楊浩宇 李 強(qiáng) 李福森

1 太原學(xué)院 太原 030022 2 國(guó)家起重運(yùn)輸機(jī)械質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 北京 100007

0 引言

橋式起重機(jī)廣泛應(yīng)用于軍工制造、機(jī)械化工、能源電力、新材料加工等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。近年來，橋式起重機(jī)一直都在致力于進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，而實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑之一就是要采用大量的異種鋼焊接接頭。異種鋼焊接接頭的穩(wěn)定安全決定著工作者的生命安全和企業(yè)的財(cái)產(chǎn)安全，在2005 年～2006 年期間某港口曾發(fā)生起重機(jī)主梁斷裂事故，造成了嚴(yán)重的社會(huì)影響[1]。在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)者需要通過技術(shù)手段對(duì)橋式起重機(jī)箱形梁主要受力點(diǎn)的異種鋼焊接接頭完進(jìn)行合理安全的在線監(jiān)測(cè)，精確作到壽命預(yù)測(cè)和危險(xiǎn)警告。

聲發(fā)射技術(shù)是一種成熟的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，通過材料發(fā)生變形損壞時(shí)釋放應(yīng)變能實(shí)現(xiàn)。聲發(fā)射技術(shù)的顯著特點(diǎn)就是監(jiān)測(cè)材料動(dòng)態(tài)損傷情況，并以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來，從而便于分析損傷情況。利用技術(shù)手段，充分利用聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，形成對(duì)異種鋼焊接接頭較有效的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)可能存在危險(xiǎn)的判斷和警告[2]。

橋式起重機(jī)異種鋼焊接接頭中主要為Q345B 鋼和Q235B 鋼的異種鋼焊接，受循環(huán)載荷的作用，損傷方式為疲勞損傷。為了將聲發(fā)射技術(shù)更好的應(yīng)用于大型橋式起重機(jī)監(jiān)測(cè)中并及時(shí)預(yù)警，本文將利用聲發(fā)射機(jī)理的研究[1]，對(duì)橋式起重機(jī)箱形主梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭完成疲勞損傷聲發(fā)射表征。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)研究所用的母材材料為Q345B 鋼和Q235B鋼。表1 和表2 列出了Q345B 鋼與Q235B 鋼的具體成分和力學(xué)性能，并通過觀察圖1 可以發(fā)現(xiàn)Q345B 鋼與Q235B 鋼的金相組織都為珠光體+鐵素體。

圖1 不同母材金相組織圖

表1 Q345B 鋼化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能表

表2 Q235B 鋼化學(xué)成分和常規(guī)力學(xué)性能表

本實(shí)驗(yàn)在工廠廠房進(jìn)行，將Q345B 鋼和Q235B 鋼通過自動(dòng)焊完成異種焊接（焊絲選擇H08Mn2SiA 或H08）。圖2 是Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭的微觀組織，深色部分是珠光體，淺色部分是先共析鐵素體，在大片淺色區(qū)域內(nèi)還發(fā)現(xiàn)了深色球狀?yuàn)A雜物，這表明經(jīng)過異種焊接后焊接接頭組織發(fā)生了變化。

圖2 異種鋼焊接接頭微觀組織圖

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞斷口應(yīng)進(jìn)行超聲清洗，清洗液為無水乙醇，清洗10 min。將清洗后的試樣斷口吹干后，立即放到掃描電鏡（CamScan-3400）鏡頭下進(jìn)行不同放大倍數(shù)的SEM 觀察。

聲發(fā)射設(shè)備采用CZ 系列的R15 型窄頻聲發(fā)射換能器，其共振頻率為150 kHz，響應(yīng)頻率為100 ～400 kHz，聲發(fā)射硬件設(shè)置和定位設(shè)置的具體參數(shù)分別如表3、表4 所示。橋式起重機(jī)箱形梁動(dòng)載實(shí)驗(yàn)選用400 kN 橋式起重機(jī)主梁疲勞試驗(yàn)控制臺(tái)，試驗(yàn)采用正弦循環(huán)加載的方式，平均載荷設(shè)置為50 kN，幅度設(shè)置為55 kN，加載頻率設(shè)置為2 Hz。

表3 聲發(fā)射硬件設(shè)置參數(shù)表

表4 聲發(fā)射定位設(shè)置表 mm

1.3 箱形主梁聲發(fā)射檢測(cè)布點(diǎn)設(shè)計(jì)

針對(duì)橋式起重機(jī)箱形梁特殊的結(jié)構(gòu)，本次試驗(yàn)采用基于EAF（Energy And Frequency）和LAP（Linear And Planar）復(fù)合策略的橋式起重機(jī)箱形梁聲發(fā)射檢測(cè)裝置及損傷檢測(cè)方法，主要是利用線性定位和平面局部定位復(fù)合判定橋式起重機(jī)的損傷部位。EAF 主要負(fù)責(zé)AE 信號(hào)的濾波，通過能量和平均頻率消除噪聲干擾，確保收集到的信息能準(zhǔn)確地反映箱形梁的受損狀況。表示的是一種聲發(fā)射多維濾波策略，該策略利用能量和平均頻率對(duì)AE 采集到的信息進(jìn)行去噪聲處理。LAP 是通過二維異面線性定位初步發(fā)現(xiàn)損傷位置，然后平面局部定位構(gòu)建四邊形區(qū)域縮小損傷位置范圍[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)

根據(jù)斷裂力學(xué)相關(guān)知識(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK存在關(guān)系，即

根據(jù)割線法原理可知，Δa/ΔN可近似地用于計(jì)算疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN，進(jìn)而橋式起重機(jī)箱形主梁可求得應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK，即

式中：T為材料自身決定，Sr為發(fā)生裂紋應(yīng)力幅，a為斷裂的大小。

在整個(gè)疲勞斷裂過程中，疲勞裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的關(guān)系分為3 個(gè)過程：1）疲勞裂紋萌生擴(kuò)展，此時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK開始增加，裂紋擴(kuò)展速率迅速增長(zhǎng)；2）疲勞裂紋穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，此時(shí)da/dN與ΔK基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，此階段時(shí)間較長(zhǎng)；3）疲勞裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，疲勞裂紋擴(kuò)展速率加快并瞬間發(fā)生斷裂[4]。本實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可得到圖3 所示Q345B/Q235B異種鋼焊接接頭da/dN與ΔK的關(guān)系圖。

圖3 異種鋼焊接接頭da/dN 與ΔK 關(guān)系圖

由圖3 可知，Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭da/dN與ΔK的變化關(guān)系分為3 個(gè)階段。其中，裂紋萌生階段應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔK低于40 MPa·m1/2，裂紋擴(kuò)展速率較快。當(dāng)ΔK達(dá)到43 MPa·m1/2時(shí)，進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，整個(gè)過程經(jīng)歷43 ～71 MPa·m1/2。如果ΔK超過71 MPa·m1/2，則異種鋼焊接接頭裂紋擴(kuò)展速率迅速增長(zhǎng)，并在ΔK為78 MPa·m1/2時(shí)發(fā)生斷裂，此過程即裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展過程。由此，可將裂紋從平穩(wěn)擴(kuò)展階段變化為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段時(shí)的變化點(diǎn)作為橋式起重機(jī)箱形主梁即將發(fā)生斷裂的預(yù)警點(diǎn)，預(yù)警相關(guān)工作人員及時(shí)采取緊急措施。

2.2 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞損傷過中聲發(fā)射信號(hào)的雙譜分析

在整個(gè)疲勞實(shí)驗(yàn)過程中，統(tǒng)計(jì)Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭的疲勞循環(huán)周次以及聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)，繪制其函數(shù)圖（見圖4）。在圖4 中，整個(gè)曲線分為3 個(gè)階段，每個(gè)階段對(duì)應(yīng)不同的特征。1）第1 階段累計(jì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)在較少循環(huán)周次內(nèi)迅速增長(zhǎng)；2）第2 階段出現(xiàn)個(gè)平臺(tái)，隨著疲勞循環(huán)周次的增加，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)緩慢變化，且此過程中占據(jù)整個(gè)疲勞過程的2/3；3）當(dāng)循環(huán)周次超過某一點(diǎn)時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)又開始迅猛增長(zhǎng)。這3 個(gè)階段和疲勞斷裂過程中裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅關(guān)系圖中的3 個(gè)階段相對(duì)應(yīng)。針對(duì)3 個(gè)階段各自的特點(diǎn)，本文采用聲發(fā)射雙譜分析技術(shù)對(duì)不同階段的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行區(qū)分辨別。

圖4 聲發(fā)射計(jì)數(shù)與疲勞循環(huán)周次關(guān)系圖

通過雙譜分析方法可得到表5 所列Q345B/Q235B異種鋼焊接接頭疲勞斷裂3 個(gè)階段的3 種不同特征參數(shù)，即波形、雙譜圖及損傷度頻率。由圖5 可知，裂紋萌生階段的波形為連續(xù)型，雙譜圖存在多個(gè)峰值，損傷度頻率為142 kHz，小于150 kHz；由圖6 可知，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段的波形不是整個(gè)過程都連續(xù)，雙譜圖存在2 個(gè)峰值，損傷度頻率為180 kHz，處于160 ～200 kHz；由圖7 可知，裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段的波形呈現(xiàn)多段型特征，雙譜圖為單峰形狀，損傷度頻率為262 kHz，大于200 kHz。由此可以看出，裂紋萌生階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段波形、雙譜圖、損傷度頻率的區(qū)別很明顯。

圖5 裂紋萌生階段波形圖、雙譜圖

圖6 裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段波形圖、雙譜圖

圖7 裂紋進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段波形圖、雙譜圖

2.3 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞損傷聲發(fā)射源機(jī)制

如前所述，橋式起重機(jī)箱形梁疲勞損傷過程中3 個(gè)階段對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射信號(hào)是有區(qū)別的，為此本文利用掃描電鏡通過對(duì)疲勞斷口研究，明確不同階段產(chǎn)生不同聲發(fā)射信號(hào)的原因，即各自的聲發(fā)射源機(jī)制。

圖8 為Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭的疲勞斷口掃描圖，在圖中可以觀察到裂紋由①—②—③方向擴(kuò)展。其中，區(qū)域①表示裂紋萌生擴(kuò)展階段的疲勞斷口狀態(tài)，其裂紋源為線性源，說明此時(shí)的裂紋尖端出現(xiàn)較多塑性變形，有應(yīng)力集中發(fā)生。這一斷口形貌的發(fā)現(xiàn)解釋了圖4 當(dāng)中疲勞裂紋萌生階段聲發(fā)射計(jì)數(shù)之所以迅速增長(zhǎng)的原因，是因線性裂紋源尖端發(fā)生劇烈塑性變形而發(fā)出彈性波，從而產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)增長(zhǎng)迅速。區(qū)域②表示的是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，整個(gè)區(qū)域比較平整規(guī)則，da/dN比較緩慢。由該階段的掃描電鏡照片可以觀察到疲勞條帶既淺又窄，說明疲勞損傷過程中能量釋放較少，因而產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)量少，累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。此階段聲發(fā)射信號(hào)源基本來源于位錯(cuò)活動(dòng)以及少量的新屈服現(xiàn)象。區(qū)域③為裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，斷口表面崎嶇不平，疲勞裂紋擴(kuò)展迅速直至斷裂。由該階段的掃描電鏡照片可以觀察到疲勞條帶既大又寬，韌窩、撕裂棱明顯，端口呈現(xiàn)微裂紋韌性斷裂樣態(tài)，韌帶的撕裂會(huì)短時(shí)間產(chǎn)生較多聲發(fā)射信號(hào)，累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)快速增長(zhǎng)。

圖8 異種鋼焊接接頭疲勞斷口掃描照片

通過對(duì)聲發(fā)射源機(jī)制的研究，證明了通過聲發(fā)射信號(hào)的分析，可以判別橋式起重機(jī)循環(huán)載荷下疲勞損傷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)及早預(yù)警的目的。

2.4 箱形梁異種鋼焊接接頭不同缺陷位置對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，橋式起重機(jī)箱形梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞損傷缺陷可能發(fā)生在焊縫和熱影響區(qū)的不同位置，需要進(jìn)一步探究對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響。本文選擇分別在Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)位置設(shè)置缺陷，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際缺陷情況如圖9 所示。

圖9 異種鋼焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫缺陷位置圖

圖10為Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭不同缺陷位置疲勞損傷實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)與循環(huán)周次的關(guān)系圖。從圖中可以看到焊縫和熱影響區(qū)都有3 個(gè)階段，第2 階段即裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段均占據(jù)整個(gè)疲勞過程的很多時(shí)間。焊縫和熱影響區(qū)實(shí)驗(yàn)主要區(qū)別主要有2 點(diǎn)：1）熱影響區(qū)疲勞壽命低于焊縫，疲勞周次約少100 次，表明熱影響區(qū)先發(fā)生疲勞斷裂；2）熱影響區(qū)和焊縫在第1 階段轉(zhuǎn)變?yōu)榈? 階段的循環(huán)周次差不多，但熱影響區(qū)第2 階段轉(zhuǎn)變?yōu)榈? 階段應(yīng)提前于焊縫，這說明熱影響區(qū)先進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)域直至發(fā)生疲勞斷裂。

圖10 不同缺陷位置疲勞實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)與循環(huán)周次關(guān)系圖

對(duì)Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭熱影響區(qū)和焊縫2 種不同缺陷位置疲勞實(shí)驗(yàn)各階段典型聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行雙譜分析，并計(jì)算損傷度頻率。將裂紋萌生階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖11 ～圖13 所示。通過對(duì)比可知，熱影響區(qū)各階段聲發(fā)射歸一化雙譜值都為單峰特征，而焊縫中有多峰出現(xiàn)。另外，疲勞裂紋萌生階段，2 種不同缺陷位置的損傷度頻率基本差不多；裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展階段，熱影響區(qū)損傷度頻率都大于焊縫。這表明熱影響區(qū)疲勞損傷程度更大，更容易發(fā)生疲勞斷裂。

圖11 裂紋萌生階段典型信號(hào)的歸一化雙譜值圖

上述研究結(jié)果表明，箱形主梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭在受到循環(huán)載荷作用時(shí)，熱影響區(qū)更容易發(fā)生疲勞斷裂，進(jìn)而引發(fā)事故。所以，箱形主梁在實(shí)際服役過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注異種鋼焊接接頭熱影響區(qū)位置，及早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，并提出警告。

3 結(jié)論

1）Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞損傷過程分3 個(gè)階段：第1 階段即裂紋萌生階段，聲發(fā)射信號(hào)量迅速增加，聲發(fā)射源機(jī)制為裂紋尖端大量塑性變形和加載初期摩擦噪聲的存在；第2 階段即裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)增長(zhǎng)較慢，保持一個(gè)平臺(tái)，此時(shí)聲發(fā)射源機(jī)制為塑性區(qū)有新屈服現(xiàn)象和位錯(cuò)活動(dòng)；第3 階段即裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)量再次迅速上升，此階段聲發(fā)射源機(jī)制主要為小裂紋和孔洞的韌帶撕裂。通過聲發(fā)射信號(hào)的分析，可以判別橋式起重機(jī)循環(huán)載荷下疲勞損傷狀態(tài)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)及早預(yù)警的目的。

2）對(duì)比Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)2 種不同缺陷位置疲勞實(shí)驗(yàn)各階段典型聲發(fā)射信號(hào)，可知熱影響區(qū)在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展階段損傷度頻率均高于焊縫，且熱影響區(qū)先進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段直至斷裂，疲勞壽命短，說明異種鋼焊接接頭熱影響區(qū)比焊縫位置更易發(fā)生疲勞斷裂。