摘要：對(duì)帶有外部缺陷的Q235鋼箱型梁彎曲試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究試驗(yàn)過(guò)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(hào)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(cè)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(duì)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(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TH878 文章編號(hào)：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(guò)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(guó)有多于55.6萬(wàn)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(jiàn)的缺陷之一。起重機(jī)傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)有目測(cè)、超聲檢測(cè)和應(yīng)力測(cè)試等，但是這些傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法容易忽視缺陷并且花費(fèi)巨大。聲發(fā)射檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)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(cè)到活動(dòng)的缺陷。在國(guó)內(nèi)和國(guó)外，起重機(jī)梁的聲發(fā)射檢測(cè)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(cè)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(cè)其試驗(yàn)過(guò)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(guò)程中對(duì)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(cè)。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡(jiǎn)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(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，因此應(yīng)用也開(kāi)始越來(lái)越廣泛。聲發(fā)射技術(shù)在材料和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)中占有很重要的地位，是在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種材料和構(gòu)件評(píng)價(jià)的新方法，現(xiàn)已成為一種不可缺少的檢測(cè)手段。

聲發(fā)射檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，適合于長(zhǎng)期在線的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其電信號(hào)復(fù)雜，要求分析人員有較強(qiáng)的信號(hào)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(cè)相對(duì)于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)（渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)和磁粉檢測(cè)）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(duì)材料是否存在缺陷進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)缺陷的活度進(jìn)行判斷，并且可以對(duì)大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)、做出有效的完整性評(píng)價(jià)，進(jìn)而為起重機(jī)械的有效安全監(jiān)測(cè)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(hào)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(hào)傳感器、AEP4前置放大器自試件中接收聲發(fā)射信號(hào)，前置放大器可獲得的聲發(fā)射信號(hào)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(hào)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(hào)。門(mén)檻值設(shè)為40dB。

2.3 加載過(guò)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(hào)，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(guò)程出現(xiàn)了極少的聲發(fā)射信號(hào)，由此說(shuō)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(guò)程，從0kN到280kN，然后卸載到0kN；第二次加載過(guò)程，如第一次加載過(guò)程；第三次加載過(guò)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(hào)參數(shù)

試件整個(gè)加載過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)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(hào)撞擊數(shù)很快升高，這說(shuō)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(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)幅度分布記錄，在3次從0kN到280kN加載過(guò)程中，第一次加載是比其他兩次聲發(fā)射信號(hào)活躍，數(shù)據(jù)顯示第一次加載過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)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(hào)，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(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)幅度要比從0kN到280kN過(guò)程中高一些，并且增長(zhǎng)也快。也就是說(shuō)，聲發(fā)射信號(hào)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(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)聲信號(hào)參數(shù)過(guò)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(hào)卻保留了下來(lái)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在裂紋擴(kuò)展過(guò)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(cè)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(guò)程后，焊縫在磨平和磁粉檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中聲發(fā)射直線定位方法可以比較精確地對(duì)箱型梁的聲發(fā)射源進(jìn)行定位，通過(guò)消除殘余應(yīng)力、分離噪聲和布置聲發(fā)射參數(shù)過(guò)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(zhǎng)度和深度不斷增加，累計(jì)增發(fā)射撞擊數(shù)快速增長(zhǎng)，并且聲發(fā)射信號(hào)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(guò)程中會(huì)有大量的聲發(fā)射信號(hào)，但是在其他的兩次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)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(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 李喜孟.聲發(fā)射檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

作者簡(jiǎn)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(lèi)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）