摘要:對帶有外部缺陷的Q235鋼箱型梁彎曲試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行監(jiān)測,研究試驗(yàn)過程中裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射參數(shù)特征和定位特征。彈性變形階段的聲發(fā)射密集程度和能量比屈服變形后的階段弱,彈性階段的聲發(fā)射信號最高幅度為64dB。在彈性階段期間,當(dāng)箱型梁承受的最大載荷比帶有缺陷的試件承受的最大載荷小時(shí),缺陷很難被檢測到。結(jié)果表明:在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中,當(dāng)裂紋發(fā)生擴(kuò)展時(shí),直線定位方法可以有效地對聲發(fā)射源進(jìn)行定位。
關(guān)鍵詞:Q235鋼;外部缺陷;聲發(fā)射;彎曲試驗(yàn);三點(diǎn)彎曲試驗(yàn) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
中圖分類號:TH878 文章編號:1009-2374(2015)21-0013-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.007
1 概述
在現(xiàn)代工業(yè)制造過程中,起重機(jī)是吊裝、運(yùn)輸、裝卸、安裝、維護(hù)和運(yùn)載人等工作中必不可少且應(yīng)用最廣泛的設(shè)備,中國有多于55.6萬的起重機(jī),從工作系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)空間到完成起重機(jī)的全部功能,起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)要支撐整個(gè)機(jī)械自重和加載到起重機(jī)的外部載荷。因此,起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的狀態(tài)直接影響到整個(gè)機(jī)械的安全性和可靠性。裂紋是起重機(jī)結(jié)構(gòu)中常見的缺陷之一。起重機(jī)傳統(tǒng)的無損檢測有目測、超聲檢測和應(yīng)力測試等,但是這些傳統(tǒng)的無損檢測方法容易忽視缺陷并且花費(fèi)巨大。聲發(fā)射檢測是無損檢測技術(shù)中的一種補(bǔ)充方法。整個(gè)結(jié)構(gòu)在一次加載試驗(yàn)中可以檢測到活動(dòng)的缺陷。在國內(nèi)和國外,起重機(jī)梁的聲發(fā)射檢測也有很多研究。但是起重機(jī)中廣泛應(yīng)用的Q235鋼箱型梁結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射特征卻很少有人研究,在進(jìn)行起重機(jī)聲發(fā)射檢測之前必須明確起重機(jī)常用結(jié)構(gòu)件中裂紋擴(kuò)展的Q235鋼箱型結(jié)構(gòu)件的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),用聲發(fā)射儀器監(jiān)測其試驗(yàn)過程的聲發(fā)射現(xiàn)象,分析聲發(fā)射參數(shù)特征和定位特征。因此,設(shè)計(jì)帶有預(yù)置裂紋的Q235鋼箱型梁試件,并且在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中對裂紋傳播的聲發(fā)射參數(shù)和定位特征進(jìn)行聲發(fā)射技術(shù)檢測。
聲發(fā)射(Acoustic Emission,簡稱AE)是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。由于聲發(fā)射可以對設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測,因此應(yīng)用也開始越來越廣泛。聲發(fā)射技術(shù)在材料和結(jié)構(gòu)的無損檢測中占有很重要的地位,是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種材料和構(gòu)件評價(jià)的新方法,現(xiàn)已成為一種不可缺少的檢測手段。
聲發(fā)射檢測是一種動(dòng)態(tài)的無損檢測方法,適合于長期在線的現(xiàn)場監(jiān)測,其電信號復(fù)雜,要求分析人員有較強(qiáng)的信號分析能力。目前,聲發(fā)射較成熟地應(yīng)用于聲發(fā)射源定位。聲發(fā)射檢測相對于其他無損檢測技術(shù)(渦流檢測、射線檢測、超聲檢測、滲透檢測和磁粉檢測)而言,敏感性好,具有動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、整體和連續(xù)等特點(diǎn)。聲發(fā)射技術(shù)不僅可以對材料是否存在缺陷進(jìn)行檢測,還可以對缺陷的活度進(jìn)行判斷,并且可以對大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測、做出有效的完整性評價(jià),進(jìn)而為起重機(jī)械的有效安全監(jiān)測提供準(zhǔn)確的依據(jù)。
2 試驗(yàn)
2.1 試件尺寸
試件是用Q235焊接而成,板厚8mm,利用銅絲和FeS粉,分別在箱型梁試件底板上預(yù)置焊接裂紋缺陷1和缺陷2。
2.2 試驗(yàn)儀器
彎曲試驗(yàn)采用SANS SHT4206型號型微機(jī)控制力學(xué)試驗(yàn)機(jī),其最大載荷為2000kN。
采用全數(shù)字多通道聲發(fā)射系統(tǒng)系列AMSY-5型8聲發(fā)射儀,此聲發(fā)射儀是Vallen-System GmbH制造的,包括傳感器、前置放大器、計(jì)算機(jī)軟件、纜線等。試驗(yàn)中采用VS150-RIC和VS900-RIC型號傳感器、AEP4前置放大器自試件中接收聲發(fā)射信號,前置放大器可獲得的聲發(fā)射信號幅度為34dB。傳感器S1、S2和S3布置在試件腹板上,這三個(gè)傳感器型號一次分別是VS900-RIC、VS150-RIC和VS150-RIC型。其中傳感器S2、S3組成直線定位組,傳感器S1獲取聲發(fā)射定位源的寬頻帶波形信號。門檻值設(shè)為40dB。
2.3 加載過程和噪聲消除
在試件預(yù)置裂紋之前,在試件上加載靜載荷,以此消除殘余應(yīng)力可能會(huì)引起的噪聲。試驗(yàn)中最大靜載荷可達(dá)到306kN,并且此試件仍處于彈性變形階段。試驗(yàn)中為分離噪聲和聲發(fā)射信號,在支點(diǎn)和壓頭與時(shí)間接觸面上襯墊Polyvinylchloride (PVC)塑料板,然后將試件加載3次,每次最大加載載荷少于306kN。最后兩次加載過程出現(xiàn)了極少的聲發(fā)射信號,由此說明,由于材料殘余應(yīng)力和試驗(yàn)儀器中的摩擦所引起的噪聲消除的
很好。
然后,在試件上加載載荷,加載程序如下:第一次加載過程,從0kN到280kN,然后卸載到0kN;第二次加載過程,如第一次加載過程;第三次加載過程,從0kN到280kN,然后卸載到0kN,在第三次加載時(shí),在試件加載240kN到280kN之間停止,并保持載荷5分鐘。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 聲發(fā)射信號參數(shù)
試件整個(gè)加載過程中的聲發(fā)射信號撞擊數(shù)—時(shí)間記錄,第一次加載時(shí)間是0~300s,第二次加載時(shí)間是2400~2800s,第三次是3330~4450s。第三次試件加載載荷從280kN到387kN曲線比第一次加載載荷從0kN到280kN時(shí)間內(nèi)上升的更快。隨著加載載荷的增加,聲發(fā)射信號撞擊數(shù)很快升高,這說明,隨著加載載荷的不斷增加,裂紋擴(kuò)展速度增強(qiáng)。
試件整個(gè)加載過程中的聲發(fā)射信號幅度分布記錄,在3次從0kN到280kN加載過程中,第一次加載是比其他兩次聲發(fā)射信號活躍,數(shù)據(jù)顯示第一次加載過程中聲發(fā)射信號幅度最高為64dB。這表明,在帶有外部裂紋試件承受最大壓力時(shí)會(huì)發(fā)出很多聲發(fā)射信號,但是幅度要比第一次低很多。此外,試件加載載荷從280kN到387kN過程中,聲發(fā)射信號幅度要比從0kN到280kN過程中高一些,并且增長也快。也就是說,聲發(fā)射信號幅度隨著加載載荷的增加而提高。
3.2 聲發(fā)射定位特征
Q235鋼箱型梁試件在第一次和第三次加載過程中聲發(fā)射源定位,在試驗(yàn)中,由于承受載荷,布置在梁支點(diǎn)和壓頭位置的PVC塑料板在第一次加載時(shí)就已發(fā)生破壞。在兩支點(diǎn)和壓頭處出現(xiàn)了一些聲發(fā)射信號,經(jīng)過聲信號參數(shù)過濾,兩支點(diǎn)和壓頭處的聲發(fā)射已經(jīng)被消除,而其他的信號卻保留了下來。試驗(yàn)結(jié)果表明,在裂紋擴(kuò)展過程中,聲發(fā)射的直線定位法可以精確地定位箱型梁中的聲發(fā)射源。
3.3 外部缺陷的宏觀特征
缺陷1包括兩個(gè)焊接的前置裂紋,利用磁粉檢測方法,可以觀察到外部裂紋,以上的外部缺陷要比缺陷2清晰的多。在第一次加載過程后,焊縫在磨平和磁粉檢測后,進(jìn)行觀察。當(dāng)試件加載到280kN后的外部特征,此時(shí)試件仍處于彈性變形階段。宏觀裂紋主要出現(xiàn)在縱向位置。出現(xiàn)在載荷為378kN時(shí),這時(shí)候承重已經(jīng)達(dá)到極限。與實(shí)驗(yàn)之前的裂紋相比較,我們可以發(fā)現(xiàn),裂紋隨著加載的增多而發(fā)生擴(kuò)展,彈性階段期間,數(shù)量較少,長度和深度比屈服階段要窄。
4 結(jié)論
由Q235鋼箱型梁彎曲試驗(yàn)的聲發(fā)射監(jiān)測,我們可以得出以下結(jié)論:
(1)在裂紋擴(kuò)展過程中聲發(fā)射直線定位方法可以比較精確地對箱型梁的聲發(fā)射源進(jìn)行定位,通過消除殘余應(yīng)力、分離噪聲和布置聲發(fā)射參數(shù)過濾器等方法可以排除噪聲的影響。
(2)隨著帶有前置外部裂紋的箱型梁加載載荷的增加,宏觀裂紋的長度和深度不斷增加,累計(jì)增發(fā)射撞擊數(shù)快速增長,并且聲發(fā)射信號幅度也在不斷升高。
(3)帶有外部缺陷的試件在彈性變形階段反復(fù)加載到同一水平時(shí),在第一次加載過程中會(huì)有大量的聲發(fā)射信號,但是在其他的兩次實(shí)驗(yàn)過程中,聲發(fā)射信號都要少一些,并且幅度也更低。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊明緯,耿榮生.聲發(fā)射檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[2] 李喜孟.聲發(fā)射檢測[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.
作者簡介:臧揚(yáng)揚(yáng),男,河北獻(xiàn)縣人,保定市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所助理工程師,研究方向:機(jī)械工程類。
(責(zé)任編輯:周 瓊)