基于金屬磁記憶的鋼結構焊縫疲勞試驗

和振峰, 周建庭*, 馬 虎, 鄒 楊, 張向和

(1. 重慶交通大學省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室, 重慶 400074； 2. 重慶市市政設施管理局, 重慶 400015)

隨著交通行業的快速發展,日益增長的交通量給鋼結構橋梁帶了嚴重的疲勞問題。焊縫結構作為鋼結構橋梁建造過程中一種重要的結構形式,因其在焊接過程中不均勻熱應力造成的焊接殘余應力等的影響而成為最容易發生疲勞破壞的部位。由于焊縫結構的疲勞破壞對整個結構的危害大并且在前期不容易檢測出來,因此進行焊縫的無損檢測對于提高結構的安全性以及耐久性有著重要的意義。

焊縫結構的疲勞破壞是一個緩慢變化的過程,主要分為三個階段:疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展以及斷裂。傳統的無損檢測方法包括紅外熱成像法[1]、磁粉檢測法[2]、非線性超聲檢測法[3]等對于最終形成宏觀疲勞裂紋有著很好的檢測效果,但是對于疲勞裂紋萌生初期的檢測存在著局限性。相反,金屬磁記憶檢測技術可以有效解決這個問題。1997年俄羅斯學者Dubov[4]在國際焊接學術會議上首次提出的金屬磁記憶檢測技術,一經提出便成為國內外學者研究的熱點。目前,基于金屬磁記憶的疲勞損傷以及焊縫損傷檢測已經取得一些成果。Hu等[5]針對35CrMo鋼板進行四點彎曲疲勞試驗,研究表明構件表面磁信號可以較好地反映疲勞變化過程,提取的磁信號特征值可以評估構件的剩余疲勞壽命。胡志斌等[6]針對石油鉆柱進行疲勞試驗,通過提取磁信號特征參量,實現了鉆柱的疲勞早期監測。Ni等[7]利用三點彎曲疲勞試驗得到的磁信號,提取磁信號梯度分布曲線與初始梯度分布曲線之間圍成的面積參數ΔKSN,構建基于ΔKSN的疲勞損傷模型,模型較好地預測了構件的剩余疲勞壽命。朱達榮等[8]使用小波變換提取了鋼構件疲勞過程中的磁信號特征量,通過多特征量分析實現了鋼構件的量化評估。Xu等[9]的研究表明裂紋深度與磁信號的表征呈正相關,焊接接頭處進行熱處理雖可以減小焊接殘余應力,但也減弱了接頭表面的磁信號,影響檢測精度。邢海燕等[10-12]提取了焊縫位置處磁信號的特征值包括梯度、區域能量最大值等,并利用模糊算法建立了焊縫疲勞損傷的識別模型,對焊縫疲勞裂紋萌生的臨界狀態進行識別。任尚坤等[13]對含焊接缺陷的焊縫試件進行了疲勞試驗,通過研究發現可以使用磁信號的梯度積分以及合成梯度等磁信號特征值來對焊縫的疲勞損傷進行表征,并利用此特征值建立了可以評估焊縫疲勞壽命的疲勞損傷模型。

總的來說，金屬磁記憶檢測技術已經被廣泛應用于焊縫裂紋及疲勞損傷的檢測,但是關于焊縫的疲勞裂紋檢測研究較少,已有的焊縫疲勞試驗也只是簡單地對小尺寸的鋼板焊縫進行拉壓疲勞,與實際結構中焊縫的疲勞存在著較大的差別。為了較為真實地模擬焊縫疲勞,設計工字型鋼梁以及對接焊縫構件,開展對接焊縫疲勞全過程的磁信號變化規律研究,提出可以表征焊縫裂紋萌生階段的磁信號參數,以期實現焊縫結構疲勞裂紋出現前的提前預警,為實際的工程需求提供參考依據。

1 理論分析

理想狀態下無外加應力以及外加磁場的作用,處于穩定狀態的鐵磁性物質的總能量為

E=EK+Ems+Eel

(1)

由鐵磁性材料制造而成的構件總是處在地磁場的作用下,因此考慮在地磁場以及應力的作用下,鐵磁性物質內部的總能量為

E=EK+Ems+Eel+Eσ+Eb

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:EK為磁晶各相異性能；Ems為磁彈性能；Eσ為應力能；Eel為彈性能；Ed為退磁能；λs為飽和磁致伸縮系數；對于鐵磁性物質來說,飽和磁致伸縮系數λs>0；θ為應力方向與磁化方向的夾角；k1、k2為磁晶各向異性常數,與物質的結構相關；α1、α2、α3為磁化方向與三個晶軸的方向余弦；N為退磁因子；M為磁化強度；μ0為真空磁導率；Hd為退磁場強度。

在應力的作用下,鐵磁性物質內部的磁疇和原子磁矩的方向會重新取向,同時結構內部的磁疇壁也會發生變化,在變化的過程為了保證系統的總能量區域穩定,式(2)中每一部分的能量總要發生變化來保持鐵磁性物質總能量的平衡。在疲勞試驗中,隨著疲勞進程的不斷推進,材料內部由于疲勞損傷的不斷積累,會使得材料發生變形和產生缺陷,變形以及缺陷的產生會導致材料的彈性能以及磁彈性能增加；除此之外,地磁場以及循環應力的不斷作用會導致材料內部原子磁矩不斷增加,從而導致材料內部的磁晶各相異能增加。由此可知,疲勞荷載作用的過程中材料的彈性能(Eel)、磁晶各相異能(EK)、磁彈性能(Ems)均增加,根據能量最小原理,為了保證材料內部的能量最小,材料內部的應力能應該要減小。從式(6)可以看出只有當θ=0或π時,應力能(Eσ)才會最小,這時材料內部分布散亂的磁矩將會朝著磁化方向改變,使得此處的發生有序磁化,從而增大磁信號。但是退磁場[14]的存在是為了削弱鐵磁體內部的磁場,當材料內部磁信號增大時,這時退磁能也會增大。

通過上面的分析可知,根據能量最小原理,焊縫試件在循環應力的作用下為了保持材料內部的總能量保持最小,需要通過改變材料的應變能,由于加載的過程中應力的方向不發生改變,這時只能改變強迫物質內部的磁化強度方向發生改變；另外在循環應力的作用下,由于焊縫試件內部的磁疇和磁矩發生了變化導致構件內部的退磁能也在不斷增大,焊縫試件的疲勞裂紋處由于應力集中的存在,退磁能的增大會導致這些位置的附加磁場增強,循環應力作用消失后,由于這種變化是不可逆的存在,焊接試件在裂縫處的附加磁場仍然存在,這種附加磁場的存在就是金屬磁記憶的表現。

2 試驗過程

2.1 試驗構件

本次試驗的構件主要分為兩部分,一部分為工字型鋼梁,另一部分為對接焊縫鋼板,均由Q235鋼材焊接而成；其中工字型鋼梁為主要的傳力構件,永久的架設在試驗場地,不進行更換；對接焊縫鋼板為本次試驗的主要目標,使用高強螺栓錨固在工字型鋼梁底部,可以根據試驗要求而進行更換。工字型鋼梁以及對接焊縫鋼板的尺寸和安裝效果如圖1所示,工字型鋼梁長3 000 mm、寬350 mm,高300 m,為了保證焊縫位置處有一個相對穩定的磁場空間同時為了擴大焊縫位置處的應力,在鋼梁的跨中位置處開一個半徑為360 mm的半圓弧孔；為了方便焊接鋼板錨固在工字型鋼梁上,在鋼梁的跨中底板上各預制10個圓形小孔。一共預制了2塊對接焊縫鋼板,編號為1#～2#。對接焊縫鋼板長1 000 mm、兩邊寬350 mm、中部寬100 mm、厚10 mm,對接鋼板的兩側也各預制10個圓形小孔,其分布位置與鋼梁上的圓孔一一對應,方便兩個試件更好地連接在一起。

圖1 試件的具體尺寸示意圖

2.2 試驗加載及磁信號采集方案

本次試驗采用美國生產的MTS-25t材料疲勞試驗機進行加載,根據陳孝文等[15]的研究發現,對疲勞構件施加正弦波荷載,最終產生的疲勞裂紋擴展的速率最慢,因此本次試驗對鋼梁施加正弦波荷載,最大載荷為100 kN,最小載荷為20 kN,應力比為0.2,加載頻率為4 Hz,試驗簡圖如圖2所示。掃描設備使用團隊自主設計的自動化磁場掃描系統如圖3所示。該系統主要分為四個部分:試驗平臺、掃描裝置、自動化控制系統以及電腦控制系統。該系統的掃描裝置包括磁探頭和機械框架組成,其中磁探頭采用的是HMR2300型智能數字磁場采集器,該采集器能夠測得磁信號強度和方向,分辨率為70 μGs；機械框架主要是有三維鋁合金軌道和支架系統、步進電機驅動器以及固定磁探頭的空心桿組成,其對于磁探頭位置的定位可以精確到0.1 mm。整個試驗過程全程使用計算機來控制,在計算機上可以對掃描路徑、掃描速度等參數進行設置,采集到的磁信號可以以文本的形式進行保存,文本的內容包括磁信號的X、Y、Z坐標以及三個方向的磁分量Hp(x)、Hp(y)、Hp(z)。

圖2 疲勞試驗裝置

Bx、By、Bz表示x、y、z三個方向的磁分量

對接焊縫由于焊接質量的不同,在相同的循環荷載下疲勞壽命有差異,因此本次試驗有兩種循環周期,1#對接焊縫鋼板以2萬次作為一個循環周期,2#對接焊縫鋼板的加載方案在1#板的基礎上進行了改進,在循環10萬次之前,2萬次一個循環周期,10萬～20萬次,循環1萬次為一個周期,20萬次之后,循環5 000次一個循環周期。每循環一個周期,使用三維磁信號掃描儀對焊縫鋼板進行掃描,具體的掃描路徑范圍垂直焊縫方向的400 mm區域,焊縫位于掃描路徑的正中位置,每條路徑之間的距離為25 mm,掃描儀探頭位置與焊縫鋼板之間的提離高度為5 mm,同一提離高度下有三條平行掃描路徑,每條掃描路徑之間的間距為25 mm,其位置恰好位于焊縫正中以及兩邊,三條路徑分別命名為W1、W2、W3,其具體分布如圖4所示。

圖4 磁掃描路徑布置示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

圖5和圖6給出了1#焊縫鋼板以及2#焊縫鋼板不同疲勞次數下切向分量Hp(x)、法向分量Hp(y)的變化曲線,由于兩塊焊縫鋼板的初始焊接質量不同,對焊縫的疲勞壽命有一定的影響,造成兩塊焊縫鋼板出現宏觀疲勞裂紋的疲勞周次不同,其中1#板循環了14.2萬次之后出現了宏觀疲勞裂紋,2#板循環了39.2萬次出現了宏觀疲勞裂紋,反映在圖中即圖5中分布曲線的數量較少,圖6中分布曲線數量較多。

3.1.1 焊縫初始狀態對磁信號的影響

焊縫試件在焊接過程中由于熱應力以及焊接工藝的影響,造成焊縫在冷卻后其內部產生焊接殘余應力以及焊接缺陷,盡管在焊接過程中盡可能地去保證兩塊試件的焊接質量一致,但是焊接工作存在的隨機性很大,最后焊接完成后的兩塊試件的焊接質量以及焊接殘余應力分布不同,進而使得兩塊試件在循環加載前的磁信號分布曲線變化趨勢不同,如圖5、圖6所示。通過對比圖5(a)～圖5(c)發現,同一試件上不同掃描路徑得到的磁信號在數值及曲線形狀上也有差異,圖6(a)～圖6(c)也是如此,這說明同一條焊縫的不同位置的磁信號受焊接質量的影響其分布曲線的變化趨勢會有差異。

從圖5和圖6中看出,當其初始磁信號分布曲線的變化趨勢相似時,隨著疲勞周次的增加,其峰值及谷值變化趨勢也基本相同,如圖5(a)和圖5(b)曲線的峰值在循環2萬次之后下降,2萬～12萬次峰值基本保持不變,12萬～14.2萬次(壞)峰值先下降后上升；圖6(a)和圖6(b)曲線的谷值在循環2萬次之后逐漸上升,直至宏觀疲勞裂紋出現后,谷值出現下降。顯然這個規律在兩塊焊縫試件上均有體現,由此可以看出焊縫初始狀態不僅對于磁信號的初始分布有影響,疲勞過程中磁信號的變化趨勢也會受其影響,因此可以通過初始磁信號的分布曲線來判斷焊縫不同位置的狀態。

3.1.2 磁信號分布曲線隨疲勞周次的變化

隨著疲勞周次的增加,磁信號分布曲線均在發生變化,由圖5和圖6可知,磁信號分布曲線隨著循環次數的增加其變化趨勢整體分為三個階段,第一個階段為0～2萬次,無論是1#試件還是2#試件,在這個階段磁信號分布曲線均在數值上與初始磁信號相比較出現了明顯的變化,分析可知,在這一段時間里,循環載荷的作用使得焊縫內部的應力得到釋放,材料內部的應力能減小,導致磁疇、磁矩等均發生較大的改變,從而影響到了焊縫表面的磁信號分布；受焊縫鋼板的疲勞壽命的影響,兩塊焊縫鋼板在第二階段以及第三階段所對應的疲勞循環周次并不相同；對于1#試件,第二階段是從2萬～12萬次,在此階段磁信號變化進入穩定階段,不同疲勞周次下的磁信號分布曲線變化很小,在圖5中的表現為數條分布曲線基本重合在一起；第三階段是從14萬～14.2萬次,從14萬次開始曲線開始出現突變,直至焊縫宏觀疲勞裂紋出現,曲線的變化再次增大。

圖5 1#試件磁分量隨疲勞周次變化曲線

圖6 2#試件磁分量隨疲勞周次變化曲線

由圖6可知,2#試件磁信號分布曲線的變化在第二階段表現出來的現象與1#試件有所不同,隨著疲勞周次的增加,磁信號曲線的峰值以及谷值在不斷緩慢地變化,雖然其變化的值很小,但并非完全重合在一起；當達到一定疲勞周次之后,疲勞進入第三階段,曲線開始出現突變,直至宏觀疲勞裂紋出現；由于其磁信號采集頻率以及疲勞壽命較1#試件高,因此不能從圖6中直觀地找到二、三階段的分界點。同時觀察圖6發現,在疲勞變化的穩定階段,不同磁分量對于疲勞損傷變化的敏感程度不同,圖中,相較于磁信號的切向分量來說,磁信號法向分量分布曲線在這一階段其變化更加明顯,能夠更好地反映出此階段疲勞損傷變化的過程；由此可知在疲勞穩定階段,磁信號法向分量Hp(y)對于疲勞損傷的變化更為敏感。

3.2 磁信號特征值的提取

由圖5～圖6可知,在宏觀疲勞裂紋出現之前,磁信號分布曲線就出現了變化,但是當試件的疲勞壽命長、磁信號采集頻率高時,磁信號分布曲線會重疊在一起,如圖6所示,不能直觀的從圖中找到曲線突變的時間節點,對疲勞裂紋的出現進行預警。因此需要將磁信號數據進行深層次的分析處理。

試件的焊接初始狀態對于試件的磁信號的分布以及疲勞過程中的變化有著顯著的影響,為了減弱焊接初始狀態的影響,在對數據進行分析處理時使用的是每個疲勞周次下的磁信號與初始磁信號的差值ΔHp(x)n、ΔHp(y)n,所用公式為

ΔHp(x)n=Hp(x)n-Hp(x)0

(7)

ΔHp(y)n=Hp(y)n-Hp(y)0

(8)

式中：Hp(x)n、Hp(y)n為疲勞循環第N次得到的磁信號值;Hp(x)0、Hp(y)0為在疲勞加載前得到的初始磁信號值。

由上述計算公式得到的磁信號差值只是減弱了初始焊接狀態對磁信號變化的影響,但是不同位置處的磁場變化也會因為焊縫狀態的隨機性的影響產生差異；為了消除不同位置處焊縫狀態對于磁信號變化的影響,能夠更好地比較不同路徑下得到的磁信號隨著疲勞周次變化的規律,引入數學系統中的數據標準化的處理方法,對ΔHp(x)n、ΔHp(y)n進行了標準化處理,所用公式為

(9)

經過上述變換處理后的磁信號分布曲線仍存在多根曲線重疊在一起的現象,為了能夠直觀地表達出磁信號隨疲勞周次的變化規律,本文考慮使用一個數據來表征一定疲勞周次下掃描路徑上的所有采集點的磁信號,建立此數據隨著疲勞周次變化的特征曲線。在磁記憶檢測技術中,磁信號的平均值是一個特別重要的參數,因此所使用經過標準化處理后的ΔHp(x)n、ΔHp(y)n值進行平均值的求解。同時,為了消除單一變量的偶然性對結果的影響,考慮將ΔHp(x)n、ΔHp(y)n進行矢量合成,通過矢量合成得到的結果A(x/y)來繪制隨著疲勞周次變化的特征曲線,即

(10)

(11)

式中:yix為ΔHp(x)標準化后的磁信號差值；yiy為ΔHp(y)標準化后的磁信號差值；Ax為ΔHp(x)平均值；Ay為ΔHp(y)平均值；A(x/y)為矢量合成平均值。

現將求出來的1#試件以及2#試件的矢量合成平均值A(x/y)繪制出隨著疲勞周次變化的曲線分別如圖7、圖8所示。從圖中可以看出,1#～2#試件在疲勞初期矢量合成平均值的變化很小,曲線基本呈單一趨勢的增加或者減小；從圖7可以看出，當1#試件疲勞循環周次達到12×104次之后,曲線結束了平穩變化階段；隨后曲線出現了明顯的突變,A(x/y)先增加達到最大值,在宏觀疲勞裂紋出現后,A(x/y)快速下降；從圖8中可以看出，當2#試件疲勞循環到27.5×104次之后,曲線結束其整體下降的趨勢,其中W1、W3路徑下的A(x/y)先逐漸上升到最大值,并在29.5萬次出現拐點,之后A(x/y)開始快速下降,直至試件出現宏觀疲勞裂紋；W2路徑下的A(x/y)在疲勞循環27.5萬～29.5萬次之間表現與另外兩條路徑不同的變化趨勢,A(x/y)先下降后上升,在29.5萬次之后A(x/y)也是呈快速下降趨勢,直至宏觀疲勞裂紋出現；W2路徑下的A(x/y)分布曲線呈現出與另外兩條路徑不同的分布規律,分析其原因還是由于標準化處理后的磁信號差值并沒有完全地消除焊縫不同位置的焊接狀態對磁信號變化的影響。但是從整體來看,所有的A(x/y)分布曲線還是可以分為三個階段,第一階段為疲勞穩定期,A(x/y)變化較小；第二階段為疲勞裂紋萌生及擴展階段,A(x/y)出現突變,開始逐漸增加至最高點或者波動變化至拐點；最后一個階段為疲勞的失穩階段,A(x/y)開始快速下降直至宏觀疲勞裂紋出現。

圖7 1#試件矢量合成平均值A(x/y)隨疲勞周次變化曲線

圖8 2#試件矢量合成平均值A(x/y)隨疲勞周次變化曲線

另外由圖7、圖8可知,宏觀疲勞裂紋出現前的一段時間內,A(x/y)值已經出現明顯的突變,1#試件出現突變的時間節點為12萬次,2#試件出現突變的時間節點為27.5萬次,受到采集頻率的限制,并不能完全精準地在疲勞裂紋萌生的時間節點進行磁信號的采集,可以將這兩個時間節點定義為宏觀的疲勞裂紋萌生的時間節點,因此經過標準化處理后的矢量合成平均值A(x/y)可以預警疲勞裂紋的出現。

4 結論

(1)由于初始焊縫狀態的影響,在保證外部條件相同的條件下,不同焊縫的初始磁信號分布曲線沿著掃描方向的變化趨勢不同,同一焊縫的不同位置的初始磁信號分布曲線沿著掃描方向的變化趨勢也有所差別。當兩條路徑的初始磁信號分布曲線的變化趨勢相同,其峰值或谷值隨著疲勞循環周次的變化趨勢也基本相同。

(2)隨著疲勞周次變化的磁信號切向分量分布曲線以及法向分量分布曲線在宏觀疲勞裂紋出現后均會有明顯的變化,可以通過曲線的變化來判斷是否有疲勞裂紋的出現；但是磁信號的切向分量以及法向分量對于疲勞損傷的敏感程度不同,在疲勞循環的穩定階段,磁信號的法向分量Hp(y)隨著疲勞循環周次的增加變化得更加明顯。

(3)經過標準化處理后的矢量合成平均值A(x/y)可以用來表征焊縫疲勞的整個過程,在焊縫的疲勞宏觀裂紋出現之前的一段時間內,矢量合成平均值A(x/y)已經發生了突變,突變的時間節點可以定義為疲勞裂紋萌生的廣義時間節點。因此可以通過矢量合成平均值A(x/y)的變化預警疲勞裂紋的萌生。