桥式起重机箱形梁异种钢焊接接头疲劳损伤的声发射表征*

杨浩宇 李 强 李福森

1 太原学院 太原 030022 2 国家起重运输机械质量检验检测中心 北京 100007

0 引言

桥式起重机广泛应用于军工制造、机械化工、能源电力、新材料加工等领域，在国民经济发展中占有重要地位。近年来，桥式起重机一直都在致力于进行轻量化设计，而实现轻量化的途径之一就是要采用大量的异种钢焊接接头。异种钢焊接接头的稳定安全决定着工作者的生命安全和企业的财产安全，在2005 年～2006 年期间某港口曾发生起重机主梁断裂事故，造成了严重的社会影响[1]。在工业生产中，生产者需要通过技术手段对桥式起重机箱形梁主要受力点的异种钢焊接接头完进行合理安全的在线监测，精确作到寿命预测和危险警告。

声发射技术是一种成熟的实时、动态检测方法，通过材料发生变形损坏时释放应变能实现。声发射技术的显著特点就是监测材料动态损伤情况，并以数据的形式呈现出来，从而便于分析损伤情况。利用技术手段，充分利用声发射信号的数据信息，形成对异种钢焊接接头较有效的监测，进而实现对可能存在危险的判断和警告[2]。

桥式起重机异种钢焊接接头中主要为Q345B 钢和Q235B 钢的异种钢焊接，受循环载荷的作用，损伤方式为疲劳损伤。为了将声发射技术更好的应用于大型桥式起重机监测中并及时预警，本文将利用声发射机理的研究[1]，对桥式起重机箱形主梁Q345B/Q235B 异种钢焊接接头完成疲劳损伤声发射表征。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本实验研究所用的母材材料为Q345B 钢和Q235B钢。表1 和表2 列出了Q345B 钢与Q235B 钢的具体成分和力学性能，并通过观察图1 可以发现Q345B 钢与Q235B 钢的金相组织都为珠光体+铁素体。

图1 不同母材金相组织图

表1 Q345B 钢化学成分和常规力学性能表

表2 Q235B 钢化学成分和常规力学性能表

本实验在工厂厂房进行，将Q345B 钢和Q235B 钢通过自动焊完成异种焊接（焊丝选择H08Mn2SiA 或H08）。图2 是Q345B/Q235B 异种钢焊接接头的微观组织，深色部分是珠光体，浅色部分是先共析铁素体，在大片浅色区域内还发现了深色球状夹杂物，这表明经过异种焊接后焊接接头组织发生了变化。

图2 异种钢焊接接头微观组织图

1.2 实验设备及参数设置

Q345B/Q235B 异种钢焊接接头疲劳断口应进行超声清洗，清洗液为无水乙醇，清洗10 min。将清洗后的试样断口吹干后，立即放到扫描电镜（CamScan-3400）镜头下进行不同放大倍数的SEM 观察。

声发射设备采用CZ 系列的R15 型窄频声发射换能器，其共振频率为150 kHz，响应频率为100 ～400 kHz，声发射硬件设置和定位设置的具体参数分别如表3、表4 所示。桥式起重机箱形梁动载实验选用400 kN 桥式起重机主梁疲劳试验控制台，试验采用正弦循环加载的方式，平均载荷设置为50 kN，幅度设置为55 kN，加载频率设置为2 Hz。

表3 声发射硬件设置参数表

表4 声发射定位设置表 mm

1.3 箱形主梁声发射检测布点设计

针对桥式起重机箱形梁特殊的结构，本次试验采用基于EAF（Energy And Frequency）和LAP（Linear And Planar）复合策略的桥式起重机箱形梁声发射检测装置及损伤检测方法，主要是利用线性定位和平面局部定位复合判定桥式起重机的损伤部位。EAF 主要负责AE 信号的滤波，通过能量和平均频率消除噪声干扰，确保收集到的信息能准确地反映箱形梁的受损状况。表示的是一种声发射多维滤波策略，该策略利用能量和平均频率对AE 采集到的信息进行去噪声处理。LAP 是通过二维异面线性定位初步发现损伤位置，然后平面局部定位构建四边形区域缩小损伤位置范围[2]。

2 结果与讨论

2.1 箱形梁异种钢焊接接头疲劳裂纹扩展特点

根据断裂力学相关知识，疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子幅ΔK存在关系，即

根据割线法原理可知，Δa/ΔN可近似地用于计算疲劳裂纹扩展速率da/dN，进而桥式起重机箱形主梁可求得应力强度因子幅ΔK，即

式中：T为材料自身决定，Sr为发生裂纹应力幅，a为断裂的大小。

在整个疲劳断裂过程中，疲劳裂纹扩展速率和应力强度因子幅的关系分为3 个过程：1）疲劳裂纹萌生扩展，此时应力强度因子幅ΔK开始增加，裂纹扩展速率迅速增长；2）疲劳裂纹稳定增长阶段，此时da/dN与ΔK基本呈现线性关系，此阶段时间较长；3）疲劳裂纹失稳扩展，疲劳裂纹扩展速率加快并瞬间发生断裂[4]。本实验所得数据经计算可得到图3 所示Q345B/Q235B异种钢焊接接头da/dN与ΔK的关系图。

图3 异种钢焊接接头da/dN 与ΔK 关系图

由图3 可知，Q345B/Q235B 异种钢焊接接头da/dN与ΔK的变化关系分为3 个阶段。其中，裂纹萌生阶段应力强度因子幅ΔK低于40 MPa·m1/2，裂纹扩展速率较快。当ΔK达到43 MPa·m1/2时，进入裂纹稳定扩展阶段，整个过程经历43 ～71 MPa·m1/2。如果ΔK超过71 MPa·m1/2，则异种钢焊接接头裂纹扩展速率迅速增长，并在ΔK为78 MPa·m1/2时发生断裂，此过程即裂纹失稳扩展过程。由此，可将裂纹从平稳扩展阶段变化为裂纹失稳扩展阶段时的变化点作为桥式起重机箱形主梁即将发生断裂的预警点，预警相关工作人员及时采取紧急措施。

2.2 箱形梁异种钢焊接接头疲劳损伤过中声发射信号的双谱分析

在整个疲劳实验过程中，统计Q345B/Q235B 异种钢焊接接头的疲劳循环周次以及声发射累计计数，绘制其函数图（见图4）。在图4 中，整个曲线分为3 个阶段，每个阶段对应不同的特征。1）第1 阶段累计声发射计数在较少循环周次内迅速增长；2）第2 阶段出现个平台，随着疲劳循环周次的增加，声发射累计计数缓慢变化，且此过程中占据整个疲劳过程的2/3；3）当循环周次超过某一点时，声发射累计计数又开始迅猛增长。这3 个阶段和疲劳断裂过程中裂纹扩展速率与应力强度因子幅关系图中的3 个阶段相对应。针对3 个阶段各自的特点，本文采用声发射双谱分析技术对不同阶段的声发射信号进行区分辨别。

图4 声发射计数与疲劳循环周次关系图

通过双谱分析方法可得到表5 所列Q345B/Q235B异种钢焊接接头疲劳断裂3 个阶段的3 种不同特征参数，即波形、双谱图及损伤度频率。由图5 可知，裂纹萌生阶段的波形为连续型，双谱图存在多个峰值，损伤度频率为142 kHz，小于150 kHz；由图6 可知，裂纹稳定扩展阶段的波形不是整个过程都连续，双谱图存在2 个峰值，损伤度频率为180 kHz，处于160 ～200 kHz；由图7 可知，裂纹进入失稳扩展阶段的波形呈现多段型特征，双谱图为单峰形状，损伤度频率为262 kHz，大于200 kHz。由此可以看出，裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹失稳扩展阶段波形、双谱图、损伤度频率的区别很明显。

图5 裂纹萌生阶段波形图、双谱图

图6 裂纹稳定扩展阶段波形图、双谱图

图7 裂纹进入失稳扩展阶段波形图、双谱图

2.3 箱形梁异种钢焊接接头疲劳损伤声发射源机制

如前所述，桥式起重机箱形梁疲劳损伤过程中3 个阶段对应的声发射信号是有区别的，为此本文利用扫描电镜通过对疲劳断口研究，明确不同阶段产生不同声发射信号的原因，即各自的声发射源机制。

图8 为Q345B/Q235B 异种钢焊接接头的疲劳断口扫描图，在图中可以观察到裂纹由①—②—③方向扩展。其中，区域①表示裂纹萌生扩展阶段的疲劳断口状态，其裂纹源为线性源，说明此时的裂纹尖端出现较多塑性变形，有应力集中发生。这一断口形貌的发现解释了图4 当中疲劳裂纹萌生阶段声发射计数之所以迅速增长的原因，是因线性裂纹源尖端发生剧烈塑性变形而发出弹性波，从而产生大量的声发射信号，累积声发射计数增长迅速。区域②表示的是裂纹稳定扩展阶段，整个区域比较平整规则，da/dN比较缓慢。由该阶段的扫描电镜照片可以观察到疲劳条带既浅又窄，说明疲劳损伤过程中能量释放较少，因而产生的声发射信号量少，累积声发射计数增长趋于稳定。此阶段声发射信号源基本来源于位错活动以及少量的新屈服现象。区域③为裂纹失稳扩展阶段，断口表面崎岖不平，疲劳裂纹扩展迅速直至断裂。由该阶段的扫描电镜照片可以观察到疲劳条带既大又宽，韧窝、撕裂棱明显，端口呈现微裂纹韧性断裂样态，韧带的撕裂会短时间产生较多声发射信号，累积声发射计数快速增长。

图8 异种钢焊接接头疲劳断口扫描照片

通过对声发射源机制的研究，证明了通过声发射信号的分析，可以判别桥式起重机循环载荷下疲劳损伤状态，从而实现及早预警的目的。

2.4 箱形梁异种钢焊接接头不同缺陷位置对声发射信号的影响

在实际生产过程中，桥式起重机箱形梁Q345B/Q235B 异种钢焊接接头疲劳损伤缺陷可能发生在焊缝和热影响区的不同位置，需要进一步探究对声发射信号的影响。本文选择分别在Q345B/Q235B 异种钢焊接接头焊缝和热影响区位置设置缺陷，现场实际缺陷情况如图9 所示。

图9 异种钢焊接接头热影响区和焊缝缺陷位置图

图10为Q345B/Q235B 异种钢焊接接头不同缺陷位置疲劳损伤实验声发射计数与循环周次的关系图。从图中可以看到焊缝和热影响区都有3 个阶段，第2 阶段即裂纹稳定扩展阶段均占据整个疲劳过程的很多时间。焊缝和热影响区实验主要区别主要有2 点：1）热影响区疲劳寿命低于焊缝，疲劳周次约少100 次，表明热影响区先发生疲劳断裂；2）热影响区和焊缝在第1 阶段转变为第2 阶段的循环周次差不多，但热影响区第2 阶段转变为第3 阶段应提前于焊缝，这说明热影响区先进入裂纹失稳扩展区域直至发生疲劳断裂。

图10 不同缺陷位置疲劳实验声发射计数与循环周次关系图

对Q345B/Q235B 异种钢焊接接头热影响区和焊缝2 种不同缺陷位置疲劳实验各阶段典型声发射信号进行双谱分析，并计算损伤度频率。将裂纹萌生阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹失稳扩展阶段进行对比，其结果如图11 ～图13 所示。通过对比可知，热影响区各阶段声发射归一化双谱值都为单峰特征，而焊缝中有多峰出现。另外，疲劳裂纹萌生阶段，2 种不同缺陷位置的损伤度频率基本差不多；裂纹稳定扩展和失稳扩展阶段，热影响区损伤度频率都大于焊缝。这表明热影响区疲劳损伤程度更大，更容易发生疲劳断裂。

图11 裂纹萌生阶段典型信号的归一化双谱值图

上述研究结果表明，箱形主梁Q345B/Q235B 异种钢焊接接头在受到循环载荷作用时，热影响区更容易发生疲劳断裂，进而引发事故。所以，箱形主梁在实际服役过程中，应重点关注异种钢焊接接头热影响区位置，及早发现危险，并提出警告。

3 结论

1）Q345B/Q235B 异种钢焊接接头疲劳损伤过程分3 个阶段：第1 阶段即裂纹萌生阶段，声发射信号量迅速增加，声发射源机制为裂纹尖端大量塑性变形和加载初期摩擦噪声的存在；第2 阶段即裂纹稳定扩展阶段，声发射信号增长较慢，保持一个平台，此时声发射源机制为塑性区有新屈服现象和位错活动；第3 阶段即裂纹失稳扩展阶段，声发射信号量再次迅速上升，此阶段声发射源机制主要为小裂纹和孔洞的韧带撕裂。通过声发射信号的分析，可以判别桥式起重机循环载荷下疲劳损伤状态，从而能够实现及早预警的目的。

2）对比Q345B/Q235B 异种钢焊接接头焊缝和热影响区2 种不同缺陷位置疲劳实验各阶段典型声发射信号，可知热影响区在裂纹稳定扩展和失稳扩展阶段损伤度频率均高于焊缝，且热影响区先进入裂纹失稳扩展阶段直至断裂，疲劳寿命短，说明异种钢焊接接头热影响区比焊缝位置更易发生疲劳断裂。