CN112649355A - 声发射信号监测点蚀的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了声发射信号监测点蚀的装置和方法。声发射信号监测点蚀的装置，包括：反应槽，反应槽内设有反应腔；封装体，封装体伸入到反应腔内；电极，电极镶嵌在封装体中，电极上设有暴露端和粘合端；声发射探头，声发射探头与粘合端贴合，暴露端的径向尺寸小于粘合端的径向尺寸，暴露端延伸到封装体的表面并暴露在反应腔内。有益效果：反应腔能容置腐蚀溶液，能为电极提供腐蚀环境；封装体包围在电极的周围，能为电极提供保护，使电极上的点蚀位置集中在暴露端；电极上的暴露端能暴露在反应腔中，且暴露端的径向尺寸小于粘合端的径向尺寸，能使点蚀位置集中在暴露端，并能使电极具备良好的声传导性能。

Description

声发射信号监测点蚀的装置和方法

技术领域

本发明涉及微区点蚀的声发射监测领域，特别涉及声发射信号监测点蚀的装置和方法。

背景技术

点蚀是一种常见的金属腐蚀类型。受到点蚀侵蚀后，金属表面会形成点蚀坑，进而恶化金属的力学性能。由于点蚀坑尺寸较小，且一般会在坑口形成一个金属盖从而掩盖坑内形貌，对点蚀的监测是业内长久以来一个重要的技术难题。

利用点蚀过程产生的声发射信号对点蚀进行监测是近年来一种较新的技术，但这一技术在实际生活与生产中仍未被应用。其中一个主要原因是人们对点蚀过程中声发射信号的信号源，以及点蚀萌生与发展的各个阶段的声发射信号特征仍不明确。目前主流的研究方法都使用大表面电极，在电极极化过程中会产生一系列处于不同发展阶段的点蚀坑，进而收集到的声发射信号为这一系列点蚀坑产生的混合信号，因而不能研究点蚀发展的各个阶段各自的信号特征。

现有技术中，关于单个点蚀坑的相关研究中，主要使用的是丝状电极，或是在块状电极上用树脂封一个小的表面，技术缺陷在于：丝状电极虽然有较好的声传导性能，但无法与声发射探头衔接；而块状电极由于声阻抗高，不能很好地传导声发射信号，它们都无法满足声发射研究的要求。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种能精确限定点蚀发生位置并准确传递声发射信号的声发射信号监测点蚀的装置和方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

声发射信号监测点蚀的装置，包括：

反应槽，反应槽内设有反应腔；

封装体，封装体伸入到反应腔内；

电极，电极镶嵌在封装体中，电极上设有暴露端和粘合端；

声发射探头，声发射探头与粘合端贴合，暴露端的径向尺寸小于粘合端的径向尺寸，暴露端延伸到封装体的表面并暴露在反应腔内。

上述声发射信号监测点蚀的装置至少具有以下有益效果：

反应腔能容置腐蚀溶液，能为电极提供腐蚀环境；封装体包围在电极的周围，能为电极提供保护，使电极上的点蚀位置集中在暴露端；电极上的暴露端能暴露在反应腔中，且暴露端的径向尺寸小于粘合端的径向尺寸，能使点蚀位置集中在暴露端，并能使电极具备良好的声传导性能；声发射探头贴合在粘合端，能准确监测声发射信号。

在一种可能的实施方式中，电极的形状为回转体，暴露端的形状为圆形，粘合端的形状为圆形，设定电极的侧面上的一点到电极的轴线的距离为r且r＝(sqrt(S₀e^mx))/π，其中，x为电极的侧面上的一点到暴露端所在的平面的距离，m＝ln(S_L/S₀)/L，e为自然数，π为圆周率，S₀为暴露端的面积且S₀＝π×(R1)2，S_L为粘合端的面积且S_L＝π×(R2)2，R1为暴露端的端面的半径，R2为粘合端的半径，L为暴露端到粘合端的距离。

在一种可能的实施方式中，封装体的形状为圆柱形，封装体的外径大于粘合端，封装体的材质为耐腐蚀材质。封装体的外径大于粘合端，能使电极的侧面被完全包裹在封装体中，有利于使点蚀的位置被限定在暴露端。

在一种可能的实施方式中，反应槽的材质为橡胶套管。橡胶套管材质具有良好的耐腐蚀性，能容置腐蚀液体并为点蚀提供条件。

在一种可能的实施方式中，声发射探头包括压电陶瓷元件和线缆，线缆与压电陶瓷元件电连接。压电陶瓷元件能精确监测声信号，线缆能将监测结果向外传输到计算机。

在一种可能的实施方式中，声发射信号监测点蚀的装置还包括粘合剂，粘合剂设在声发射探头与粘合端之间。粘合剂能固定声发射探头并使声发射探头紧密贴合在粘合端上。

声发射信号监测点蚀的方法，包括步骤：

将电极加工成形后放入圆柱形冷镶嵌模具内，将树脂材料配置好后倒入模具进行固化形成封装体；

树脂材料固化后将电极取出，用磨抛机磨抛电极的两端，去除电极两端的树脂材料并形成暴露端和粘合端；

将反应槽套在封装体的外侧；

将粘合剂涂抹于粘合端然后将声发射探头贴在粘合端上；

将腐蚀性溶液倒入反应槽中，使暴露端发生电化学反应产生点蚀，进而产生声发射信号。

以上声发射信号监测点蚀的方法至少具有以下有益效果：

本技术方案中的电极在套件辅助下，暴露小面积的同时又兼顾了良好的声学性能，还可以根据实验需要结合电化学手段进行金属腐蚀研究，解决了点蚀声发射研究中的电极设计的难题，能为探索点蚀声发射机制的机理研究提供硬件基础。电极暴露在腐蚀环境中的面积极小，使得在暴露端上只生成单个点蚀坑的概率大大提高，进而为对单个点蚀坑的萌生与发展的研究提供前提条件。电极具有良好的声传导性能，减少声信号在传递过程中的损耗，确保单个点蚀坑产生的微弱声发射信号可传递至声发射探头。

在一种可能的实施方式中，在粘合端上焊接铜丝，并通过铜丝将电极与电化学工作站进行电连接。电化学工作站能适应不同类型的实验，有利于提高通用性，在进行电化学测试的过程中同步接受声发射信号，并进行数据同步以实现对点蚀的声学和电化学同步观测。

在一种可能的实施方式中，将声发射探头与计算机电连接，通过计算机收集和记录监测结果。通过计算机收集和记录监测结果有利于数据的后续处理。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的声发射信号监测点蚀的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的电极的结构示意图；

图3为本发明实施例的图2的俯视图；

附图标记：

反应槽1、反应腔2、腐蚀溶液3、封装体4、电极5、暴露端6、粘合端7、声发射探头8、粘合剂9。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至3，声发射信号监测点蚀的装置，包括：

反应槽1，反应槽1内设有反应腔2；

封装体4，封装体4伸入到反应腔2内；

电极5，电极5镶嵌在封装体4中，电极5上设有暴露端6和粘合端7；

声发射探头8，声发射探头8与粘合端7贴合，暴露端6的径向尺寸小于粘合端7的径向尺寸，暴露端6延伸到封装体4的表面并暴露在反应腔2内。

上述声发射信号监测点蚀的装置至少具有以下有益效果：

反应腔2能容置腐蚀溶液3，能为电极5提供腐蚀环境；封装体4包围在电极5的周围，能为电极5提供保护，使电极5上的点蚀位置集中在暴露端6；电极5上的暴露端6能暴露在反应腔2中，且暴露端6的径向尺寸小于粘合端7的径向尺寸，能使点蚀位置集中在暴露端6，并能使电极5具备良好的声传导性能；声发射探头8贴合在粘合端7，能准确监测声发射信号。

关于声发射信号监测点蚀的装置，本技术方案中的电极5在套件辅助下，暴露小面积的同时又兼顾了良好的声学性能，还可以根据实验需要结合电化学手段进行金属腐蚀研究，解决了点蚀声发射研究中的电极5设计的难题，能为探索点蚀声发射机制的机理研究提供硬件基础。电极5暴露在腐蚀环境中的面积极小，使得在暴露端6上只生成单个点蚀坑的概率大大提高，进而为对单个点蚀坑的萌生与发展的研究提供前提条件。电极5具有良好的声传导性能，减少声信号在传递过程中的损耗，确保单个点蚀坑产生的微弱声发射信号可传递至声发射探头8。电极5除了可以监测点蚀的声发射，还可以通过在下表面焊接铜线的方式将电极5接入电化学工作站，进而进行其他类型的研究。

关于反应槽1，反应槽1的形状为箱体状，反应腔2内能容置腐蚀溶液3。腐蚀溶液3可选用但不限于氯化铁溶液。反应槽1的材质可选用但不限于橡胶套管，橡胶套管耐酸碱且具有一定的弹性。反应槽1能承载具有腐蚀性的反应溶液以模拟腐蚀环境，使腐蚀溶液3仅与电极5的暴露端6接触。

关于封装体4，封装体4为耐酸碱材料。封装体4的材质可选用但不限于耐酸碱的树脂材质。封装体4的外形为圆柱形，且与电极5同轴布置。封装体4能保护电极5的侧面，使腐蚀溶液3仅能接触到电极5的暴露端6。

关于电极5，收集单个点蚀坑在萌生和发展过程中的声发射信号是探究点蚀声发射机制的关键。一方面，产生单个点蚀坑的关键是暴露于腐蚀环境的电极5面积要足够小；另一方面，单个点蚀坑的声发射信号微弱，电极5需要有良好的声学性能。而本方案中的电极5间距暴露面积小和声学性能良好的特性。电极5的材质可选用但不限于304不锈钢。

关于声发射探头8，声发射探头8由压电陶瓷与线缆组成。声发射探头8具有圆盘的外形，其半径比电极5的粘合端7的半径略小，能接受声信号并将其转化为电信号通过线缆输入到电脑内进行后续数据处理。

在一种可能的实施方式中，电极5的形状为回转体，暴露端6的形状为圆形，粘合端7的形状为圆形，设定电极5的侧面上的一点到电极5的轴线的距离为r且r＝(sqrt(S₀e^mx))/π，其中，sqrt表示开平方根，x为电极5的侧面上的一点到暴露端6所在的平面的距离，m＝ln(S_L/S₀)/L，e为自然数，π为圆周率，S₀为暴露端6的面积且S₀＝π×(R1)2，S_L为粘合端7的面积且S_L＝π×(R2)2，R1为暴露端6的端面的半径，R2为粘合端7的半径，L为暴露端6到粘合端7的距离。

关于电极5，电极5为回转体，且电极5的侧面的半径从暴露端6到粘合端7逐渐变大，既能使能使点蚀位置被限定在暴露端6，又能使电极5具有良好的声传导性能，有利于精准监测点蚀过程与声信号之间的关系。尺寸r、x、L、R1、R2的具体位置如图2和3所示。以上尺寸关系的设计目的是将点蚀产生的声发射信号在最大程度上传输到声发射探头8上。一方面，在靠近暴露端6处的水平截面圆直径较小，远小于声波波长，从而声音只能沿电极5轴向传输而不发生横向传输；另一方面，在这一设计中截面圆的面积沿电极5中轴呈指数增长，这在最大程度上降低了声波在轴向传输过程中的声反射。同时，根据实验需要，可以在金属下表面焊接铜线并外接至电化学工作站作为工作电极5。

在一种可能的实施方式中，封装体4的形状为圆柱形，封装体4的外径大于粘合端7，封装体4的材质为耐腐蚀材质。封装体4的外径大于粘合端7，能使电极5的侧面被完全包裹在封装体4中，有利于使点蚀的位置被限定在暴露端6。

关于封装体4，封装体4的材质为耐腐蚀材质，耐腐蚀材质可选用但不限于环氧树脂。

在一种可能的实施方式中，反应槽1的材质为橡胶套管。橡胶套管材质具有良好的耐腐蚀性，能容置腐蚀液体并为点蚀提供条件。

在一种可能的实施方式中，声发射探头8包括压电陶瓷元件和线缆，线缆与压电陶瓷元件电连接。压电陶瓷元件能精确监测声信号，线缆能将监测结果向外传输到计算机。

在一种可能的实施方式中，声发射信号监测点蚀的装置还包括粘合剂9，粘合剂9设在声发射探头8与粘合端7之间。粘合剂9能固定声发射探头8并使声发射探头8紧密贴合在粘合端7上。

关于粘合剂9，粘合剂9为声学粘合材料。粘合材料的声阻抗与电极5的声阻抗和声发射探头8的声阻抗均较为接近的材料构成，主要的目的是贴合电极5与声发射探头8，并减少声信号从电极5传递至声发射探头8时的声损失。粘合剂9可选用但不限于凡士林。

声发射信号监测点蚀的方法，包括步骤：

将电极5加工成形后放入圆柱形冷镶嵌模具内，将树脂材料配置好后倒入模具进行固化形成封装体4；

树脂材料固化后将电极5取出，用磨抛机磨抛电极5的两端，去除电极5两端的树脂材料并形成暴露端6和粘合端7；

将反应槽1套在封装体4的外侧；

将粘合剂9涂抹于粘合端7然后将声发射探头8贴在粘合端7上；

将腐蚀性溶液倒入反应槽1中，使暴露端6发生电化学反应产生点蚀，进而产生声发射信号。

以上声发射信号监测点蚀的方法至少具有以下有益效果：

本技术方案中的电极5在套件辅助下，暴露小面积的同时又兼顾了良好的声学性能，还可以根据实验需要结合电化学手段进行金属腐蚀研究，解决了点蚀声发射研究中的电极5设计的难题，能为探索点蚀声发射机制的机理研究提供硬件基础。电极5暴露在腐蚀环境中的面积极小，使得在暴露端6上只生成单个点蚀坑的概率大大提高，进而为对单个点蚀坑的萌生与发展的研究提供前提条件。电极5具有良好的声传导性能，减少声信号在传递过程中的损耗，确保单个点蚀坑产生的微弱声发射信号可传递至声发射探头8。

在一种可能的实施方式中，在粘合端7上焊接铜丝，并通过铜丝将电极5与电化学工作站进行电连接。电化学工作站能适应不同类型的实验，有利于提高通用性，在进行电化学测试的过程中同步接受声发射信号，并进行数据同步以实现对点蚀的声学和电化学同步观测。

在一种可能的实施方式中，将声发射探头8与计算机电连接，通过计算机收集和记录监测结果。通过计算机收集和记录监测结果有利于数据的后续处理。

关于声发射信号监测点蚀的方法，以304不锈钢作为电极5的材料，通过数控机床加工成电极5的类圆台外形，暴露端6的半径为100微米，粘合端7的半径为1.7厘米，电极5的高度L为1.5厘米。该电极5随后被放入内径为2厘米，高度为2厘米的冷镶模具中，用环氧树脂作为封装体4进行封装。环氧树脂调配好后倒入模具中，在室温固化24小时。固化后将电极5从模具取出。用120目到2000目的各规格砂纸，由粗到细依次进行打磨，使电极5的不锈钢部分的两端均暴露在空气中从而形成暴露端6和粘合端7。随后，将一内径为1.8厘米，长度3厘米的橡胶短管作为反应槽1，套在暴露端6的一侧；在粘合端7的一侧均匀涂抹凡士林，作为粘合剂9，随后将声发射探头8贴在电极5的粘合端7上。在反应槽1中加入1mol/L的氯化铁溶液，氯化铁溶液具有一定腐蚀性，能使304不锈钢自发地进行点蚀，而不需要额外使用电化学手段。溶液加入后开始对电极5的声发射信号进行监测，同时使用录像机对电极5的暴露端6的形貌进行观测和记录，确定接收到声发射信号时对应的点蚀的阶段。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于，包括：

反应槽，所述反应槽内设有反应腔；

封装体，所述封装体伸入到所述反应腔内；

电极，所述电极镶嵌在所述封装体中，所述电极上设有暴露端和粘合端；

声发射探头，所述声发射探头与所述粘合端贴合，所述暴露端的径向尺寸小于所述粘合端的径向尺寸，所述暴露端延伸到所述封装体的表面并暴露在所述反应腔内。

2.根据权利要求1所述的声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于：所述电极的形状为回转体，所述暴露端的形状为圆形，所述粘合端的形状为圆形，设定所述电极的侧面上的一点到所述电极的轴线的距离为r且r＝(sqrt(S₀e^mx))/π，其中，x为所述电极的侧面上的一点到所述暴露端所在的平面的距离，m＝ln(S_L/S₀)/L，e为自然数，π为圆周率，S₀为暴露端的面积且S₀＝π×(R1)²，S_L为粘合端的面积且S_L＝π×(R2)²，R1为所述暴露端的端面的半径，R2为所述粘合端的半径，L为所述暴露端到所述粘合端的距离。

3.根据权利要求1或2所述的声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于：所述封装体的形状为圆柱形，所述封装体的外径大于所述粘合端，所述封装体的材质为耐腐蚀材质。

4.根据权利要求1或2所述的声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于：所述反应槽的材质为橡胶套管。

5.根据权利要求1或2所述的声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于：所述声发射探头包括压电陶瓷元件和线缆，所述线缆与所述压电陶瓷元件电连接。

6.根据权利要求5所述的声发射信号监测点蚀的装置，其特征在于：所述声发射信号监测点蚀的装置还包括粘合剂，所述粘合剂设在所述声发射探头与所述粘合端之间。

7.声发射信号监测点蚀的方法，其特征在于包括步骤：

将电极加工成形后放入圆柱形冷镶嵌模具内，将树脂材料配置好后倒入模具进行固化形成封装体；

所述树脂材料固化后将所述电极取出，用磨抛机磨抛所述电极的两端，去除所述电极两端的树脂材料并形成暴露端和粘合端；

将反应槽套在所述封装体的外侧；

将粘合剂涂抹于所述粘合端然后将声发射探头贴在所述粘合端上；

将腐蚀性溶液倒入反应槽中，使暴露端发生电化学反应产生点蚀，进而产生声发射信号。

8.根据权利要求7所述的声发射信号监测点蚀的方法，其特征在于：在所述粘合端上焊接铜丝，并通过所述铜丝将所述电极与电化学工作站进行电连接。

9.根据权利要求7或8所述的声发射信号监测点蚀的方法，其特征在于：将所述声发射探头与计算机电连接，通过所述计算机收集和记录监测结果。

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