基于磁記憶機理的焊縫疲勞累積損傷特征

邢海燕，楊文光，黃保富，秦 萍

（1.東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318；2.哈爾濱工業大學 航天學院，哈爾濱 150001）

焊縫結構廣泛應用于壓力容器、鍋爐管道等設備中。由于焊縫在焊接過程中受焊接技術、溫度及母材與焊條材料的熱力學性能等因素影響，易產生咬邊、夾雜、未焊透等缺陷并導致較大的殘余應力。服役后的設備若長期在高溫高壓的條件下工作，處在交變載荷下的工作表面，特別是焊縫處易發生疲勞斷裂，可能造成巨大的經濟損失和災難性的后果。因此，研究焊縫在交變應力下的力學特征、焊縫疲勞損傷過程的無損監測及壽命評估，對保障設備的安全運行具有十分重要的意義。

目前針對焊縫疲勞損傷的研究大多集中在從宏觀角度利用焊縫在工作及試驗中表現出來的性能，或者從顯微微觀角度觀察材料組織變化上。而被譽為21世紀最具潛力無損檢測技術的磁記憶檢測技術能夠從宏觀、微觀兩個角度出發，運用鐵磁學機理對焊縫進行探傷、在線監測及剩余壽命預測。

處于地磁環境下的鐵磁性工件受到工作載荷的作用時，在其內部會發生具有逆磁致伸縮性質的磁疇組織定向和不可逆的重新取向并在應力與變形集中區形成漏磁場，當外部應力去除后，鐵磁性工件的這種漏磁場狀態會繼續保留下來［1－2］。綜合考慮漏磁場法向分量Hp（y）過零點、極值點、峰－峰值和梯度等特征，可以準確地推斷工件的應力集中及損傷缺陷［3］。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為20號鋼，主要用于制造汽輪機和鍋爐的管子、法蘭、聯箱及各種緊固件。利用線切割機加工尺寸為300mm×70mm×6mm板狀試件，并制作試件長度方向中線為標準的V形坡口對接焊縫，焊條型號為 GB／E4303，抗拉強度不低于420MPa。試驗前在試件正面測試范圍內畫好5×5條測試線，其中測試線1～5檢測方向為焊縫橫向，測試線6～10檢測方向為焊縫縱向，如圖1中箭頭所示。

圖1 試件形狀及測試線位置

1.2 試驗方法

根據GB 3075—1982《金屬軸向疲勞試驗方法》標準，試驗在QBG－300型高頻疲勞試驗機上進行，磁記憶信號測試設備選用俄羅斯動力診斷公司生產的TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測儀，檢測步長為1mm。試驗過程采用先進行靜載模擬疲勞應力的單周期試驗，后進行拉－拉疲勞試驗。試件A端裝夾在上夾頭，B端裝夾在下夾頭。靜載模擬單周期試驗的載荷級別由最小載荷10kN開始，每級增加10kN，直至60kN，再以同樣間隔從60kN減載至10kN作為一個周期。每級載荷保載10min后沿圖1所示測試線掃描磁記憶信號，重復上述周期三次。多周期拉－拉疲勞試驗的靜載荷35kN，動載荷25kN，應力比R＝1／6，間隔100千周測量一次，直至試件斷裂。

2 試驗結果

2.1 單周期磁記憶信號特征

圖2給出測試線7在不同周期載荷上升階段焊縫縱向磁記憶信號對比情況。

由圖2（a）可知，在初始階段，磁記憶信號的跨度較大，局部梯度大，表明試件內部在焊接加工過程中熱影響區具有較大的殘余應力。當試件受不同載荷作用時，磁記憶信號發生較大的改變。試件內部磁疇會在應力的作用下被迫改變當前方向以減小應變能，這就導致在每次加載之后，磁信號改變很大。隨著載荷的繼續反復施加，磁記憶信號的無規律跳變消失，趨勢逐漸變得一致，見圖2（b）。最后信號基本保持相同的趨勢，隨載荷的增大，磁記憶曲線不斷向上移動，見圖2（c）。拉伸載荷會使材料產生應變，由于材料內部的不均勻性，使得局部應力陡增，從而使構件內部結構不斷發生位錯等微觀缺陷。此時，為了使鐵磁構件內的總的自由能趨于最小，在磁機械效應的作用下必將引起構件內部的磁疇在地球磁場中作疇壁的位移，甚至不可逆的重新取向排列，主要以增加磁彈性能的形式來抵消應變能，從而在鐵磁構件內部產生大大高于地球磁場強度的磁信號［4］。由于金屬內部位錯等內耗效應的保留，勢必造成載荷消除后應力集中區的保留，在磁機械效應的作用下引發的磁疇組織的重新取向排列也會保留下來，并在應力集中區形成類似缺陷的漏磁場分布。載荷反復施加之后，試件內部的磁飽和程度不斷增加，磁記憶信號分布趨于穩定［5］。

圖2 測試線7在三個周期上升階段檢測信號

2.2 多周期磁記憶信號特征

圖3 焊縫橫向磁記憶檢測信號

圖3 給出試件在動載試驗加載前、斷裂前及斷裂后的焊縫橫向磁記憶信號。由圖3（a）可知，在多個循環周期結束后，橫向檢測信號基本趨于一致，可見1～5檢測線均在35～45mm處有過零點、極值等特征點，可判斷此時在焊縫處存在較大的應力集中。在圖3（b）試件斷裂前即循環1 100千周時的測試信號中，測試線1發生了巨大的跳變，該信號在35mm處過零點并完全分為正負兩極，峰－峰值很大且梯度是其他測試線的5倍以上，此時測試線2未出現較大過零點波動，說明裂紋在測試線1處在萌生形成，未擴展到測試線2位置。隨著疲勞損傷的不斷累積，裂紋不斷擴展，在圖3（c）試件斷裂后檢測信號中，測試線2發生了明顯的變化，在25～45mm內出現過零點、極值點等特征，判斷此時裂紋已經迅速擴展到測試線2位置，該結論被圖3（d）焊縫裂紋照片驗證。如此可見，磁記憶特征信號的變化準確預測了裂紋位置及擴展斷裂的程度［6］。

3 分析與討論

為進一步研究焊縫在周期載荷下磁記憶信號隨加載次數與材料內部微觀結構變化的關系，現提取試件中不同測試點信號進行分析，并尋求磁記憶信號與損傷度關系模型。

3.1 循環應力使自磁化增強

測試線7中點（焊縫中點）在三個周期中檢測信號的變化如圖4所示。由圖4可知，在三個循環周期應力的波峰及波谷處，磁記憶信號隨著循環周次的增加呈現上升的趨勢，在載荷上升過程中的磁記憶檢測信號的梯度較載荷下降過程中大，很好地反映了磁彈性效應原理（圖5）。這表明在多周期循環應力和外磁場的作用下，殘余磁感應強度和自磁化不斷增強，在逆磁致伸縮效應的作用下，引起磁疇壁位移，并改變自發磁化方向。由于巴克豪森效應，磁疇壁的這種遷移是不可逆的，導致了殘余磁感應強度ΔBr和自磁化不斷增強［7］。

圖4 焊縫中點三個周期檢測信號變化

圖5 磁彈性效應原理

3.2 疲勞累積損傷程度的磁記憶表征及模型

為尋求磁記憶信號與疲勞累積損傷程度的關系，將焊縫測試線8上距試件左端分別為2，8，20，30，50mm處的磁記憶信號與循環周次的變化關系繪成圖6。可以看出，5條曲線的前半段體現出很強的一致性，后半段稍有不同。前半段均表現為在初始階段信號有一定的起伏，隨著加載次數的增加，信號進入一個平穩的階段，在疲勞循環進行500千次時，信號出現突然跳變。再次經過一個平穩期后，1 100千次成為裂紋產生的臨界點，磁記憶信號陡增隨后出現急劇下跳的情況。分析以上曲線變化的原因，初始階段信號強度較高是由于焊縫處存在加熱不均勻和缺陷等因素導致的較大的應力集中，隨著加載次數的增加，試件內部的應力集中重新分布趨于穩定［8］。伴隨著載荷次數的增加，材料晶格中開始出現位錯和滑移，滑移帶高度集中到一定程度導致微裂紋萌生，磁記憶信號出現突然地跳變。隨著微裂紋互相匯合并擴展到一定程度，試件的剩余截面積不能承受載荷而產生突然斷裂，磁記憶信號在臨界斷裂時出現巨大跳變［9－10］。由于磁記憶信號能夠反映疲勞累積損傷不斷加劇的過程，因此可以在試驗數據的基礎上建立磁記憶信號與疲勞累積損傷度的關系模型。

圖6 焊縫上各點磁信號

依據線性累計損傷 Miner理論，可依據式（1）的疲勞破壞判據，確定在不同循環周次下的損傷度：

式中D為損傷度；Nk為在應力幅σk下的疲勞循環次數；Nfk為應力幅σk下疲勞壽命。

為了建立磁記憶信號與疲勞損傷度的關系模型，定義ΔHp（y）i為不同循環周次下的磁記憶信號值與初始信號的差值，ΔHp（y）為磁記憶信號最大值與最小 值 之差，即 ΔHp（y）＝Hp（y）max－Hp（y）min。將磁記憶信號進行歸一化處理，則磁記憶信號變化率δHp（y）為：

由此繪出各點磁記憶信號歸一化變化率與循環周次關系如圖7所示，進一步依據式（1），將不同循環周次換算為損傷度D，并對圖7中5條磁記憶信號歸一化曲線求平均值，得損傷度D與磁記憶信號歸一化變化率δHp（y）平均值對應關系，見表1。

圖7 磁記憶信號變化率

表1 損傷度與信號變化率對應關系

對表1的數據進行擬合，得到指數函數模型見圖8。

圖8 損傷度與信號歸一化變化率關系及擬合函數

由于疲勞損傷是一個累積的過程，而構件的磁場強度也是一個累積的過程，在反復的加載過程中，伴隨著構件內部位錯的發生，磁疇疇壁的位移也在繼續增加，磁場強度隨著位錯的數量增多呈現一定的正相關性。當位錯的數量足夠大，位錯相互連通繼而形成裂紋時，疇壁的移動更加劇烈，導致磁場強度的變化率加大。當構件斷裂時，磁場強度達到頂峰。由表1和圖8可以看出，當磁記憶歸一化變化率δHp（y）在0.21～0.27之間變化時，疲勞損傷度最高為0.46，平均疲勞壽命已近30%，應該引起警示；當δHp（y）在0.3～0.5之間變化時，疲勞損傷度最高達0.85；當δHp（y）為0.5時，疲勞壽命近90%，處于臨界斷裂狀態。由此可見，磁記憶信號的歸一化變化率可以很好地表征疲勞累積損傷程度，反映構件疲勞損傷演化過程并能夠預測焊縫的剩余壽命，為防止焊縫斷裂等安全生產提供保障。

4 結論

（1）在單周期加載過程中，焊縫初始殘余應力較大，磁記憶信號無規律跳變。隨著拉伸載荷的不斷增加，試件內部的磁飽和程度不斷增加，焊縫縱向磁記憶曲線整體不斷向上移動，分布趨于穩定。

（2）在多周期循環加載過程中，焊縫的磁記憶信號隨著循環周次的增加，呈現螺旋上升的趨勢，很好地驗證了磁彈性效應理論。

（3）焊縫橫向磁記憶信號在應力集中區有局部極值、拐點或過零點等信號特征，并在裂紋形成的臨界點出現巨大的過零點跳變峰－峰值，而裂紋未擴展處無此特征信號，磁記憶特征信號的變化能準確反映裂紋位置及擴展斷裂的程度。

（4）通過觀察磁信號的變化趨勢，綜合分析采集到的信號特征點，建立損傷度與磁記憶信號函數模型，判斷試件內部損傷狀態預測焊縫剩余壽命，對保障安全生產有重要意義。

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