橋式起重機箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞損傷的聲發射表征*

楊浩宇 李 強 李福森

1 太原學院 太原 030022 2 國家起重運輸機械質量檢驗檢測中心 北京 100007

0 引言

橋式起重機廣泛應用于軍工制造、機械化工、能源電力、新材料加工等領域，在國民經濟發展中占有重要地位。近年來，橋式起重機一直都在致力于進行輕量化設計，而實現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定安全決定著工作者的生命安全和企業的財產安全，在2005 年～2006 年期間某港口曾發生起重機主梁斷裂事故，造成了嚴重的社會影響[1]。在工業生產中，生產者需要通過技術手段對橋式起重機箱形梁主要受力點的異種鋼焊接接頭完進行合理安全的在線監測，精確作到壽命預測和危險警告。

聲發射技術是一種成熟的實時、動態檢測方法，通過材料發生變形損壞時釋放應變能實現。聲發射技術的顯著特點就是監測材料動態損傷情況，并以數據的形式呈現出來，從而便于分析損傷情況。利用技術手段，充分利用聲發射信號的數據信息，形成對異種鋼焊接接頭較有效的監測，進而實現對可能存在危險的判斷和警告[2]。

橋式起重機異種鋼焊接接頭中主要為Q345B 鋼和Q235B 鋼的異種鋼焊接，受循環載荷的作用，損傷方式為疲勞損傷。為了將聲發射技術更好的應用于大型橋式起重機監測中并及時預警，本文將利用聲發射機理的研究[1]，對橋式起重機箱形主梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭完成疲勞損傷聲發射表征。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗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性能，并通過觀察圖1 可以發現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 鋼化學成分和常規力學性能表

表2 Q235B 鋼化學成分和常規力學性能表

本實驗在工廠廠房進行，將Q345B 鋼和Q235B 鋼通過自動焊完成異種焊接（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，在大片淺色區域內還發現了深色球狀夾雜物，這表明經過異種焊接后焊接接頭組織發生了變化。

圖2 異種鋼焊接接頭微觀組織圖

1.2 實驗設備及參數設置

Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞斷口應進行超聲清洗，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）鏡頭下進行不同放大倍數的SEM 觀察。

聲發射設備采用CZ 系列的R15 型窄頻聲發射換能器，其共振頻率為150 kHz，響應頻率為100 ～400 kHz，聲發射硬件設置和定位設置的具體參數分別如表3、表4 所示。橋式起重機箱形梁動載實驗選用400 kN 橋式起重機主梁疲勞試驗控制臺，試驗采用正弦循環加載的方式，平均載荷設置為50 kN，幅度設置為55 kN，加載頻率設置為2 Hz。

表3 聲發射硬件設置參數表

表4 聲發射定位設置表 mm

1.3 箱形主梁聲發射檢測布點設計

針對橋式起重機箱形梁特殊的結構，本次試驗采用基于EAF（Energy And Frequency）和LAP（Linear And Planar）復合策略的橋式起重機箱形梁聲發射檢測裝置及損傷檢測方法，主要是利用線性定位和平面局部定位復合判定橋式起重機的損傷部位。EAF 主要負責AE 信號的濾波，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確地反映箱形梁的受損狀況。表示的是一種聲發射多維濾波策略，該策略利用能量和平均頻率對AE 采集到的信息進行去噪聲處理。LAP 是通過二維異面線性定位初步發現損傷位置，然后平面局部定位構建四邊形區域縮小損傷位置范圍[2]。

2 結果與討論

2.1 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞裂紋擴展特點

根據斷裂力學相關知識，疲勞裂紋擴展速率da/dN與應力強度因子幅ΔK存在關系，即

根據割線法原理可知，Δa/ΔN可近似地用于計算疲勞裂紋擴展速率da/dN，進而橋式起重機箱形主梁可求得應力強度因子幅ΔK，即

式中：T為材料自身決定，Sr為發生裂紋應力幅，a為斷裂的大小。

在整個疲勞斷裂過程中，疲勞裂紋擴展速率和應力強度因子幅的關系分為3 個過程：1）疲勞裂紋萌生擴展，此時應力強度因子幅ΔK開始增加，裂紋擴展速率迅速增長；2）疲勞裂紋穩定增長階段，此時da/dN與ΔK基本呈現線性關系，此階段時間較長；3）疲勞裂紋失穩擴展，疲勞裂紋擴展速率加快并瞬間發生斷裂[4]。本實驗所得數據經計算可得到圖3 所示Q345B/Q235B異種鋼焊接接頭da/dN與ΔK的關系圖。

圖3 異種鋼焊接接頭da/dN 與ΔK 關系圖

由圖3 可知，Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭da/dN與ΔK的變化關系分為3 個階段。其中，裂紋萌生階段應力強度因子幅ΔK低于40 MPa·m1/2，裂紋擴展速率較快。當ΔK達到43 MPa·m1/2時，進入裂紋穩定擴展階段，整個過程經歷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展速率迅速增長，并在ΔK為78 MPa·m1/2時發生斷裂，此過程即裂紋失穩擴展過程。由此，可將裂紋從平穩擴展階段變化為裂紋失穩擴展階段時的變化點作為橋式起重機箱形主梁即將發生斷裂的預警點，預警相關工作人員及時采取緊急措施。

2.2 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞損傷過中聲發射信號的雙譜分析

在整個疲勞實驗過程中，統計Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭的疲勞循環周次以及聲發射累計計數，繪制其函數圖（見圖4）。在圖4 中，整個曲線分為3 個階段，每個階段對應不同的特征。1）第1 階段累計聲發射計數在較少循環周次內迅速增長；2）第2 階段出現個平臺，隨著疲勞循環周次的增加，聲發射累計計數緩慢變化，且此過程中占據整個疲勞過程的2/3；3）當循環周次超過某一點時，聲發射累計計數又開始迅猛增長。這3 個階段和疲勞斷裂過程中裂紋擴展速率與應力強度因子幅關系圖中的3 個階段相對應。針對3 個階段各自的特點，本文采用聲發射雙譜分析技術對不同階段的聲發射信號進行區分辨別。

圖4 聲發射計數與疲勞循環周次關系圖

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 個階段的3 種不同特征參數，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型，雙譜圖存在多個峰值，損傷度頻率為142 kHz，小于150 kHz；由圖6 可知，裂紋穩定擴展階段的波形不是整個過程都連續，雙譜圖存在2 個峰值，損傷度頻率為180 kHz，處于160 ～200 kHz；由圖7 可知，裂紋進入失穩擴展階段的波形呈現多段型特征，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、裂紋穩定擴展階段、裂紋失穩擴展階段波形、雙譜圖、損傷度頻率的區別很明顯。

圖5 裂紋萌生階段波形圖、雙譜圖

圖6 裂紋穩定擴展階段波形圖、雙譜圖

圖7 裂紋進入失穩擴展階段波形圖、雙譜圖

2.3 箱形梁異種鋼焊接接頭疲勞損傷聲發射源機制

如前所述，橋式起重機箱形梁疲勞損傷過程中3 個階段對應的聲發射信號是有區別的，為此本文利用掃描電鏡通過對疲勞斷口研究，明確不同階段產生不同聲發射信號的原因，即各自的聲發射源機制。

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方向擴展。其中，區域①表示裂紋萌生擴展階段的疲勞斷口狀態，其裂紋源為線性源，說明此時的裂紋尖端出現較多塑性變形，有應力集中發生。這一斷口形貌的發現解釋了圖4 當中疲勞裂紋萌生階段聲發射計數之所以迅速增長的原因，是因線性裂紋源尖端發生劇烈塑性變形而發出彈性波，從而產生大量的聲發射信號，累積聲發射計數增長迅速。區域②表示的是裂紋穩定擴展階段，整個區域比較平整規則，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，因而產生的聲發射信號量少，累積聲發射計數增長趨于穩定。此階段聲發射信號源基本來源于位錯活動以及少量的新屈服現象。區域③為裂紋失穩擴展階段，斷口表面崎嶇不平，疲勞裂紋擴展迅速直至斷裂。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，端口呈現微裂紋韌性斷裂樣態，韌帶的撕裂會短時間產生較多聲發射信號，累積聲發射計數快速增長。

圖8 異種鋼焊接接頭疲勞斷口掃描照片

通過對聲發射源機制的研究，證明了通過聲發射信號的分析，可以判別橋式起重機循環載荷下疲勞損傷狀態，從而實現及早預警的目的。

2.4 箱形梁異種鋼焊接接頭不同缺陷位置對聲發射信號的影響

在實際生產過程中，橋式起重機箱形梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞損傷缺陷可能發生在焊縫和熱影響區的不同位置，需要進一步探究對聲發射信號的影響。本文選擇分別在Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭焊縫和熱影響區位置設置缺陷，現場實際缺陷情況如圖9 所示。

圖9 異種鋼焊接接頭熱影響區和焊縫缺陷位置圖

圖10為Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭不同缺陷位置疲勞損傷實驗聲發射計數與循環周次的關系圖。從圖中可以看到焊縫和熱影響區都有3 個階段，第2 階段即裂紋穩定擴展階段均占據整個疲勞過程的很多時間。焊縫和熱影響區實驗主要區別主要有2 點：1）熱影響區疲勞壽命低于焊縫，疲勞周次約少100 次，表明熱影響區先發生疲勞斷裂；2）熱影響區和焊縫在第1 階段轉變為第2 階段的循環周次差不多，但熱影響區第2 階段轉變為第3 階段應提前于焊縫，這說明熱影響區先進入裂紋失穩擴展區域直至發生疲勞斷裂。

圖10 不同缺陷位置疲勞實驗聲發射計數與循環周次關系圖

對Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭熱影響區和焊縫2 種不同缺陷位置疲勞實驗各階段典型聲發射信號進行雙譜分析，并計算損傷度頻率。將裂紋萌生階段、裂紋穩定擴展階段、裂紋失穩擴展階段進行對比，其結果如圖11 ～圖13 所示。通過對比可知，熱影響區各階段聲發射歸一化雙譜值都為單峰特征，而焊縫中有多峰出現。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；裂紋穩定擴展和失穩擴展階段，熱影響區損傷度頻率都大于焊縫。這表明熱影響區疲勞損傷程度更大，更容易發生疲勞斷裂。

圖11 裂紋萌生階段典型信號的歸一化雙譜值圖

上述研究結果表明，箱形主梁Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭在受到循環載荷作用時，熱影響區更容易發生疲勞斷裂，進而引發事故。所以，箱形主梁在實際服役過程中，應重點關注異種鋼焊接接頭熱影響區位置，及早發現危險，并提出警告。

3 結論

1）Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭疲勞損傷過程分3 個階段：第1 階段即裂紋萌生階段，聲發射信號量迅速增加，聲發射源機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 階段即裂紋穩定擴展階段，聲發射信號增長較慢，保持一個平臺，此時聲發射源機制為塑性區有新屈服現象和位錯活動；第3 階段即裂紋失穩擴展階段，聲發射信號量再次迅速上升，此階段聲發射源機制主要為小裂紋和孔洞的韌帶撕裂。通過聲發射信號的分析，可以判別橋式起重機循環載荷下疲勞損傷狀態，從而能夠實現及早預警的目的。

2）對比Q345B/Q235B 異種鋼焊接接頭焊縫和熱影響區2 種不同缺陷位置疲勞實驗各階段典型聲發射信號，可知熱影響區在裂紋穩定擴展和失穩擴展階段損傷度頻率均高于焊縫，且熱影響區先進入裂紋失穩擴展階段直至斷裂，疲勞壽命短，說明異種鋼焊接接頭熱影響區比焊縫位置更易發生疲勞斷裂。