝的检测，水泥结构裂纹开裂和扩展的连续监视等。

(5)航天和航空工业：航空器壳体和主要构件的检测和结构完整性评价，航空器的时效试验、疲劳试验检测和运行过程中的在线连续监测等。

(6)金属加工：工具磨损和断裂的探测，打磨轮或整形装置与工件接触的探测，修理整形的验证，金属加工过程的质量控制，焊接过程监测，振动探测，锻压测试，加工过程的碰撞探测和预防。

(7)交通运输业：长管拖车、公路和铁路槽车及船舶的检测和缺陷定位，铁路材料和结构的裂纹探测，桥梁和隧道的结构完整性检测，卡车和火车滚珠轴承和轴颈轴承的状态监测，火车车轮和轴承的断裂探测。

(8)其他：硬盘的干扰探测，带压瓶的完整性检测，庄稼和树木的干旱应力监测，磨损摩擦监测，岩石探测，地质和地震上的应用，发动机的状态监测，转动机械的在线过程监测，钢轧辊的裂纹探测，汽车轴承强化过程的监测，铸造过程监测，Li/MnO2电池的充放电监测，人骨头的摩擦、受力和破坏特性试验，骨关节状况的监测。

声发射检测方法在许多方面不同于其它常规无损检测方法，其优点主要表现为：

(1)声发射是一种动态检验方法，声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一样由无损检测仪器提供；

(2)声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺陷的活动情况，稳定的缺陷不产生声发射信号；

(3)在一次试验过程中，声发射检验能够整体探测和评价整个结构中活性缺陷的状态；

(4)可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因而适用于工业过程在线监控及早期或临近破坏预报；

(5)由于对被检件的接近要求不高，而适于其它方法难于或不能接近环境下的检测，如高低温、核辐射、易燃、易爆及极毒等环境；

(6)对于在用设备的定期检验，声发射检验方法可以缩短检验的停产时间或者不需要停产；

(7)对于设备的加载试验，声发射检验方法可以预防由未知不连续缺陷引起系统的灾难性失效和限定系统的最高工作载荷；

(8)由于对构件的几何形状不敏感，而适于检测其它方法受到限制的形状复杂的构件。主要研究和应用领域[4-15] 2.1 压力容器的声发射检测

压力容器检测是目前声发射技术在中国开展应用最成功和普遍的领域之一，人们已经对现场压力容器的声发射源进行了详细的研究工作[11]，通过大量的试验和现场应用，使这一方法已达到成熟，制定了国家标准，并编写了II级检测人员声发射培训教材[12]，对80多人进行了培训和II级资格认证。目前国内有近30家拥有声发射仪器的单位从事压力容器的声发射检测，国内的大部分多通道声发射仪由这些单位拥有。具粗略统计，这些单位每年采用声发射检测大型压力容器200～300台。

压力容器的声发射检测包括新制造压力容器水压试验时的声发射监测、在用压力容器的声发射检测和缺陷评价、压力容器工作状态下的声发射在线监测和安全评价[13]。由于我国在二十世纪七十年代投入使用的压力容器绝大部分存在各种各样的焊接缺陷，在定期检验过程中对采用超声波和射线方法发现的大量超标缺陷的处理十分困难，如全部返修工程造价甚至和更新的费用差不多，而采用声发射检测可以快速发现这些超标缺陷中存在的活性缺陷，仅许需对这些活性缺陷进行返修处理，压力容器即可重新投入使用。另外，在压力容器的运行过程中，许多到了检验周期但由于生产工艺的需要不能停产，而声发射技术是目前较成熟的在线无损检测方法，采用声发射进行在线监测，可以对压力容器的安全性进行评价，从而决定是否延长压力容器的检验周期。

声发射技术和大量的科研成果在我国压力容器检测中成功的推广和应用，一方面及时排除了大量带缺陷运行的压力容器的爆炸隐患，降低了恶性事故的发生，确保了这些压力容器的安全运行，取得了重大的社会效益；另一方面，声发射检测大大缩短了压力容器的检验周期，并减少了盲目返修和报废压力容器所带来的损失，为广大压力容器用户带来了巨大的经济效益，这种检验方法深受广大压力容器用户的欢迎。

2.2 航空航天工业中的应用

我国学者在这一领域也进行了广泛和深入的研究，并取得了一些重要成果。早在二十世纪八十年代初，国内有关单位就进行了飞机机翼疲劳试验过程中的声发射监测研究[14]，并在信号处理和识别技术方面积累了宝贵经验。空军第一研究所在某型飞机的全尺寸疲劳试验过程中(飞行长达16000小时)，用声发射技术对其主梁螺孔和隔框连接螺栓等部位疲劳裂纹的形成和扩展进行了跟踪监测，历时之长和积累数据之丰富都是前所未有的[16,17]。他们利用了声发射参数组成多维空间的一个特征矢量，成功进行了疲劳裂纹产生的声发射信号识别。除利用这种多参数识别方法外，还利用趋势分析和相关技术等方法对信号进行处理，建立了一套较完整的信号识别和处理体系。

2.3 复合材料的声发射特性研究

声发射技术目前已成为研究复合材料断裂机理和检测复合材料压力容器的重要方法。中科院沈阳金属所、航空621所、航天703所和44所在这些领域做了大量工作，尤其是44所作了大量复合材料压力容器的声发射检测，并起草了内部的检测与评价标准。目前采用声发射技术已能检测每根碳纤维或玻璃纤维丝束的断裂及丝束断裂载荷的分布，从而评价它们的质量。声发射技术还可以区分复合材料层板不同阶段的断裂特性，如基体开裂、纤维与基体界面开裂、分层和纤维断裂。另外，我国也有人采用声发射技术研究碳纤维增强聚酰亚胺复合材料升温固化的特性[18]。

2.4 声发射信号的处理技术

声发射检测的最主要目的之一是识别产生声发射源的部位和性质，而声发射信号的处理是解决这一问题的唯一途径。在声发射信号的处理和分析方面，除大家普遍常用经典声发射信号参数和定位分析之外，我国目前开展了处于世界前沿的基于波形分析基础之上的模态分析、经典谱分析、现代谱分析、小波分析和人工神经网络模式识别，另外也对声发射信号参数采用了模式识别、灰色关联分析和模糊分析等先进的技术，我国还自主开发了进行各种信号分析和模式识别的软件包。通过采用这些信号处理与分析技术，可以在不对声发射源部位进行其它常规无损检测方法复验的情况下，直接给出声发射源的性质及危险程度[19-22]。2.5 岩石的监测和应力测量

声发射现象的观测起源于地震的监测，现今广泛地用于岩石的监测和地质与石油钻探中的应力测量。冶金部武汉安全环保研究院近20年来一直开展矿山和大型水坝岩石塌方的监测研究和应用工作，近几年一直在长江三峡大坝对一些关键部位的岩石活动情况进行监测，为三峡大坝的建设提供了重要依据。中国科学院地质研究所利用岩石的KAISER效应测量古岩石的应力，以研究远古时期地质的变化情况。北京石油勘探开发设计院和北京石油大学采用声发射技术测量岩芯的主应力方向，达到确定油田最大水平应力方向的目的。这些成果已用在我国油田生产和开发上，取得了明显的经济效益。

2.6 在机械制造过程中的监控应用

声发射应用于机械制造过程或机加工过程的监控始于二十世纪七十年代末，我国在这一领域起步早、发展快。早在1986年国防科技大学等单位就进行了用声发射监测机加工刀具磨损的研究工作。现在，一些单位已研制成功车刀破损监测系统和钻头折断报警系统，前者的检测准确率高达99%。根据刀具与工件接触时挤压和摩擦产生声发射的原理，我国还成功研制出了高精度声发射对刀装置，用以保证配合件的加工精度。九十年代，有些部门已开始用人工神经网络进行刀具状态监控、切削形态识别与控制以及磨削接触与砂轮磨损监测等。2.7 铁路焊接结构疲劳损伤的监测

我国铁路部门对高速列车转向架构架模拟梁的焊接结构进行了声发射监测试验，采用声发射多参数分析技术监测了焊接梁疲劳试验的全过程，得到了构件疲劳损伤各阶段与声发射特征之间的关系，准确的监测到焊接梁中焊缝和应力集中处的裂纹萌生及扩展过程。所用方法可进一步用来确定构件的损伤程度，并有可能应用到铁路桥梁疲劳损伤监测中。2.8 泄漏监测

带压力流体介质的泄漏检测是声发射技术应用的一个重要方面，国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心、冶金部武汉安全环保研究院和清华大学无损检测中心在国家“八五”和“九五”期间合作对压力容器和压力管道气、液介质泄漏的声发射检测技术进行了研究，取得的科研成果目前已在一些石化企业的原油加热炉和城市埋地燃气管道的泄漏监测得到成功应用。核工业总公司武汉核动力运行研究所，于九十年代中期从美国进口了36通道声发射泄漏检测仪器，专门用于我国核电站的泄漏检测，目前已进行了大量研究和应用工作。国家质量监督检验检疫总局锅炉压力容器检测研究中心和大庆石油学院也分别开展了大型油罐底部声发射泄漏检测的研究和应用工作，初步取得了成功。2.9 磁声发射研究

我国于1984年由武汉大学首先开展铁磁性材料磁声发射的研究工作，随后北京科技大学和华中科技大学也相继开展了磁声发射的研究工作。武汉大学以多晶和单晶硅钢材料对磁声发射的机制进行了详细研究，并在世界上首次提出1800磁畴壁的运动也可以产生很大的磁声发射信号，他们提出了磁畴壁内磁化矢量的逐渐旋转运动会产生弹性波的模型，这可认为是对一般公认的磁声发射产生机制的完善和补充。北京科技大学将磁声发射与磁巴克豪森效应想结合，开发出可以测量焊缝残余应力的仪器。目前急需解决的问题和发展趋势

自学会成立的25年来，我国的声发射技术从实验室的研究到目前在许多工业领域得到成功应用，从开始研制采用电子管技术的模拟式单通道声发射仪到目前已研制出全数字化全波形的多通道声发射仪，从十几个从事声发射技术的研究人员到目前数百人的科研和检验队伍等多个方面都得到了巨大发展和取得了十分显著的成就，所有这些是我国声发射研究和检测人员努力的成果，但学会在组织学术交流活动、加强我国科研工作人员的信息交流与合作等方面也起到了很大的促进作用。

目前，虽然我国的声发射技术取得了很大进展，但应当承认与欧美等工业发达国家相比，在很多方面还有差距，考虑到我国当前科研和工程检测对声发射技术的需求，特提出以下我国急需解决的问题和声发射技术的发展趋势：(1)

依据；(2)在仪器开发方面，进一步完善和提高现有机型的功能和可靠性，开发适用在波的传播等基础理论领开展研究，为声发射技术在工程应用中提供理论于各种工程检测声发射信号数据分析与处理软件包，尤其需要开发适用于埋地管道和油罐底部泄漏检测的商品化仪器和软件；(3)在换能器制造方面，进一步完善和提高现有共振型换能器的制造水平，开发低频和高温换能器的制造技术，并形成商品销售；(4)加快声发射检测标准的制定和修订步伐，建立我国声发射检测的标准体系，为进一步推广声发射检测的工程应用打下基础，尽快赶上工业发达国家的水平；(5)加强各部门的协调，建立我国一致的检验人员培训和资质认证体系，扩大声发射检测人员的队伍，降低声发射检测人员取得资质证书的成本；(6)进一步拓展声发射检测技术的应用领域，重点开展桥梁、建筑物、埋地管道和大型常压油罐的声发射检测技术研究和应用；(7)进一步开展声发射信号各种处理分析技术和神经网络模式识别的研究，提高压力容器、压力管道和各种大型机械装备的在线检测应用水平。4 参考文献

[01].Ronnie K.Miller and Paul Mclntire eds, Vol.5, Acoustic Emission Testing, Nondestructive Testing Handbook, American Society for Nondestructive Testing, 1987.[02].T.Drouillard, “Acoustic Emission: A Bibliography with Abstracts”, Frances Laner, ed.New York, NY: IFI Plenum Data Company(1979).[03].T.F.Drouillard, “Acoustic Emission－The First Half Century”，Progress in Acoustic Emission Ⅶ, The Japanese Society for NDI, Japan, 1994.[04].沈功田，周裕峰，段庆儒, 李邦宪：“现场压力容器检验的声发射源”无损检测, 第21卷, 第7期, 1999年7月, P321-325.[05].沈功田，刘时风，戴光主编：锅炉压力容器压力管道及特种设备安全系列教材—声发射检测，2002年8月.[06].沈功田 段庆儒 李帮宪: “压力容器声发射技术综述”, 中国锅炉压力容器安全，第16卷, 第2期, P5-9，2000年3月.[ [08].耿荣生等, “飞机主梁疲劳裂纹萌生声发射信号的识别方法”, 航空学报, 1996, 17(3), P368-372.[09].沈功田, 秦平彦等:“碳纤维增强聚酰亚胺复合材料升温固化的声发射特性研究”，无损检测, 第20卷, 第5期, P126-128, 1998年5月;[10].耿荣生 沈功田 刘时风: “声发射信号处理专题综述”, 无损检测, 第24卷, 第1-12期, 2002年1-12月;[11].刘时风，“焊接缺陷声发射检测信号谱估计及人工神经网络模式识别研究”，[博士学位论文].北京：清华大学机械工程系，1996年.[12].戴光，“在用压力容器活性缺陷的声发射特性与模糊综合分析”，[博士学位论文], 杭州：浙江大学化工机械系，1996年.[13].沈功田，“金属压力容器的声发射源特性及识别方法的研究”，[博士学位论文].北京：清华大学机械工程系，1998年.[14].徐约黄, 沈功田:“磁声发射现象及其影响因素的探测”, 武汉大学学报(自然科学版), 1985年, 4期;

[15].徐约黄, 沈功田, 刘时风: “磁声发射现象及其机制的探讨”，金属学报, 第24卷, 增刊II, SB86-SB91, 1988年12月;