鋼結構疲勞損傷聲發射監測

汪文有，孔德連，許鳳旌

（美國物理聲學公司（PAC）北京代表處，北京 100029）

某鋼結構錨梁在疲勞測試過程中，錨梁一端焊縫出現裂紋。采用聲發射技術對裂紋處進行重點監測，得到裂紋損傷的疲勞活動規律，為今后的深入研究提供重要依據。

該鋼結構錨梁預定疲勞測試次數為200萬次，采用壓－壓疲勞加載，最大加載載荷為1 714kN，最小加載載荷為124.6kN，加載頻率為1.1次/s。隨著疲勞加載次數的增加，錨梁橫梁段與底部支撐板焊縫連接處出現宏觀裂紋。當疲勞次數達到77萬次的時候，采用聲發射技術對其進行了疲勞監測，采集裂紋活動過程的聲發射信號。經過10天的監測，一直跟蹤至疲勞測試結束，獲得了有價值的數據。通過對數據的處理分析，得到裂紋損傷活動過程的信號特征。數據分析表明，裂紋在張開與閉合階段均產生聲發射信號，且具有不同的參數特征，只有經過一定的疲勞周次，才會發生真正的裂紋擴展，裂紋擴展具有隨機性。圖1為疲勞測試的現場圖片，圖中左端黑點處為已發現的焊縫裂紋。

圖1 疲勞試驗現場圖片

1 疲勞損傷聲發射監測原理及監測系統

1.1 聲發射監測原理

疲勞損傷是指材料或結構在交變載荷作用下由于機械、物理、化學等因素導致其力學性能、微觀結構產生劣化的結果。工程結構中鋼梁焊縫連接處由于交變載荷作用容易產生疲勞損傷，其發生、發展歷程由位錯→滑移→微觀裂紋→裂紋擴展→斷裂等階段組成。根據損傷力學與斷裂力學原理可知，裂紋萌生、穩定、擴展直至最后斷裂的過程是一個能量累積和快速釋放的過程。能量的釋放包括表面能、熱能、彈性能等形式，其中的彈性能以應力波的形式釋放出來，產生聲發射。聲發射信號包含了信號源處的有效信息，通過監測分析裂紋損傷在疲勞載荷作用下的聲發射信號，有助于了解裂紋及結構的變化情況，進而對材料或結構構件進行損傷評價。

1.2 監測系統

采用美國物理聲學公司的SAMOS PCI－8聲發射系統，150kHz諧振傳感器，前置放大器增益為40dB，采樣頻率為1MHz。

2 疲勞裂紋損傷位置及開裂原因

2.1 裂紋位置

鋼梁左端部與底板支撐搭接處的角焊縫由于疲勞載荷、焊接缺陷、應力集中等原因產生兩條裂紋。一條位于鋼梁底板與底部支撐上表面板焊縫處，另一條位于橫梁左端部加強板底部焊縫處，裂紋源位于角焊縫頭部。

2.2 開裂原因

由于疲勞試驗機壓力軸與鋼結構錨梁側向中面不完全重合，橫梁兩端與底部支撐板的連接焊縫既承受復合拉壓應力，又承受復合扭剪應力。因此鋼結構橫梁兩端焊接處在每一次循環都要承受拉－壓－剪三種狀態的復合應力作用。在焊縫區，焊條金屬與本體金屬的熔融區往往產生金屬原子的位錯，在外應力作用下，位錯原子數目不斷增加，大量的位錯部位相互通連，形成了原子尺度的滑移帶，當滑移帶在周期載荷作用下繼續發展，便形成微裂紋。微裂紋的端部往往造成應力集中，隨著疲勞次數的增加，裂紋不斷擴展，形成肉眼可見的宏觀裂紋。

圖1中傳力三角梁為不對稱三角形，主壓力點分別距離橫梁左右兩端支撐處260mm和420mm，從而使鋼架橫梁左端焊縫處承受較大的載荷。開裂處為角焊縫焊接，由于施焊部位空間狹窄，影響焊接質量，焊接端部易產生應力集中，引起較大殘余應力，造成該端出現宏觀裂紋。

3 監測結果及數據分析

3.1 噪聲分析

疲勞試驗現場噪聲主要來自于油缸沖擊、金屬塑性變形、金屬板表面之間的擠壓摩擦、加載金屬壓頭對三角梁頂端產生的周期性沖擊。圖2為噪聲檢測過程中傳感器布置圖，將傳感器布置在鋼梁各段，距離左端焊縫處較遠。由于鋼板結構搭接、角接情況復雜，聲波衰減加劇，因此，傳感器基本接收不到裂紋處的聲發射信號。圖3為不同傳感器接收到的噪聲信號的幅值－時間圖，通道1～4分別對應圖2中的安裝位置。由圖3中噪聲信號分析可知，1，2通道貼于左側側壁，最高幅值達到70dB左右，具有明顯的周期性，其信號出現的頻率等于加載頻率的兩倍，表明每次疲勞循環的加載段與卸載段都會產生信號。3，4號傳感器分別貼于三角梁與橫梁上，其信號幅值高達90dB左右，且通道3接收到的信號幅值高于通道4，但3，4通道低幅值信號的周期性已經不明顯。這說明噪聲信號主要來自于傳力三角梁與底部橫梁相接平面的摩擦以及鋼板的塑性變形和液壓缸的沖擊噪聲，噪聲信號首先傳到3通道，依次傳給4，1，2通道。3，4通道接收到高幅值信號，同時接收到大量的反射波、折射波，因此使得周期性的加載信號趨于模糊，不再具有周期性。隨著傳播路徑的增長以及鋼結構連接形式的復雜性，信號的衰減使得1，2通道只能接收到低幅值、低頻率信號，一些反射波、折射波衰減到門檻以下，因此1，2通道不受回波干擾，其信號表現出明顯的周期性。

圖2 噪聲檢測傳感器布置圖

圖3 左端裂紋信號幅值－時間圖

由圖2可知，通道3位于傳力三角梁與橫梁凸臺接觸面附近，因此通道3的信號波形頻譜特征可以有效表征加載端傳來的噪聲信號，其幅值－時間特征參數圖見圖4。由于加載和卸載過程平穩，其疲勞加載曲線如圖5，每個加載周期中3號傳感器都會接收到兩次高幅值信號，且兩次信號的聲發射特征參數的差別具有規律性。圖5中T0至T為一次加載周期（此試驗加載頻率1.1Hz）。圖中T1和T2分別為兩次高幅值信號出現的時間，其間隔時間約占每個周期的40%，兩次信號的上升時間分別位于300～600μs和11 000～16 000μs之間。進一步分析可得：加載段由于載荷持續加大，應變能迅速聚集，達到最大作用應力（T1）前材料屈服或結構達到塑性極限而釋放能量并產生聲發射；卸載段由于載荷作用的減小，金屬構件具有恢復原狀的彈性能將得到釋放，由于釋放過程沒有外加應力的強制作用，使得卸載過程均勻平穩，高幅值信號的上升時間和持續時間較長。

圖4 通道3幅值－時間特征參數圖

圖5 通道3壓－壓疲勞加載曲線示意圖

分析兩次信號的頻譜圖發現，加載段的高頻信號比率較大，這表明加載段由于外載的強制作用使得信號的應變速率較大；卸載段能量的釋放較為自由，應變速率較小，因此信號的頻率較低。由以上分析可得：圖4中1～3分別表示為加載段信號，1’～3’表示卸載段信號。圖6和7分別為不同載荷歷程的信號波形及FFT譜圖。

圖6 卸載處信號的波形與FFT圖

圖7 加載處信號的波形與FFT圖

3.2 鋼梁兩端信號對比分析

將傳感器布置于鋼架橫梁兩端進行信號采集，即在圖1所示鋼結構橫梁兩端焊縫區對應放置傳感器，其傳感器位于圖1中的十字圓形區域。圖8為右端（無裂紋端）信號的波形與FFT變換圖，圖9為左端（裂紋端）突發型信號波形與FFT譜圖。兩端低幅值信號出現的頻率接近于加載頻率的2倍，即在一次循環的加載與卸載過程均產生低幅值噪聲。

圖8 無裂紋端噪聲信號的波形與FFT圖

鋼梁右側低應力區無裂紋端的信號時域波形呈連續型，信號經過快速傅里葉變換處理后具有較寬的頻帶范圍（50～350kHz），低頻成分 （80～160kHz）占主要成分，且分布較為均勻。左端（裂紋端）信號每個加載周期都會出現，其信號波形為典型的突發型，且出現在加壓到最大載荷前和卸載到最小載荷前，其頻譜圖與功率譜圖頻率成分集中，位于150kHz左右，因此以突發型信號作為裂紋活動的表征信號，總結其參數特征，作為與噪聲信號參數的對比，見表1。

圖9 裂紋端突發型信號波形與FFT圖

表1 不同類型信號的特征參數

3.3 裂紋活動端信號分析

由3.2分析可知，裂紋端信號具有突發型特征，因此進一步在已知裂紋處布置多個傳感器進行檢測，傳感器布置如圖10所示。利用表1的突發型信號參數特征進行數據濾波，得到了以突發型信號為主的有效數據。數據分析表明，信號的接收以通道1為主，具有周期性的規律，其出現頻率是加載頻率的2倍，幅值分布在60dB左右。即在一次循環過程中，裂紋具有兩次活動信號，且其兩次信號的間隔時間為整個加載周期的40%，因此判斷出裂紋在張開（卸載）與閉合（加載）過程中均產生了突發型信號。根據聲波傳播機理，距離聲源越近，接收到的信號時間越早，幅值較高。通過對5個通道接收到突發型信號的時間進行統計，表明一次循環過程中突發型信號被各通道采集到的順序依次為1，4，5，2，因此聲源位置在通道1附近。由于信號傳播衰減，使得通道5，2只能接收到一部分突發型信號，聲波在經過焊縫處引起嚴重的衰減，3通道接收不到。根據疲勞加載頻率與信號接收時間的先后關系，確定此突發型信號來自于通道1附近的裂紋，且裂紋處于活性狀態，周期性地產生突發型聲發射信號。

圖10 左端焊縫裂紋處傳感器布置

分析表明，焊縫裂紋在疲勞載荷作用下，其裂紋接合面不斷相互擠壓、摩擦產生周期性低幅值突發型信號。根據斷裂力學原理，對于疲勞應力產生的裂紋擴展，當交變載荷施加在金屬結構體上時，在裂紋尖端形成應力集中，當尖端應力達到疲勞應力強度極限時，尖端在r為半徑的圓周范圍內屈服，釋放出AE信號，屈服后的裂紋尖端向前延伸并硬化，應力在新的尖端范圍（r′0）內集中。由于交變載荷幅值不變，尖端應力上升到一定值σa時，不再上升。σa雖然不變，但是由于疲勞使金屬強度極限下降，當金屬強度σs降到σa時，尖端前部在r0′為半徑的圓周區域內屈服開裂，裂紋擴展，r0′區域內的應力被松弛掉，松弛掉的應力向前傳遞給r0′區域前端的r1的微小范圍內的非屈服區域，該區域進而形成應力集中。上述過程的持續進行會產生位錯滑移，位錯雪崩，釋放AE信號，裂紋不斷擴展。當裂紋尖端的應力不斷集中，最后失穩擴展并釋放能量，產生高幅值突發型聲發射信號。根據同一次疲勞循環中通道1，5接收同一信號的時間差，由已測聲速與時間差的乘積確定信號源位于裂紋附近。

3.4 裂紋擴展監測

根據以上分析，現場環境惡劣，聲發射信號主要來源于機械運動、金屬的塑性變形、裂紋開裂面之間的擠壓和摩擦、微裂紋的疲勞擴展。因此，如何區分開裂紋活動信號與噪聲信號顯得尤為重要。由于突發型信號能夠表征裂紋的活動，根據突發型信號與連續型信號在聲發射特征參數上存在的差別，將突發型信號的特征參數作為濾波條件，可將大部分噪聲濾除掉，得到以表征裂紋損傷變化的突發型信號為主的特征群。經過長時間監測，獲得裂紋開閉狀態信號特征以及真實裂紋擴展信號特征，既抑制了噪聲干擾，又實現了裂紋損傷實時監測功能。

圖11為數據濾波后的特征信號群圖，大部分高幅值、高能量、長持續時間和上升時間的噪聲信號被濾除掉，得到了代表裂紋活動的突發型信號數據（圖中1～7代表出現的異常信號群）。圖11中標示的特殊信號群出現在監測第5天，監測圖中隨機出現多個突發信號群。各信號群中的點信號（55～70 dB）出現頻率等于加載頻率。上述信號群的歷程包含了微裂紋萌生、穩定、擴展、穩定等狀態過程。裂紋尖端在疲勞過程不斷積累能量，應力集中程度增大，當達到裂紋疲勞極限應力時，裂紋尖端的薄弱區發生局部應力屈服，萌生出新的開裂面，新的開裂面再繼續上述過程，使得裂紋尖端不斷向前發展。突發型信號是由于金屬微元在疲勞過程中的位錯、滑移、擴展開裂而產生，新的開裂面在相互咬合過程中產生高幅值突發型信號，隨著疲勞次數的增加，開裂面不斷趨于均勻、平整，聲發射信號幅值降低，最后趨于平穩。每次信號群的出現都要經前期能量的不斷累積過程，當能量積累到損傷極限，便發生尖端擴展和能量釋放過程，能量的釋放使得尖端前部應力松弛。因此，每個信號群的出現（即尖端擴展和能量釋放）后，尖端應力的松弛使得在一段時間內沒有周期性的突發型信號，從而表明信號群代表著裂紋尖端的擴展。可見，利用聲發射技術可以實現對裂紋擴展的實時監測。

4 結論

（1）聲發射技術可以在復雜的環境噪聲中得到表征裂紋活動的信號特征。根據裂紋信號與噪聲信號（塑性變形、摩擦等）之間的上升時間與持續時間的不同，可以有效區分突發型裂紋活動信號與連續型摩擦噪聲，有效提取裂紋活動信號。

圖11 左端裂紋活動信號圖

（2）突發型信號的參數特征可以作為焊縫是否完整的評價依據。根據突發型信號的特點，實現了對特征信號的提取，使對損傷萌生進行在線監測具有了可能性。

（3）采用聲發射技術可以在線監測裂紋損傷的變化發展過程，對損傷位置進行定位，對結構的設計以及使用壽命的計算將起到非常重要的指導意義。

［1］耿榮生，吳克勤，景鵬，等.全尺寸飛機機體疲勞試驗時中央翼與外翼連接區域疲勞損傷的聲發射監測.無損檢測，2008，30（1）：145－148.

［2］沈功田，戴光，劉時風.中國聲發射檢測技術進展學會成立25周年紀念［J］.無損檢測，2003，25（6）：302－307.

［3］耿榮生，李偉.飛機主梁疲勞裂紋萌生聲發射信號的識別方法［J］.航空學報，1996，17（3）：368－372.

［4］沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號處理和分析技術［J］.無損檢測，2002，24（1）：23－28.

［5］沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射信號的參數分析方法［J］.無損檢測，2002，24（2）：72－77.

［6］沈功田，耿榮生，劉時風.聲發射源定位技術［J］.無損檢測，2002，24（3）：114－117.

［7］沈功田，耿榮生，劉時風.連續聲發射信號的源定位技術［J］.無損檢測，2002，24（4）：164－167.

［8］耿榮生，沈功田，劉時風.模態聲發射基本理論［J］.無損檢測，2002，24（7）：302－306.

［9］李光海，劉時風，耿榮生，等.聲發射源特征識別的最新方法［J］.無損檢測，2002，24（12）：534－538.

［10］耿榮生，沈功田，劉時風.基于波形分析的聲發射信號處理技術［J］.無損檢測，2002，24（6）：257－261.