声发射技术用于监测焊接梁疲劳过程的试验研究

    损伤及破坏特性的实时监测对材料性能的研究、结构的设计和构件质量评价有着重要意义。声发射(AE)作为一种动态无损检测技术具有连续、整体监测等特点,已成为评价结构的完整性以及分析结构破坏全过程的重要手段[1]。在铁路部门,为确保行车安全,可应用声发射技术监测机车车辆和桥梁的结构完整性。

    本研究应用多通道声发射仪监测了高速客车转向架焊接构架模拟梁(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裂纹萌生和扩展的声发射特性;采用瞬态数字存储示波器记录了疲劳试验中几个不同阶段的声发射瞬态波形,进一步了解了在此过程中焊接梁内部结构的变化;与此同时,还探索了在试验现场强背景噪声条件下的排噪措施以及裂纹源的定位技术。

    1　焊接梁及疲劳试验条件

    ( 1 )焊接梁的特性　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:12 mm厚的四块16MnR钢板组焊成箱形封闭断面的平直梁;为了模拟构架横梁与侧梁连接部位的应力集中,在一侧腹板的相应部位开设了两个§60 mm的孔。试验梁的形状、尺寸见图1所示。

    ( 2 )疲劳试验条件　疲劳试验在PME-50A液压脉动疲劳机上进行,采用正弦波加载,恒应力幅控制。最大载荷Pmax=16 t,最小载荷Pmin=6 t,应力幅度为184MPa,加载频率为5 Hz。

    2　声发射信号检测系统

    ( 1 )声发射数据采集系统　在疲劳试验的同时,进行声发射监测和瞬态波形采集。声发射监测采用LOCAN-320型12通道声发射仪,传感器型号为R15,其中心频率为150 kHz,前放型号为1220A,增益选为40 dB。经过调试,主机增益选为35 dB,门槛值设为38 dB。这样,既可滤掉部分系统噪声,又能有效地探测到声发射信号。另外,在焊接梁的高应力区,还放置了两个100 kHz～1 MHz的宽频差分式传感器,并配置了相应的带通滤波器,其前放增益为60dB。瞬态数字存储示波器为Philips PM3365A型,在与计算机连接的情况下能进行实时波形采集和数据分析。

    ( 2 )传感器的布置　结构承受疲劳载荷作用时,其损伤往往发生在大应力区和结构几何形状突变、焊接缺陷或材料本身缺陷引起的高应力或高应变的局部区域[2]。根据焊接梁的结构特点和有限元分析计算结果[3],确认焊接梁上应力较大的部位共有四处且两两对称,按照应力的大小排序,依次为焊接梁中心截面底板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两侧(参见图1中标有○和□的部位)。另外,在前腹板两孔下部大应力区处又耦合了两个宽频差分式传感器(图1中标有1、2处)。