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汽车起重机结构件焊接缺陷破坏过程的声发射检测

发布日期：2017-06-07 23:39　　　浏览次数：次

起重机的多个关键结构件由合金钢通过弯折、焊接而形成。由于这些结构件在使用过程中服役条件恶劣：不仅需要承受复杂的疲劳、冲击载荷，而且要面对低温、腐蚀性的外部环境，因此在接头中存在焊接缺陷的部位容易出现结构性断裂，造成事故。所以采用合理有效的技术手段对焊接缺陷进行检测与评价具有重要的意义。目前起重机械的常规无损检测方法主要有［１］：射线检测、超声检测、磁粉检测、渗透检测和电磁检测等。由于这些方法存在对几何形状敏感、需要接近被检对象、只能进行局部扫描、需要停机测试以及容易造成漏检等不足，检测结果很难对设备的完整性进行评价，而声发射检测方法恰好可以弥补这方面的不足。

在国外Ｇｏｒｄｏｎ等人［２－３］采用声发射技术应用于桥（门）式起重机主梁的载荷试验过程，获取了起重机主梁的缺陷信息，对声发射源的强度进行了分析并研究了威胁结构完整性的缺陷。在国内也有一些单位和学者做了相关的尝试［４－７］，但均未形成一种成熟的能直接应用于实际的检测方法，特别是对伸缩臂式汽车起重机来说，真实可靠的整机典型缺陷损伤源的特征信号获取及识别方法研究，还有待于进一步的工作开展。基于此，笔者拟从某型汽车起重机着手，重点分析汽车起重机主要受力部件———吊臂，进行该部件典型焊接缺陷损伤破坏试验设计以及典型声发射信号获取方法研究，并对不同声发射源信号进行准确的划分。

１　试验方案设计与典型缺陷源信号的获取

１．１　试块制备及缺陷模拟方案设计

试验测试对象选用国产ＱＹ９０Ｖ汽车起重机，为了达到既不影响设备的安全运行，又能在加载过程中使焊接缺陷部位出现破坏损伤的目的，选择在构件表面添加附属结构试块的方式模拟缺损产生及构件破坏的整个过程。

选用汽车起重机吊臂常用材料ＨＧ７０钢制作焊接缺陷试块，其结构、尺寸如图１所示，中间预制的焊接缺陷选用最为常见的焊接气孔和未焊透两种缺陷形式，每种缺陷形式制作６个试块。由图１可知试块中间窄截面（Ａ－Ａ）处横截面积是宽截面（Ｂ－Ｂ）处横截面积的五分之一，所以其受载状态下应力值及形变量均要大很多，从而实现了损伤破坏现象仅出现在试块中部小截面处的目的。对试块焊接部位要求其本身变形量足够大；表面有足够的空间，能够将辅助试块焊接在其表面；尽量远离发动机，以免在加载过程中产生过大的噪声信号。根据参考文献［１０－１１］的有限元分析结果将焊接位置定于第一节主臂的中部上表面，其焊接状况如图２所示。

１．２　加载工况

起重机加载工况由吊臂伸出长度、所吊配重大小及工作幅度三个因素共同决定。确定其加载工况：四臂不完全伸出，总伸出长度４４ｍ；负荷大小为１０２ｋＮ（为额定载荷的１．２５倍），工作范围为１３ｍ。

１．３　测试系统

试验所用的声发射仪器是美国物理声学公司的ＰＣＩ型声发射测试系统，选用的传感器为Ｒ１５Ａ型，其主要监测频率范围是１００～４００ｋＨｚ，２／４／６型前置放大器，放大倍数设置为４０ｄＢ，声发射传感器布置位置如图２所示，声发射信号采集系统的参数设置：采样频率为２ＭＨｚ，门槛值电压为４０ｄＢ；采用触发采样。

２　试验结果及数据分析

２．１　预制缺陷试块损伤情况分析

第一次加载后试块呈现两种状态：① 在焊缝部位出现宏观裂纹，试块部分断裂或从中间完全断开。② 试块表面无裂纹出现，不过试块出现明显的伸长，即试块产生宏观塑性变形。试验结果发现６个未焊透缺陷试块中４个试块出现宏观裂纹，而６个气孔缺陷试块中只有１个出现宏观裂纹，这是因为未焊透缺陷部位容易出现应力集中，加载状态下更容易产生断裂破坏。

由于加载方式是通过起重机起吊重物来实现，因此，加载过程非常短暂（２８～４０ｓ），在此过程中试块受载产生塑性变形及开裂等，然后起重机较稳定地保持吊起重物的状态，进行长时间的保载。图３所示为声发射撞击计数及载荷值随时间的历程图，从图可知在加载阶段采集到大量的声发射信号，而在保载阶段，随载荷的稳定，信号数量急剧减小，仅存在零星的分布。因为试块焊接缺陷的损伤破坏过程集中发生在加载过程，因此可知声发射信号与结构损伤破坏之间有良好的对应关系。

２．２　声发射定位特征分析

声发射信号在起重机吊臂表面的传播较复杂，因此采用铅笔折断作为模拟源，在汽车起重机吊臂表面进行声发射衰减测试，其结果如图４所示。由图可知信号幅度和频率质心均出现较明显的非线性衰减规律，因此在现场大型构件的声发射测试及源评价中，应同时考虑信号时域及频域值的衰减问题。

对于断裂破坏试块，由于其加载破坏过程时间较短，其损伤源集中在焊缝部位，图５（ａ）为发生断裂破坏试块的声发射定位图，定位事件集中在０～１０ｍｍ处，与裂纹部位基本一致；而未产生宏观裂纹的试块，其损伤形式以塑性变形为主，其定位图如图５（ｂ）所示，由图可知定位事件均匀地分布在－２５～２５ｍｍ范围内，这与试块塑性变形部位基本一致。由此可知：在起重机现场检测中无论是塑性变形还是焊接裂纹均能采用声发射技术实现较准确的定位。

２．３　声发射信号源识别方法

分析试验过程中的声发射源，其中典型的结构损伤信号源包括：中间小截面尺寸母材的塑性变形、焊接缺陷处应力集中、裂纹形成及断裂，以及传感器外侧焊接区的应力集中等。噪声源包括：电磁噪声、传感器与试块表面之间的摩擦噪声、磁座与构件表面之间的摩擦噪声、试块表面与吊臂表面之间的接触滑动摩擦噪声等。下面通过特征参数及频谱特征分析对其典型声发射源进行划分。

２．３．１　基于特征参数的声发射信号源分类方法

文献［９］中给出根据不同破坏机制产生的声发射信号特点，将声发射信号划分所依据的原则有２个：① 同一声发射信号，其释放的能量越大，则对应的声发射振幅越高和持续时间越长。② 同一破坏机制产生的声发射信号具有相同的参数特性（如幅值分布、单位事件数对应的振铃数和持续时间等）。应用这两个原则，对声发射信号的持续时间设置不同的滤值条件，针对每一段持续时间滤值条件作：①撞击数－信号幅度相关图。② 振铃数－信号幅度相关图。③ 撞击数与振铃数／撞击数的关系图。若①中撞击数和②中振铃数的峰值处对应幅值是相同的，且①与②中总振铃数与总撞击数比值与③中事件数所对应的振铃数与撞击数峰值之比是一致的，则表明该持续时间段内只含一种独立的破坏机制。由表１所示，可根据以上划分原理将所有的声发射数据初步划分为１０组。每组内的声发射依据以上的划分原则，应属于同一种机制源。

其中１，２组信号多数为非定位源信号，且能量为零的信号比例达到９６％以上，由此推断该信号与试块的损伤破坏过程无关，应为干扰噪声信号。而第３～７组信号的发生时间集中在加载阶段，信号幅值集中在４９～６９ｄＢ范围内，且其定位源信号占总体比重４８％左右，时域波形为典型的突发性信号，由此推断其定位源信号与结构损伤相关。８～１０组信号散落在加载及保载阶段，全是大于６０ｄＢ的高幅值信号，且均为非定位源信号，其波形呈现典型的连续性特征，故判断其主要为摩擦噪声［１２－１６］。

２．３．２　基于频域特征的声发射源分类方法

常用的声发射频域特征指标主要包括峰值频率、频率质心及平均频率等，其中峰值频率与频率质心对缺陷源性质较敏感，图６所示为不同源信号的频率质心与持续时间关联图，图７为不同源信号峰值频率与持续时间关联图。

由图６，７可知非定位源信号峰值频率主要分布在以下三个区域：第一层：（４６～１１０ｋＨｚ）少量信号集中分布；第二层：（１２０～２００ｋＨｚ），其中在１２０～１５０ｋＨｚ之间存在大量信号集中分布；第三层：（２７０～３５０ｋＨｚ）范围内少量信号零星分布。其中第一层信号主要出现在持续时间低于８００μｓ的情况；第三层信号的持续时间低于１００μｓ；而第二层信号在整个持续时间范围内均有分布；特别是当持续时间大于８００μｓ时，信号只分布在第二层。非定位源信号的频率质心随持续时间的增加逐渐降低，当持续时间超过５　０００μｓ后，除个别点之外信号频率质心低于１６０ｋＨｚ，而持续时间低于４　０００μｓ的信号其频率质心均超过１４０ｋＨｚ，且多数信号高于１８０ｋＨｚ。而定位源信号的峰值频率及频率质心非常集中：主要集中在第二层（１２５～１５８ｋＨｚ）；频率质心分布在１６０～２８０ｋＨｚ。

综上所述结合特征参数和频谱特征分析可对起重机焊接缺陷破坏过程中的典型声发射源进行划分，其划分结果如表２所示。其中的具体量化指标跟试验条件、测试设备及环境因素有关，应用过程中可根据实际情况进行适当调整。

３　结论

通过试验方案设计，在保证汽车起重机安全工作的前提下，模拟其关键结构件焊接缺陷的局部损伤破坏过程，并获取了该过程中的典型声发射基础样本数据；对吊臂表面的声发射衰减状况进行了测试，结果表明时域指标（幅值）及频率指标（频率质心）均存在明显的非线性衰减规律；采用声发射线定位方法实现了缺陷源的准确定位；结合特征参数及频谱特征分析方法实现了典型缺陷信号及噪声源信号的准确划分。

参考文献：

［１］　吴彦，沈功田，葛森．起重机械无损检测技术［Ｊ］．无损检测，２００６，２８（７）：３６７－３７２．

［２］　ＧＯＲＤＯＮ　Ｒ　Ｄ，ＫＥＶＩＮ　Ｆ　Ｆ，ＪＯＨＮ　Ｌ，ｅｔ　ａｌ．Ａｓｓｅｓｓｉｎｇｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ｏｆ　ｃｒａｎｅ　ｂｏｏｍｓ　ｕｓｉｎｇ　ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎ［Ｃ］／／ＥＷＧＡＥ　２００２　２５ｔｈ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　Ｐｒａｇｕｅ．ＣｚｅｃｈＲｅｐｕｂｌｉｃ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，２００２（９）：１１－１３．

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［４］　ＤＯＵ　Ｙａｎ－ｔａｏ，ＸＵ　Ｘｉａｏ－ｌｉ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ，ｅｔ　ａｌ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｄｅｆｅｃｔｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　ｌｏｗ－ａｌｌｏｙ　ｈｉｇｈ－ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｓｔｅｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＥｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］／／２０１１Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＩＣＭＭＡ２０１１．Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ：Ｔｒａｎｓ　Ｔｅｃｈ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｌｔｄ，２０１１：１５８０－１５８５．

［５］　ＤＯＵ　Ｙａｎ－ｔａｏ，ＸＵ　Ｘｉａｏ－ｌｉ，ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ，ｅｔ　ａｌ．ＡＥｆｅａｔｕｒｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｒａｃｋ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＨＧ７０ｓｔｅｅｌｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｒｕｃｋ　ｃｒａｎｅ［Ｃ］／／４ｔｈ　ＩＦＩＰ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　４ｔｈ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆＲｕｒａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣＣＴＡ　２０１０，ＵｎｉｔｅｄＳｔａｔｅｓ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，２０１０：７８－８８．

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窦艳涛１，２，庞思勤２，徐小力２，３，王　伟４

（１．北京石油化工学院机械工程学院，北京　１０００８１；２．北京理工大学机械与车辆学院，北京　１０２６１７；３．北京信息科技大学机电系统测控北京市重点实验室，北京　１００１９２；４．中国农业大学工学院，北京　１０００８３

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