欢迎您访问长沙鹏翔电子科技有限公司声发射分站

技术应用

您当前的位置:首页技术应用

领先的声发射设备核心提供商

技术应用

焊接结构疲劳损伤的实时监测

发布日期:2017-05-05 17:08    浏览次数:次

疲劳损伤及破坏特性的实时监测对材料性能的研究、结构设计和构件质量评价有着重要意义,声发射(Acoustic Emission 简称AE)作为一种动态无损检测技术,它具有连续、整体监测等特点,已成为评价结构完整性及分析结构破坏全过程的重要手段。
本研究应用多通道声发射仪监测了高速客车转向阳花架焊接构架模拟梁(以下简称焊接梁)疲劳试验的全过程,得到了其焊缝和应力集中部位处裂纹萌生和扩展的声发射特性。在试验中,不仅注意了裂纹形成与扩展时的声发射信号的差别,而且还根据累积声发射振铃计数与时间(循环周次)关系曲线,定义了焊接疲劳损伤的三个价段,并在此基础上提出了描述材料疲劳损伤的模型,为今后监测高速客车焊接构架的结构完整性积累了经验。
1 试验过程
试验所用焊接梁以1:3的比例模拟了250km/h高速客车转向架的构架侧梁,其结构为:四块12mm厚的16MnR钢板组焊成箱形封闭断面的平直梁;在一侧腹板的相应部位开设两个直径60mm的孔,用以模拟构架横梁与侧梁连接部位的应力集中。试验梁的形状、尺寸及声发射仪传感器的布置见图1。
结构承受交变荷载作用时,其损伤往往发生在大应力区而并不牵涉到整个结构的所有材料。因此,根据焊接梁的受力特点和有限元的计算结果,确认焊接梁上应力较大的部位共有四处且两两对称,按照应力大小排序,依次为焊接梁底板中心截面和前腹板两孔的下部(图1中标有1、2、3、4的部位)。为此,将10个传感器分成4组,对称地耦合在高应力区的两侧(参见图1中标有○和□的部位)。另外,为了有效地剔除试验中的噪声,提高试验的精度,除了在软件上采用线定位外,还在试验梁的受力点处铺垫了外层贴有丙纶布的软铝板,以利用钢铝声阻抗的不同消除接触点部位的摩擦噪声。
在疲劳试验时,用LOCAN-320型12通道声发射仪及Philips PM3365A型瞬态数字存储示波器进行声发射监测和瞬态波形采集。试验中仪器参数的设置及软件的功能见文献。

1441232W9-0

2 试验结果及讨论
2.1 缺陷位置的判定 图2为疲劳试验过程中,焊接梁两孔下部的累积声发射振铃计数N与时间t的关系(循环周次n)曲线。由图2知,先出现可视裂纹一侧孔的累积振铃计数总是高于没有出现或晚出现裂纹一侧孔的累积振铃计数。这说明,在同样的测试条件下,通过比较时一构件中对称分布的两孔底边声发射特征参数——累积振铃计数随时间变化的差异,可判断哪些部位存在较为严重的缺陷或先出现裂纹。这一判别法的有效性在本次试验中得到了验证。图3为焊接梁左孔下部出现可视裂纹(1mm左右)之前,监测到的累积振铃计数沿X轴(传感器相对位置)的分布。由图3知,左侧孔下部的1、2传感器之间,累积声发射振铃计数最高,而疲劳裂纹也正是出现在左侧孔下部。此结果表明,试验中对缺陷位置的判断是准确的。[mem]

在现实的工程结构中,大部分结构具有某种对称性,如桥梁、飞机及大型建筑特的房顶桁架。因此,用比较判别法对上述结构中的一些危险部位进行监测具有实际工程意义。
2.2 疲劳累积损伤模型 图5为焊后未经任何处理(曲线1)及经退火工艺处理的(曲线2)两种焊接梁,梁中心截面与底板相交处焊缝的累积振铃计数随时间(循环周次)变化的关系图。图6为可视裂纹出现前累积振铃计数沿X轴(传感器相对位置)分布图,从图6中可以看到声发射信号绝大部分来自于线定位的中部,即裂纹出现处。

144123OX-2

金属材料的疲劳损伤是位错-滑移-微裂纹的形成-裂纹扩展-断裂的动态过程,其累积损伤结果反映在材料本身是抗疲劳性能的劣化。Baram.J和Rosen.M等人在采用声发射技术对材料疲劳损伤及断裂过程进行了长期研究后,认为振铃计数能够较好地反映材料性能的变化。因它们与材料中位错的运动、夹杂物的断裂以及裂纹扩展所释放的应变能成比例。

1441236107-3

分析图2及图5中的累积振铃计数N随时间t的变化曲线,发现这些曲线均可以分成三段。如从损伤力学的角度出发,可将这三段曲线定义成材料发生损伤的三个阶段。为了便于分析,将图2及图5中的N-t曲线进行模型化,见图7.根据此模型的形式,疲劳累积损伤曲线可描述为:

下面将通过分析与损伤曲线各阶段相对应的声发射信号的特性,找出致使损伤曲线出现三个阶段的原因及各阶段之间的相互关系:
第一阶段为材料初始弹塑性变形阶段。加载初期,由于非金属夹杂特的断裂及焊渣的胶落,使得声发射源较为活跃,并产生一些幅值较高的声发射信号,因此损作曲线在此阶段上升相对较快。文献认为此阶段只占总寿命的5%左右,故可以不予考虑。
第二阶段是微裂纹的形成和扩展阶段。微裂纹主要形成于母材中非金属夹杂及焊接缺陷处。由于微裂纹形成之初应力强度因子较小,因此来自微裂纹及缺陷局部区域塑性变形处的声发射信号较弱,并且出现的频率及幅值均较低,使得N-t曲线变化很小,近似于直线。
第三阶段是宏观裂纹形成及扩展阶段。与第二阶段相比,声发射信号活跃程度有显著的回升,并有相当多的幅值相对较高的突发型信号,这意味着宏观裂纹的形成。随着裂纹的不断扩展,声发射信号出现的频繁程度及强度持续地增加,直到失效,此阶段的声发射源主要是裂纹尖端的塑性变形、夹杂物的断裂及裂纹扩展(包括裂纹面闭合产生的摩擦信号)。此阶段N-t关系曲线呈指数型增加(B3>1),如对式(2)进行求导,得此阶段曲线斜率的变化率为:
在同一累积损伤曲线中,曲线在第二阶段的斜率为一常数,而在第三阶段的斜率随n的增加而逐渐增大,见式(3)。因此,通过N-t曲线斜率的变化,可判断构件的受损程度。曲线的斜率变化较小或为常数时,材料受损程度较小;当曲线的斜率逐渐增大时,材料受损程度较为严重。对试验结果进行比较和分析表时,图2及图5中损伤曲线第二阶段与第三阶段拐点附近所对应的时间,正是焊接梁高应力处出现可视裂纹的时间。因此,曲线上第二阶段向第三阶段的过渡点,可作为疲劳载荷作用下,宏观裂纹形成的标志。
根据图5所示试验结果,并对第三阶段的曲线进行拟合得:对于焊后未经任何处理的梁B3=6。21;经热处理的梁B3=5.1。图8为理论曲线与试验结果的比较。可见,本文提出的损伤模型能很好地描述交变载荷作用下的焊接梁的损伤规律。

14412314W-7

2.3 母材与焊缝处开裂声发射信号的差异
声发射是当材料或结构在受到外力作用产生变形或断裂时,以弹性波的形式释放出应变能的物理现象。因此,声发射信号特征的差异,反映了材料内部损伤机理的不同。图9为母材及焊缝开裂时声发射信号(振铃计数)的幅度分布图。从图9可知,声发射信号幅度分布范围很宽,从43dB(门槛)到80dB左右,分布中明显存在着两个峰。母材开裂时(图9(a)),低幅度区峰值在48dB,高幅度区峰值在75dB处,焊缝处开裂时(图9(b)),低幅度区峰值在56dB处,高幅度区峰在90dB处,图9中峰值的高低及位置实质上反映了疲劳裂纹启裂及扩展中,声发射源及信号强弱的不同。在交变载荷作用下,疲劳裂纹的形成及扩展中的主要声发射源为裂纹尖端的开裂和裂尖塑性区的变形。试验中发现孔边母材开裂及裂纹扩展的声发射信号强度较弱,高幅值的信号较少,此类波形如图10(a)所示。这主要是由于母材韧性较好,在交变荷载作用下,裂纹扩展中裂纹尖端材料不存在明显的脆性开裂,只存在交替滑移。主要的声发射源为裂纹尖端塑性区的变形。这种塑性疲劳断裂过程较慢,因而信号的强度较弱并且上升时间较长。经过对比发现,焊缝开裂时信号的强度高于孔边母材开裂时信号的强度,并且高幅值的信号较多,此时记录的波形主要有两种,并且两种波形交替出现,其中一种波形与母材开裂时的相类似;另一种波形的幅值较高,上升时间较短,见图10(b)。这主要是焊缝中的不规则夹杂物较多,在疲劳裂纹扩展中这些夹杂物阻碍了材料的塑性变形,引起应力集中,导致脆性开裂所致。上述结果说明,声发射信号波形的分析是了解声发射源的有利手段。

1441234624-8

3 结论
(1)在相同噪声水平下,通过比较同一构件中累积声发射振铃计数的变化情况可确定缺陷的位置及变化状态。
(2)焊缝处开裂的声发射信号活动频繁程度及幅值均高于母材处开裂的声发射信号。
(3)声发射技术中的累积振铃计数可作为一个描述材料疲劳损伤的特征参量,并用此参量建立了一个描述材料的疲劳累积损伤的数学模型。
(4)声发射的瞬态波形中包含着许多有用“信息”,通过记录分析声发射瞬态波形,可以更清楚地了解声发射的特征及材料内部结构的变化情况。

湖南省长沙高新区文轩路27号麓谷企业广场A4栋507 电话:0731-84668116,85128115,85128116

Copyright © 2005~2019 长沙鹏翔电子科技有限公司 IS09001 Certified Acoustic Emission products

快乐飞艇是官彩还是私人彩票 快乐赛车app哪个好玩 快乐飞艇用哪个计划 澳洲快乐赛车pk拾计划 快乐飞艇开奖正规吗 快乐飞艇怎么玩内承 有快乐飞艇的彩票app 快乐飞艇定位胆技巧 三分钟快乐飞艇 彩票快乐飞艇玩法