基于磁記憶的船機零件損傷檢測

李俊健，楊舸帆，張笑穎，李瑞強，梁財源

（大連海事大學，遼寧 大連 116000）

為了保證船舶及其動力裝置運轉的安全性與可靠性，船舶機械在制造與修理過程中均需進行嚴格的質量檢測。不少船機零件在修造中均通過無損檢測來控制質量，超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測是常見的技術措施，但是這些檢測技術都有其局限性，具有預處理、后處理繁瑣、操作復雜等缺點。經俄羅斯Doubov教授20多年來的研究和開發，金屬磁記憶技術，不僅在其物理原理上有了較深入的研究，還開發出專門的檢測儀器，制定了檢測方法。磁記憶檢測可以快速獲取構件信號特征，待測構件無需表面處理和磁化，便于實現多通道自動化檢測，是一種有效的非接觸式測量手段。本工作的目的是對Q235金屬試件進行實驗，檢測其在無內應力下裂紋的深度與寬度對其Hp(y)的影響，并與實際的損傷工件表面的Hp(y)變化進行對比。為磁記憶無損檢測技術的在船機零件的修造應用提供理論依據。

1 實驗材料及裝置

試驗材料為有疲勞裂紋的氣閥桿及Q235(GB/T 3075—2008) 鋼試件，Q235鋼試件均由切割加工，并四面打磨拋光，試件的尺寸為80×40×20；切割儀器為DK7725電火花數控線切割機床，可對試件進行裂紋制造，避免內應力對Hp(y)的影響；切割前，均用HD123手持式平面退磁器進行退磁處理。實驗檢測設備為TD8650特斯拉計；顯示位數：4位；分辨率：10μT；精準度：0.5%；本實驗選取30mT量程，直流磁場測量模式。

2 實驗方法

實驗前利用HD123退磁器對試件進行退磁處理，以消除表面初始剩磁的干擾；檢測提離值均采用1mm；探頭固定于試驗臺且不移動，每次測量前均對特斯拉計進行清零處理，避免空間干擾磁場對實驗檢測結果的影響。裂紋深度實驗：對5塊同一批次試件進行相同切割，裂紋寬度固定為0.25mm，深度依次為1mm、2mm、3mm、4mm；裂紋寬度實驗：對5塊同一批次試件進行相同切割，裂紋深度固定為2cm，每塊試件上加工3條不同寬度的裂紋，依次為0.5mm、1mm、1.5mm；氣閥桿疲勞裂紋的檢測實驗：在氣閥桿裂紋處畫3條檢測線，分別為裂紋中間、裂紋右側及裂紋左側邊緣；檢測路徑為裂紋前后10mm。每條檢測線反復檢測5次，記錄數據。檢測時均提取裂紋前后10mm路徑的Hp(y)值，檢測點間隔0.5mm。

3 實驗結果及分析

提離值為1mm時，采用高斯計對裂紋寬度恒為0.25mm，深度分別為1mm,2mm,3mm,4mm的切割金屬塊進行裂紋處Hp(y)檢測，將檢測得到的信號進行收集并匯總制圖，檢測到的Hp(y)導數匯總如圖1所示。

圖1 平均深度導數匯總圖

由圖1和分析其檢測到的數據可見，試件裂紋處的Hp(y)變化遵循以下規律：在裂紋處的Hp(y)會發生突變，并具有過零現象，隨著裂紋深度的不斷增加，裂紋兩端的信號峰值幅值不斷增大，特征現象也越來越明顯。表明鐵磁材料在無內應力作用下的形貌改變，會引起其缺陷處Hp(y)產生規律性變化，裂紋深度越深，其Hp(y)變化的幅度越大，即其Hp(y)梯度峰值越大。

對深度分別為0.5mm、1mm、1.5mm的切割金屬塊進行裂紋處Hp(y)檢測，得到的裂紋寬度導數匯總如圖2所示。

圖2 裂紋寬度導數匯總

由其強度數據及圖2可見，各裂紋寬度處法向磁場強度均有突變，強度大小存在差異，但是其變化幅值大致相同，都在250～300μT之間。故無內應力下裂紋的寬度會使其法向磁場強度發生突變，但寬度的大小并不影響其法向磁場的變化幅度及梯度峰值。

對氣閥桿疲勞裂紋的中間，裂紋右側，裂紋左側邊緣，3個路徑上的Hp(y)進行檢測，得出在實際的應用過程中，由內應力作用下產生的裂紋前后1cm的Hp(y)圖，并作出其梯度變化圖像。

圖3 氣閥桿導數匯總圖

由氣閥桿導數匯總圖可知，3條測量線上的Hp(y)強度相差較大，分布也大不相同，但是其在裂紋處均會發生突變，由磁荷體系的磁性自由能最低原則可知，其磁荷會向裂紋的中間聚集。故其在裂紋中間的Hp(y)幅值，和變化梯度比右側和左側大。結合氣閥桿的工作環境，其受反復的拉壓應力，且制造過程均使其表面具有初始Hp(y)，故我們可采用其Hp(y)的梯度變化，可較容易判斷疲勞裂紋對Hp(y)的分布影響。可見3條測量路徑上的Hp(y)梯度變化趨勢大致相同，均在裂紋處產生突變，且裂紋中間的變化幅度大于裂紋右側，裂紋右側大于裂紋左側。結合3條測量路徑所對應疲勞裂紋的深度可得：Hp(y)梯度峰值可反映疲勞裂紋的深度大小。

將切割裂紋寬度0.25mm，深度1mm與氣閥桿中間裂紋進行對比分析可知：由于兩者裂紋的寬度與深度近似相等，但兩者的Hp(y)變化幅值與梯度變化幅值相差巨大，可見由內應力產生的疲勞裂紋對Hp(y)的影響，遠大于無內應力下的切割裂紋對Hp(y)的影響。由此可見，應力的變化是影響金屬表面Hp(y)大小及變化梯度的主要因素。

4 結語

在明確Hp(y)檢測技術原理，以實現對不同類型的裂紋檢測中，本文總結如下。

（1）鐵磁性材料在無內應力下的形貌改變會影響其表面的Hp(y)強度。無內應力下裂紋的深度越深，其Hp(y)變化的幅值越大，梯度峰值越高。裂紋寬度會使其法向磁場強度發生突變，但寬度的大小并不影響其法向磁場的變化幅度及梯度峰值。

（2）由氣閥桿疲勞裂紋檢測實驗得出：Hp(y)梯度峰值可反映疲勞裂紋的深度大小，利用梯度峰值評估疲勞裂紋，可排除試件生產加工及工作環境對檢測結果的影響，可對實際損傷的船機零件進行有效的評估監測。

（3）由內應力產生的疲勞裂紋，對Hp(y)的影響遠大于無內應力下的切割裂紋對Hp(y)的影響。由此可見，應力的變化是影響金屬表面Hp(y)大小及變化梯度的主要因素。