基于超聲相控陣的耐候鋼接頭疲勞裂紋動態(tài)監(jiān)測

汪認，趙鵬，何建英，陳志皓，胡慶睿

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島,266111；2.哈爾濱工業(yè)大學(威海),威海,264209；3.哈爾濱工業(yè)大學,哈爾濱,150001；4.撫順市特種設備監(jiān)督檢驗所,撫順,113006)

0 序言

耐候鋼是一種具有良好耐腐蝕性的低合金高強鋼，其耐腐蝕性能是普通碳素鋼的2～ 8 倍，并且具有優(yōu)良的力學和焊接性能，廣泛用于軌道交通行業(yè)[1].耐候鋼焊接結(jié)構(gòu)不可避免存在氣孔、微裂紋等缺陷，這將對結(jié)構(gòu)的疲勞性能造成較為嚴重的影響[2-3].因此，對循環(huán)荷載作用下焊接結(jié)構(gòu)的裂紋萌生、擴展研究尤為重要.

超聲相控陣由于具有靈活的聲束控制能力、多種掃查方式及較高的檢測效率等優(yōu)點，目前已在無損檢測中有著較為廣泛的應用[4].超聲相控陣在工業(yè)上一般多用于管道、橋梁、交通、壓力容器等缺陷裂紋的檢測，并且還廣泛應用到醫(yī)療中[5]；很多學者還將超聲相控陣與數(shù)值模擬軟件完美的結(jié)合，解決了超聲相控陣使用過程中遇到的回波雜亂、難以辨別缺陷波的問題[6].萬家瑞等人[7]發(fā)現(xiàn)相控陣探頭在鋼管內(nèi)壁側(cè)垂直入射檢測可以比較準確的獲得實際缺陷位置.王業(yè)民等人[8]優(yōu)化了超聲相控陣檢查方法，并在對接接頭上得到了成功的驗證.超聲相控陣可以比較準確地獲得缺陷的位置，但是如何動態(tài)監(jiān)測裂紋的擴展并準確的獲得裂紋的尺寸依舊是一個難題.

借助超聲相控陣設備對疲勞試驗中的試件進行實時監(jiān)測，根據(jù)相控陣設備中探頭發(fā)射的超聲波來確定裂紋啟裂位置，以及獲得試件不同循環(huán)次數(shù)N下的實時裂紋尺寸數(shù)據(jù)，包括裂紋深度a與裂紋長度2c，并與疲勞試驗結(jié)果展開對比分析，驗證基于相控陣的裂紋動態(tài)檢測的準確性.此外，擬合a與c以及分析試件斷口，得到裂紋的擴展規(guī)律.該研究將為結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷尺寸準確獲得提供新思路.

1 試驗方法

1.1 試件的制備

采用非熔化極惰性氣體保護焊(tungsten inert gas welding，TIG 焊)對SMA490BW 耐候鋼施焊，焊絲選擇CHW-55CNH，母材與焊絲的成分如表1所示，SMA490BW 耐候鋼施焊焊接工藝參數(shù)如表2 所示.

表 1 SMA490BW 母材與CHW-55CNH 焊絲成分(質(zhì)量分數(shù), %)Table 1 Compositions of SMA490BW base metal and CHW-55CNH wire

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

采用上述母材焊絲的材料以及焊接工藝焊接對接板，對接板尺寸為1 000 mm × 300 mm × 10 mm，根據(jù)試件的尺寸采用DK7745 電火花數(shù)控線切割設備在整體試板上切割出狗骨狀小試件.狗骨試件的具體尺寸如圖1 所示.

圖1 試件B1-2 的幾何尺寸(mm)Fig.1 Dimension of specimen B1-2

1.2 疲勞試驗參數(shù)

使用MTS-100t 液壓萬能試驗機對試件B1-2開展疲勞試驗，加載寬度為80 mm，加載頻率為15 Hz，應力比為0.1，疲勞加載示意圖如圖2 所示，疲勞試驗參數(shù)如表3 所示.

圖2 疲勞加載示意圖Fig.2 Diagram of fatigue loading

表3 疲勞試驗參數(shù)Table 3 Fatigue testing parameter

1.3 超聲相控陣檢測原理及使用步驟

借助超聲相控陣對試件B1-2 實時監(jiān)測疲勞加載過程中裂紋尺寸(裂紋深度a、裂紋長度2c)的變化.

超聲相控陣設備檢測時將探頭放置試件焊縫附近，探頭發(fā)射出的超聲波在空間中的不同位置疊加，從而實現(xiàn)聲束在一定角度范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn)和聚焦.在一組聚焦法則作用下，超聲相控陣聲束可以在一系列位置形成聚焦，從而實現(xiàn)電子掃查，這使得在檢測中可以不移動或少移動相控陣探頭即可完成對目標區(qū)域的掃查，具有相對較高的檢測效率.常用的掃查方式包括線形掃查、扇形掃查、動態(tài)深度聚焦.文中采用扇形掃查，圖3 為超聲相控陣設備及工作原理.

圖3 超聲相控陣設備及工作原理Fig.3 Ultrasonic phased array equipment and working principle.(a) ultrasonic phased array hardware;(b) diagram of working mechanism

圖4 為定義被檢試件焊縫形式與超聲相控陣成像.超聲相控陣的使用分為以下工作步驟：

(1)選擇探頭和楔塊.選擇使用的相控陣探頭參數(shù)為陣元數(shù)量16 個，中心頻率為7.5 MHz，陣元中心距為0.5 mm.

(2)定義被檢工件和焊縫.在儀器內(nèi)部設定好待測工件的各項參數(shù)，如焊腳尺寸、焊縫寬度、余高等，如圖4a 所示.

(3)試件表面涂抹機油.涂抹機油的目的是為了保證楔塊與試件之間沒有縫隙空氣，完好的貼合.

(4)MTS 試驗機開始疲勞試驗.實時檢測試件并保存.疲勞試驗過程中利用一次波或二次波對不同循環(huán)次數(shù)下的試件內(nèi)部缺陷進行檢測.如圖4b所示，探頭放在試件焊縫附近，紅色區(qū)域為探頭的移動區(qū)域.

圖4 定義被檢試件焊縫形式與超聲相控陣成像Fig.4 Definition of weld form and phased array imaging of tested piece.(a) definition of weld form; (b)phased array imaging

(5)利用軟件分析相控陣檢測的數(shù)據(jù)，獲得試件的實時裂紋數(shù)據(jù).

2 耐候鋼對接接頭疲勞試驗結(jié)果分析

2.1 疲勞斷口分析

圖5 為疲勞試驗后試件的斷裂位置與斷口形貌.試件的失效位置為焊趾部位，試件斷口可以分為疲勞裂紋源區(qū)、穩(wěn)定擴展區(qū)與瞬斷區(qū)3 部分.在循環(huán)荷載作用下，試件的表面多處萌生裂紋，沿著板厚板寬擴展，隨著循環(huán)荷載的增加，裂紋逐漸穿透板厚，隨后沿著板寬繼續(xù)擴展，最后由于承載面積不足，試件被直接撕裂.

圖5 試件B1-2 的宏觀斷口Fig.5 Fracture of specimens B1-2.(a) Fracture location;(b) Fracture morphology

疲勞裂紋源區(qū)是疲勞裂紋萌生的策源地，是疲勞破壞的起點.從圖5b 可以發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋源區(qū)處于試件的表面，源區(qū)的斷口形貌比較平坦、光亮.這是因為裂紋在源區(qū)內(nèi)的擴展速率緩慢，裂紋表面受反復擠壓、摩擦次數(shù)多，所以其斷口較其它兩個區(qū)更為平坦，比較光亮.穩(wěn)定擴展區(qū)是疲勞裂紋形成后裂紋慢速擴展形成的區(qū)域，該區(qū)是判斷疲勞斷裂的最重要特征區(qū)域.從圖5b 可以看出，穩(wěn)定擴展區(qū)是以疲勞源區(qū)為中心，與裂紋擴展方向相垂直的半圓形或扇形的弧形線.與疲勞源區(qū)、穩(wěn)定擴展區(qū)相比，瞬斷區(qū)可以明顯看到不平坦的粗糙表面.這是由于疲勞裂紋不斷擴展，使試件的有效斷面逐漸減小，因此，應力不斷增加.對塑性材料，當疲勞裂紋擴展至凈截面的應力達到材料的斷裂應力時，便發(fā)生瞬時斷裂，斷口呈纖維狀、暗灰色.

2.2 基于相控陣的裂紋擴展監(jiān)測

首先采用相控陣對試件B1-2 實時檢測，通過探頭單向勻速掃描，尋找裂縫可能出現(xiàn)的位置，但由于存在固有回波點以及設備軟件的局限性，初始裂紋萌生階段小于1 mm 的裂紋基本無法明確(疑似回波點較多)，試驗將深度超過2 mm 的裂紋作為疲勞源開展后續(xù)檢測.

圖6 為疲勞循環(huán)次數(shù)5 × 104，7 × 104和1.1 ×105次下試件B1-2 的掃描結(jié)果，圖中豎線代表所要檢測裂紋深度的位置，當循環(huán)次數(shù)為50 000 次時裂紋深度a為0.7 mm，當循環(huán)次數(shù)為70 000 次時裂紋深度a達到1.4 mm，當循環(huán)次數(shù)為110 000 次時裂紋深度a為2 mm，這些位置均作為疑似疲勞源，后續(xù)將重點觀測.

圖6 初步尋找疑似疲勞源(沿著焊縫長度方向)Fig.6 Preliminary search for suspected fatigue source(along the length of weld).(a) 5 × 104 cycles; (b)7 × 104 cycles; (c) 1.1 × 105 cycles

繼續(xù)檢測發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域裂紋深度超過2 mm，確認其為疲勞源，如圖7 所示.圓圈區(qū)域?qū)氖橇鸭y深度a由循環(huán)次數(shù)1.5 × 105次的2.6 mm 擴展到循環(huán)次數(shù)2.1 × 105次的3 mm；豎線區(qū)域?qū)牧鸭y深度a由循環(huán)次數(shù)1.5 × 105次的2 mm 擴展到循環(huán)次數(shù)2.4 × 105萬次的2.8 mm；方形區(qū)域a由循環(huán)次數(shù)2.4 × 105次的2.7 mm 擴展到了循環(huán)次數(shù)2.5 × 105次的3.6 mm，再到循環(huán)次數(shù)2.9 ×105次的4 mm.初步證實，在焊縫長度為80 mm 的疲勞加載區(qū)域，存在多處疲勞源.

圖7 疲勞源及主裂紋形成Fig.7 Fatigue source and main crack formation.(a) 1.5 ×105 cycles; (b) 2.1 × 105 cycles; (c) 2.4 × 105 cycles; (d) 2.5 × 105 cycles; (e) 2.9 × 105 cycles

圖8 為主裂紋擴展階段的形態(tài)演化.從圖8a觀察到多處疲勞源形成的裂紋隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸合并，形成主裂紋.在循環(huán)應力作用下，裂紋口不斷張開閉合，裂紋表面互相摩擦，裂紋不斷擴展，形成貝紋區(qū).根據(jù)疲勞斷口與相控陣結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)，基于相控陣的裂紋尺寸的動態(tài)檢測具有很高的準確性.后續(xù)測量時都以虛線部位作為裂紋深度a最大值.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋形態(tài)變化顯著.圖8b 描繪疲勞試驗中裂紋的萌生擴展過程.

圖8 疲勞裂紋擴展形態(tài)演化示意圖Fig.8 Schematic diagram of crack growth morphology evolution.(a) crack propagation detected by phased array; (b) schematic diagram of crack propagation and evolution

當循環(huán)次數(shù)超過3.68 × 105次后，可以明顯檢測到疲勞裂紋穿透板厚，疲勞試驗位移達到上限，因而疲勞機進入自保護狀態(tài)，最后由手動控制將試件拉斷，形成瞬斷區(qū)，如圖9 所示.從相控陣檢測發(fā)現(xiàn)，試驗中試樣失效方式為裂紋先沿著板厚板寬擴展，直到穿透板厚(裂紋深度a為10 mm，循環(huán)次數(shù)為3.68 × 105次)，然后裂紋繼續(xù)沿著板寬擴展，當主裂紋長度2c達到為66.17 mm (3.7 × 105次)時，由于承載面積不足，試件發(fā)生破壞.相控陣檢測得到的結(jié)果與試件斷口分析的結(jié)果較好吻合.

圖9 試件B1-2 斷口Fig.9 Specimen B1-2 fracture

試件B1-2 在疲勞試驗中不同循環(huán)次數(shù)下的裂紋深度a與裂紋長度2c，繪成雙對數(shù)曲線，如圖10所示.在疲勞試驗中，表面裂紋在穩(wěn)定擴展階段緩慢擴展，承擔了試件主要的疲勞壽命.

圖10 試件B1-2 不同循環(huán)次數(shù)下的裂紋尺寸變化Fig.10 Crack size change of specimen B1-2 under different cycles

將試件B1-2 裂紋深度a與裂紋長度c擬合得到兩者之間的關系.

從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，在表面裂紋穩(wěn)定擴展區(qū)，裂紋長度的變化遠大于裂紋深度的變化，說明裂紋擴展過程中裂紋沿板寬的擴展速度大于沿板厚的擴展速度.

圖11 試件B1-2 裂紋深度a 與裂紋長度c 的擬合曲線Fig.11 Fitting curve of crack depth a and crack length c of specimen B1-2

3 結(jié)論

(1) 根據(jù)疲勞試驗斷口中穩(wěn)定擴展區(qū)的分析驗證了基于相控陣的裂紋動態(tài)檢測的準確性.當疲勞壽命為5 × 104次時，檢測到0.7 mm 深的裂紋，并發(fā)現(xiàn)多個裂紋在接頭的焊趾處萌生.當循環(huán)次數(shù)超過3.5 × 105次，疲勞裂紋迅速擴展，并最終失效.

(2) 基于相控陣對接接頭的動態(tài)檢測結(jié)果獲得了的裂紋深度a、裂紋長度c與循環(huán)次數(shù)N之間的關系，并明確了裂紋動態(tài)演化行為.