基于聲發射技術實時監測金屬空蝕過程的超聲空蝕實驗裝置的研制

黃治偉，黃振峰＊，郭珊珊，陳 蕓，肖延安

（廣西大學a.機械工程學院；b.廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，廣西 南寧 530004）

0 引言

隨著超聲空化及空蝕研究的深入，其成果已應用到了材料、醫學、化工、國防、軍事等多個領域。越來越多的研究者開始研究水力機械、高速涵洞、水翼、舵等設備在使用過程中被空蝕的現象。使用超聲波對金屬材料進行超聲空蝕是近幾年興起的一種研究材料損傷的新方法，它通過大功率超聲波等介質作用于樣品，可快速模擬試驗樣品與液體接觸面的空蝕現象，從而分析材料的空蝕機理[1]。部分企業根據市場需求，生產了系統化的超聲空蝕試驗機，但因缺少實際的試驗經驗，現在市面上出售的超聲空蝕試驗機，其結構都是超聲部件垂直放置、試件完全置于（浸泡于）空化介質中，不利于探索空蝕過程的規律。聲發射技術作為一項新型的無損檢測技術，能有效規避地形、結構和環境的影響，適用于多種復雜工況下的狀態監測和故障診斷[2]。同時考慮到空蝕聲發射信號是最能反映空蝕程度的主要特征信號，因此將聲發射技術應用于金屬材料的空蝕過程的實時監測，顯然會更有助于了解金屬材料的空蝕過程及其空蝕機理。

針對以上情況，設計了一種基于聲發射技術實時監測金屬材料空蝕過程的超聲空蝕實驗裝置，該裝置既能夠實現金屬材料的超聲空蝕，空蝕速率快、空蝕效果明顯，又能夠通過聲發射傳感器實時采集金屬材料空蝕過程產生的聲發射信號，利用聲發射技術對被空蝕金屬的空蝕特性進行實時分析，為使用聲發射技術研究金屬材料的空蝕影響因素及其空蝕機理提供實驗裝置。

1 總體方案的設計

1.1 總體機構設計

為了使金屬材料在短時間內被空蝕，需要使用驅動電源產生大功率高頻交流電，壓電傳感器在變交流電作用下伸長或縮短，驅動超聲波換能器工作將電源端的高功率信號轉換為機械振動，機械振動在經過變幅桿的放大后傳輸到工具頭（工具頭是整個超聲振動部件的最終端，將機械振動傳輸到空蝕介質中，機械振動在空蝕介質中傳輸產生氣泡，氣泡在高壓區潰滅，連續潰滅的氣泡不斷作用在金屬材料表面致使其發生塑性扭曲、疲勞損傷，最終導致表面材料剝落）。將聲發射傳感器安裝在被空蝕的試件上，通過聲發射傳感器對聲發射源所產生的聲發射信號進行采集，將采集到的信號傳輸到聲發射系統進行綜合分析。雖然聲發射檢測對構件的幾何形狀不敏感，但聲發射傳感器對構件安裝環境有一定的要求，如大多數聲發射傳感器要求黏合界面為無水環境。

如圖1 所示，該裝置由金屬材料空蝕裝置和聲發射系統組成。超聲作用工具頭發射面與試件被空蝕面成90°，且以工具頭和試件為整體的部分與水平面成45°角布置，既保證超聲作用工具頭和試件的空化區完全置于（浸泡于）空化介質中，又能使試件的另一端延伸出空化介質液體界面，為安裝聲發射傳感器提供位置，實時監測金屬材料空蝕過程的聲發射信號；另外，利用輔助移動系統實現工具頭與試件之間的距離的可實現自動控制；還設置了空化介質循環和溫度控制系統，保證在長時間的空化實驗中空化介質溫度恒定在氣蝕標準協議ASTM G32-06 要求的25±2 ℃[3]。

圖1 一種采用聲發射實時監測金屬空蝕過程的超聲空蝕實驗裝置結構圖

金屬材料空蝕裝置包含超聲波空蝕發生器和裝有空蝕介質的玻璃容器。超聲波空蝕發生器包含智能數控超聲波發生器、換能器、變幅桿和工具頭，工具頭一端接在變幅桿上，另一端深入到玻璃容器的空蝕介質內。裝有空蝕介質的玻璃容器與溫度控制系統一起實現空化介質的循環及溫度控制。

聲發射系統包括聲發射傳感器和聲發射信號綜合分析系統。聲發射傳感器通過耦合劑與被空蝕金屬未浸入到空蝕介質的部分黏合；聲發射信號綜合分析系統通過分析采集卡采集到的信號，對被空蝕金屬的空蝕特性進行實時分析。

1.2 工作原理

裝置原理圖如圖2 所示，金屬材料超聲空蝕系統包括超聲波空蝕發生器、恒溫裝置和盛有空蝕介質的玻璃容器。超聲波空蝕發生器包括智能數控超聲波發生器、換能器、變幅桿和工具頭。智能數控超聲波發生器與換能器相連；換能器一端接在變幅桿上；變幅桿一端接在工具頭上；工具頭一端伸入玻璃容器內，伸入到水面下的工具頭用于安裝測試被空蝕試件，超聲波空蝕發生器用工具頭驅動被空蝕試件在水下高頻振動，從而完成對金屬試件的空蝕實驗。恒溫裝置用于保持玻璃容器內水溫恒定，包括工業冷水機、連接軟管、外循環泵和玻璃容器。

圖2 一種采用聲發射實時監測金屬空蝕過程的超聲空蝕實驗裝置原理圖

將空蝕試件安裝在螺旋壓板內，開啟智能數控超聲波發生器，智能數控超聲波發生器開始工作，通過換能器、變幅桿和工具頭帶動空蝕試件振動。聲發射傳感器通過耦合劑與空蝕試件粘合，聲發射傳感器將收集到的信號傳遞到采集卡中進行保存，計算機可以讀取采集卡中的數據并進行綜合數據分析。空蝕實驗和聲發射傳感器監測同時進行，在正常運行過程中不會相互干擾。

2 細節方案設計

2.1 空化介質循環和溫度控制系統的設計

當氣泡在高壓區潰滅時會形成高強度的沖擊波或者微射流，沖擊波和微射流作用到試樣的表面就會產生大量的熱使得水溫升高，水溫的改變會影響空化氣泡的產生，因此，需要控制空化介質的溫度在一定范圍內，根據氣蝕標準協議ASTM G32-06 最佳空蝕介質溫度為25±2 ℃。從圖3 中可以看到，空化介質循環和溫度控制系統主要由工業冷水機、連接軟管、外循環泵和玻璃容器組成。工業冷水機把水溫控制在25±2 ℃，連接軟管一端接在工業冷水機出水口，一端接在玻璃容器的入水口，將工業冷水機產生的25 ℃恒溫水通入玻璃容器內。外循環泵一端接在玻璃容器的出水口，一端接在工業冷水機的入水口，把溫度升高的水送回工業冷水機進行恒溫控制，從而實現空化介質的循環和恒溫控制。

圖3 循環恒溫水控制系統

2.2 超聲作用部件移動控制系統的設計

盡管超聲空化效應已在材料表面改性、超聲清洗、超聲治療等各個方面得到了應用，但其在實際應用中會受環境因素、設備參數和材料種類等多種影響。在眾多影響因素中，超聲工具頭作用面與材料被空蝕面的垂直距離對于金屬材料的超聲空蝕結果有重要的影響，因此設計了超聲作用部件移動控制系統去控制工具頭與待空蝕試件的垂直距離，以便研究不同作用距離對金屬材料超聲空蝕的影響。從圖4 中可以看到，超聲作用部件移動控制系統包括移動裝置與夾持裝置。移動裝置包括步進電機、電機固定座、聯軸器、滾珠絲桿固定端、滾珠絲桿、絲桿螺母、螺母座、導軌、導軌滑塊和滾珠絲桿固定端。步進電機通過聯軸器與滾珠絲桿連接帶動滾珠絲桿轉動，螺母座和絲桿螺母在滾珠絲桿上移動。夾持裝置包括固定塊和支撐座，固定塊通過螺釘與導軌滑塊和螺母座連接在一起，支撐座通過螺釘與固定塊連接在一起，支撐座用于夾持超聲波換能器。當步進電機帶動滾珠絲桿轉動，滾珠絲桿上的螺母座和絲桿螺母在滾珠絲桿上移動，螺母座帶動固定塊移動，固定塊帶動導軌滑塊在導軌上移動，進一步，固定塊帶動支撐座和超聲波空蝕發生器移動，從而實現超聲波空蝕發生器的工具頭與被空蝕試件的距離可自動控制。

圖4 超聲作用部件移動控制機構

2.3 空蝕試件夾具的設計

從圖5 中可以看到，空蝕試件夾具裝置包括螺旋壓板、定位稍和球面墊圈，螺旋壓板把被空蝕的金屬試件壓在球面墊圈和支架上。球面墊圈對被空蝕試件起底端支撐固定作用，定位對被空蝕試件起側面固定作用，從而實現對被空蝕試件的裝夾固定。

圖5 空蝕試件夾具機構

3 結語

到目前為止，市場上的超聲空蝕試驗機，其結構都是超聲部件垂直放置、試件完全置于（浸泡于）空化介質中，不便于對空蝕過程進行探索。本設計不同于目前市場上的超聲空蝕試驗機，該產品機構簡單、操作靈活、空蝕效率高，可調節超聲作用部件與被空蝕試件的距離，且被空蝕試件有部分未浸入到空蝕介質內，為安裝聲發射傳感器提供了位置。在超聲空蝕的過程中，空蝕區所發生的變化會產生豐富的聲發射信號，利用聲發射技術可以提取超聲空蝕過程里所包含的大量信息。當金屬試件在水中被超聲空蝕時產生的聲發射信號以瞬態波的形式傳播到材料的表面，被聲發射傳感器接收到，然后將其轉換為電信號。電信號經過前置放大器放大后，被檢測系統接收，檢測系統處理、分析所傳遞信號，可以實現對聲發射信號源特征、性質、定位等分析，并做出金屬材料超聲空蝕特性的評價。這將為研究金屬材料的空蝕過程、分析金屬材料的空蝕機理提供新的實驗裝置。