Q235鋼箱型梁彎曲試驗的聲發(fā)射檢測

摘要：對帶有外部缺陷的Q235鋼箱型梁彎曲試驗過程中的聲發(fā)射特征進行監(jiān)測，研究試驗過程中裂紋擴展的聲發(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，缺陷很難被檢測到。結果表明：在三點彎曲試驗中，當裂紋發(fā)生擴展時，直線定位方法可以有效地對聲發(fā)射源進行定位。

關鍵詞：Q235鋼；外部缺陷；聲發(fā)射；彎曲試驗；三點彎曲試驗 文獻標識碼：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，起重機是吊裝、運輸、裝卸、安裝、維護和運載人等工作中必不可少且應用最廣泛的設備，中國有多于55.6萬的起重機，從工作系統(tǒng)和運動空間到完成起重機的全部功能，起重機械金屬結構要支撐整個機械自重和加載到起重機的外部載荷。因此，起重機金屬結構的狀態(tài)直接影響到整個機械的安全性和可靠性。裂紋是起重機結構中常見的缺陷之一。起重機傳統(tǒng)的無損檢測有目測、超聲檢測和應力測試等，但是這些傳統(tǒng)的無損檢測方法容易忽視缺陷并且花費巨大。聲發(fā)射檢測是無損檢測技術中的一種補充方法。整個結構在一次加載試驗中可以檢測到活動的缺陷。在國內(nèi)和國外，起重機梁的聲發(fā)射檢測也有很多研究。但是起重機中廣泛應用的Q235鋼箱型梁結構的聲發(fā)射特征卻很少有人研究，在進行起重機聲發(fā)射檢測之前必須明確起重機常用結構件中裂紋擴展的Q235鋼箱型結構件的三點彎曲試驗，用聲發(fā)射儀器監(jiān)測其試驗過程的聲發(fā)射現(xiàn)象，分析聲發(fā)射參數(shù)特征和定位特征。因此，設計帶有預置裂紋的Q235鋼箱型梁試件，并且在三點彎曲試驗過程中對裂紋傳播的聲發(fā)射參數(shù)和定位特征進行聲發(fā)射技術檢測。

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)射可以對設備進行實時、動態(tài)的監(jiān)測，因此應用也開始越來越廣泛。聲發(fā)射技術在材料和結構的無損檢測中占有很重要的地位，是在20世紀60年代發(fā)展起來的一種材料和構件評價的新方法，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，其電信號復雜，要求分析人員有較強的信號分析能力。目前，聲發(fā)射較成熟地應用于聲發(fā)射源定位。聲發(fā)射檢測相對于其他無損檢測技術（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，具有動態(tài)、實時、整體和連續(xù)等特點。聲發(fā)射技術不僅可以對材料是否存在缺陷進行檢測，還可以對缺陷的活度進行判斷，并且可以對大型結構進行檢測、做出有效的完整性評價，進而為起重機械的有效安全監(jiān)測提供準確的依據(jù)。

2 試驗

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置焊接裂紋缺陷1和缺陷2。

2.2 試驗儀器

彎曲試驗采用SANS SHT4206型號型微機控制力學試驗機，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、計算機軟件、纜線等。試驗中采用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。門檻值設為40dB。

2.3 加載過程和噪聲消除

在試件預置裂紋之前，在試件上加載靜載荷，以此消除殘余應力可能會引起的噪聲。試驗中最大靜載荷可達到306kN，并且此試件仍處于彈性變形階段。試驗中為分離噪聲和聲發(fā)射信號，在支點和壓頭與時間接觸面上襯墊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，由于材料殘余應力和試驗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，在試件加載240kN到280kN之間停止，并保持載荷5分鐘。

3 試驗結果與分析

3.1 聲發(fā)射信號參數(shù)

試件整個加載過程中的聲發(fā)射信號撞擊數(shù)—時間記錄，第一次加載時間是0～300s，第二次加載時間是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，裂紋擴展速度增強。

試件整個加載過程中的聲發(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會發(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，在試驗中，由于承受載荷，布置在梁支點和壓頭位置的PVC塑料板在第一次加載時就已發(fā)生破壞。在兩支點和壓頭處出現(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。試驗結果表明，在裂紋擴展過程中，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，進行觀察。當試件加載到280kN后的外部特征，此時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，這時候承重已經(jīng)達到極限。與實驗之前的裂紋相比較，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 結論

由Q235鋼箱型梁彎曲試驗的聲發(fā)射監(jiān)測，我們可以得出以下結論：

（1）在裂紋擴展過程中聲發(fā)射直線定位方法可以比較精確地對箱型梁的聲發(fā)射源進行定位，通過消除殘余應力、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加載到同一水平時，在第一次加載過程中會有大量的聲發(fā)射信號，但是在其他的兩次實驗過程中，聲發(fā)射信號都要少一些，并且幅度也更低。

參考文獻

[1] 楊明緯，耿榮生.聲發(fā)射檢測[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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

作者簡介：臧揚揚，男，河北獻縣人，保定市特種設備監(jiān)督檢驗所助理工程師，研究方向：機械工程類。

（責任編輯：周 瓊）