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摘要：对带有外部缺陷的Q235钢箱型梁弯曲试验过程中的声发射特征进行监测，研究试验过程中裂纹扩展的声发射参数特征和定位特征。弹性变形阶段的声发射密集程度和能量比屈服变形后的阶段弱，弹性阶段的声发射信号最高幅度为64dB。在弹性阶段期间，当箱型梁承受的最大载荷比带有缺陷的试件承受的最大载荷小时，缺陷很难被检测到。结果表明：在三点弯曲试验中，当裂纹发生扩展时，直线定位方法可以有效地对声发射源进行定位。 

　　关键词：Q235钢；外部缺陷；声发射；弯曲试验；三点弯曲试验

　　1 概述 

　　在现代工业制造过程中，起重机是吊装、运输、装卸、安装、维护和运载人等工作中必不可少且应用最广泛的设备，中国有多于55.6万的起重机，从工作系统和运动空间到完成起重机的全部功能，起重机械金属结构要支撑整个机械自重和加载到起重机的外部载荷。因此，起重机金属结构的状态直接影响到整个机械的安全性和可靠性。裂纹是起重机结构中常见的缺陷之一。起重机传统的无损检测有目测、超声检测和应力测试等，但是这些传统的无损检测方法容易忽视缺陷并且花费巨大。声发射检测是无损检测技术中的一种补充方法。整个结构在一次加载试验中可以检测到活动的缺陷。在国内和国外，起重机梁的声发射检测也有很多研究。但是起重机中广泛应用的Q235钢箱型梁结构的声发射特征却很少有人研究，在进行起重机声发射检测之前必须明确起重机常用结构件中裂纹扩展的Q235钢箱型结构件的三点弯曲试验，用声发射仪器监测其试验过程的声发射现象，分析声发射参数特征和定位特征。因此，设计带有预置裂纹的Q235钢箱型梁试件，并且在三点弯曲试验过程中对裂纹传播的声发射参数和定位特征进行声发射技术检测。 

　　声发射（Acoustic Emission，简称AE）是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。由于声发射可以对设备进行实时、动态的监测，因此应用也开始越来越广泛。声发射技术在材料和结构的无损检测中占有很重要的地位，是在20世纪60年代发展起来的一种材料和构件评价的新方法，现已成为一种不可缺少的检测手段。 

　　声发射检测是一种动态的无损检测方法，适合于长期在线的现场监测，其电信号复杂，要求分析人员有较强的信号分析能力。目前，声发射较成熟地应用于声发射源定位。声发射检测相对于其他无损检测技术（涡流检测、射线检测、超声检测、渗透检测和磁粉检测）而言，敏感性好，具有动态、实时、整体和连续等特点。声发射技术不仅可以对材料是否存在缺陷进行检测，还可以对缺陷的活度进行判断，并且可以对大型结构进行检测、做出有效的完整性评价，进而为起重机械的有效安全监测提供准确的依据。 

　　2 试验 

　　2.1 试件尺寸 

　　试件是用Q235焊接而成，板厚8mm，利用铜丝和FeS粉，分别在箱型梁试件底板上预置焊接裂纹缺陷1和缺陷2。 

　　2.2 试验仪器 

　　弯曲试验采用SANS SHT4206型号型微机控制力学试验机，其最大载荷为2000kN。 

　　采用全数字多通道声发射系统系列AMSY-5型8声发射仪，此声发射仪是Vallen-System GmbH制造的，包括传感器、前置放大器、计算机软件、缆线等。试验中采用VS150-RIC和VS900-RIC型号传感器、AEP4前置放大器自试件中接收声发射信号，前置放大器可获得的声发射信号幅度为34dB。传感器S1、S2和S3布置在试件腹板上，这三个传感器型号一次分别是VS900-RIC、VS150-RIC和VS150-RIC型。其中传感器S2、S3组成直线定位组，传感器S1获取声发射定位源的宽频带波形信号。门槛值设为40dB。 

　　2.3 加载过程和噪声消除 

　　在试件预置裂纹之前，在试件上加载静载荷，以此消除残余应力可能会引起的噪声。试验中最大静载荷可达到306kN，并且此试件仍处于弹性变形阶段。试验中为分离噪声和声发射信号，在支点和压头与时间接触面上衬垫Polyvinylchloride （PVC）塑料板，然后将试件加载3次，每次最大加载载荷少于306kN。最后两次加载过程出现了极少的声发射信号，由此说明，由于材料残余应力和试验仪器中的摩擦所引起的噪声消除的 

　　很好。 

　　然后，在试件上加载载荷，加载程序如下：第一次加载过程，从0kN到280kN，然后卸载到0kN；第二次加载过程，如第一次加载过程；第三次加载过程，从0kN到280kN，然后卸载到0kN，在第三次加载时，在试件加载240kN到280kN之间停止，并保持载荷5分钟。 

　　3 试验结果与分析 

　　3.1 声发射信号参数 

　　试件整个加载过程中的声发射信号撞击数—时间记录，第一次加载时间是0～300s，第二次加载时间是2400～2800s，第三次是3330～4450s。第三次试件加载载荷从280kN到387kN曲线比第一次加载载荷从0kN到280kN时间内上升的更快。随着加载载荷的增加，声发射信号撞击数很快升高，这说明，随着加载载荷的不断增加，裂纹扩展速度增强。 

　　试件整个加载过程中的声发射信号幅度分布记录，在3次从0kN到280kN加载过程中，第一次加载是比其他两次声发射信号活跃，数据显示第一次加载过程中声发射信号幅度最高为64dB。这表明，在带有外部裂纹试件承受最大压力时会发出很多声发射信号，但是幅度要比第一次低很多。此外，试件加载载荷从280kN到387kN过程中，声发射信号幅度要比从0kN到280kN过程中高一些，并且增长也快。也就是说，声发射信号幅度随着加载载荷的增加而提高。 

　　3.2 声发射定位特征 

　　Q235钢箱型梁试件在第一次和第三次加载过程中声发射源定位，在试验中，由于承受载荷，布置在梁支点和压头位置的PVC塑料板在第一次加载时就已发生破坏。在两支点和压头处出现了一些声发射信号，经过声信号参数过滤，两支点和压头处的声发射已经被消除，而其他的信号却保留了下来。试验结果表明，在裂纹扩展过程中，声发射的直线定位法可以精确地定位箱型梁中的声发射源。 

　　3.3 外部缺陷的宏观特征 

　　缺陷1包括两个焊接的前置裂纹，利用磁粉检测方法，可以观察到外部裂纹，以上的外部缺陷要比缺陷2清晰的多。在第一次加载过程后，焊缝在磨平和磁粉检测后，进行观察。当试件加载到280kN后的外部特征，此时试件仍处于弹性变形阶段。宏观裂纹主要出现在纵向位置。出现在载荷为378kN时，这时候承重已经达到极限。与实验之前的裂纹相比较，我们可以发现，裂纹随着加载的增多而发生扩展，弹性阶段期间，数量较少，长度和深度比屈服阶段要窄。 

　　4 结论 

　　由Q235钢箱型梁弯曲试验的声发射监测，我们可以得出以下结论： 

　　（1）在裂纹扩展过程中声发射直线定位方法可以比较精确地对箱型梁的声发射源进行定位，通过消除残余应力、分离噪声和布置声发射参数过滤器等方法可以排除噪声的影响。 

　　（2）随着带有前置外部裂纹的箱型梁加载载荷的增加，宏观裂纹的长度和深度不断增加，累计增发射撞击数快速增长，并且声发射信号幅度也在不断升高。 

　　（3）带有外部缺陷的试件在弹性变形阶段反复加载到同一水平时，在第一次加载过程中会有大量的声发射信号，但是在其他的两次实验过程中，声发射信号都要少一些，并且幅度也更低。 

　　参考文献 

　　[1] 杨明纬，耿荣生.声发射检测[M].北京：机械工业出版社，2005. 

　　[2] 李喜孟.声发射检测[M].北京：机械工业出版社，2001.