起重機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力電磁檢測(cè)技術(shù)探討

陳勝來(lái) 李繼承

摘要：針對(duì)大型起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)由于殘余應(yīng)力和局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的開(kāi)裂失效問(wèn)題，探討了電磁檢測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用。綜合分析了磁導(dǎo)率檢測(cè)、電磁超聲檢測(cè)和微磁檢測(cè)三種技術(shù)的檢測(cè)原理和典型應(yīng)用，為先進(jìn)電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)械;殘余應(yīng)力;電磁檢測(cè); 磁信號(hào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

起重機(jī)械加工制造過(guò)程中，焊接結(jié)構(gòu)件大量應(yīng)用于制造的各個(gè)工序，焊接接頭作為焊接結(jié)構(gòu)件的重要部分，加工后的殘余應(yīng)力將影響到腐蝕、開(kāi)裂、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能，同時(shí)也會(huì)對(duì)材料的物理機(jī)械性能產(chǎn)生巨大影響，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成很大危害。制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力如果不能及時(shí)得到消除，出廠后將對(duì)安裝、使用環(huán)節(jié)造成危害，留下事故隱患。殘余應(yīng)力檢測(cè)是起重機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)安全評(píng)估工作的重要內(nèi)容。本文對(duì)三種常用的電磁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在殘余應(yīng)力檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，分析了三種方法的檢測(cè)原理、檢測(cè)系統(tǒng)和結(jié)果評(píng)價(jià)等內(nèi)容，并對(duì)上述技術(shù)在起重機(jī)行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1. 基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)

1.1 檢測(cè)原理

基于磁導(dǎo)率變化檢測(cè)殘余應(yīng)力的原理是：鐵磁性材料的磁化狀態(tài)受其殘余應(yīng)力的影響，表現(xiàn)為磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化，使用傳感器和相匹配的轉(zhuǎn)化電路將磁導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓M(jìn)而通過(guò)電量信號(hào)間接反映材料內(nèi)應(yīng)力的變化。

1.2 檢測(cè)方法

根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)選擇相應(yīng)形狀的檢測(cè)探頭，通常由激勵(lì)線圈和接收線圈組成。在激勵(lì)線圈中通入交變電流，該信號(hào)可以由信號(hào)源加上功率放大器輸出。通過(guò)鐵磁試件的磁場(chǎng)經(jīng)外部環(huán)境形成閉合磁路。待測(cè)試件的應(yīng)力集中引起磁導(dǎo)率變化，進(jìn)而導(dǎo)致閉合磁路的磁阻和磁通發(fā)生變化。使用精密電壓測(cè)量設(shè)備測(cè)量感應(yīng)線圈的電壓信號(hào)，與標(biāo)定試樣上測(cè)得的電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可以得出測(cè)試件的殘余應(yīng)力大小。

加工與被檢測(cè)材料相同牌號(hào)和熱處理狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在開(kāi)始標(biāo)定試驗(yàn)前，用于標(biāo)定的試樣應(yīng)經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力處理，試樣表面應(yīng)無(wú)污垢、油膜和氧化層。不滿足探頭測(cè)量所需的表面公差等級(jí)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行清理或打磨，非接觸測(cè)量時(shí)，可以粘貼不同厚度的聚氟乙烯薄膜。

1.3 典型應(yīng)用

2016年由中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院和西安交通大學(xué)等單位牽頭起草了《GB/T 33210-2016 無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力的電磁檢測(cè)方法》，從人員要求、檢測(cè)系統(tǒng)、檢測(cè)程序等方面對(duì)殘余應(yīng)力的檢測(cè)進(jìn)行了規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)是基于磁導(dǎo)率變化原理進(jìn)行的殘余應(yīng)力檢測(cè)。檢測(cè)探頭分為四極探頭和九極探頭兩種，四極探頭對(duì)稱(chēng)設(shè)置4個(gè)腳，兩個(gè)磁化線圈和兩個(gè)輸出線圈分別纏繞在對(duì)角線腳上。在磁化線圈內(nèi)部通入交變電流，測(cè)量輸出線圈兩端的電壓信號(hào)。當(dāng)鋼板中沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)，檢測(cè)探頭輸出腳兩端處于等磁位點(diǎn)，輸出線圈的輸出電壓為零。當(dāng)鋼板有殘余應(yīng)力時(shí)，檢測(cè)探頭輸出腳之間的磁位不同，隨著磁化信號(hào)的周期性變化，輸出線圈中將會(huì)產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)。九極探頭與四極探頭近似，只是在得到主應(yīng)力差及主應(yīng)力角時(shí)，探頭不需要旋轉(zhuǎn)。

南昌航空大學(xué)的楊梅芳等[1]采用磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)以Q235鋼和45#鋼為例，從試驗(yàn)上研究了接收線圈的電壓信號(hào)隨拉應(yīng)力、拉力殘余應(yīng)力和疲勞損傷程度的變化關(guān)系。結(jié)果表明，依據(jù)磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)，可以有效測(cè)量鐵磁性材料試件所處的應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)應(yīng)力作用后的殘余應(yīng)力測(cè)量構(gòu)件曾經(jīng)受到過(guò)的最大應(yīng)力具有更高的檢測(cè)靈敏度。

2.基于電磁超聲檢測(cè)技術(shù)

2.1檢測(cè)原理

殘余應(yīng)力的電磁超聲檢測(cè)技術(shù)是電磁檢測(cè)和超聲檢測(cè)相結(jié)合的方法，在洛倫茲力和磁致伸縮效應(yīng)的共同作用下，鐵磁性材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲波信號(hào)，利用超聲波信號(hào)完成殘余應(yīng)力檢測(cè)。彈性介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的改變會(huì)引起聲速或者頻譜的變化，利用兩者之間的線性關(guān)系可以達(dá)到定量檢測(cè)殘余應(yīng)力的目的。

臨界折射縱波（longitudinal critically refracted，LCR）是超聲波應(yīng)力檢測(cè)中常用的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)超聲縱波傳播到聲速不同的兩種介質(zhì)界面處時(shí)，將發(fā)生折射和波形轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，同時(shí)存在對(duì)應(yīng)折射縱波和折射橫波的兩個(gè)入射角。當(dāng)入射角接近第一臨界角時(shí)，將會(huì)在聲速較快介質(zhì)表面激發(fā)出縱波場(chǎng)，該縱波場(chǎng)中包含折射縱波和頭波，且兩種波都以聲速較快介質(zhì)中縱波的波速傳播。頭波的能量隨著傳播距離的增大而急速衰減，折射縱波的衰減系數(shù)與體波接近，能傳播到較遠(yuǎn)距離。首先在試驗(yàn)室狀態(tài)下分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)在零應(yīng)力和特定加載應(yīng)力狀態(tài)下的波速變化，對(duì)聲彈性系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。之后對(duì)實(shí)際工作部件進(jìn)行聲速測(cè)量和應(yīng)力計(jì)算，同時(shí)考慮實(shí)際工作場(chǎng)合被測(cè)件的復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)、微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)以及織構(gòu)取向?qū)β晱椥韵禂?shù)的影響，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正。

2.2典型應(yīng)用

南京航空航天大學(xué)的鄒華章等[2]設(shè)計(jì)了一種基于磁致伸縮機(jī)理的電磁超聲換能器應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)。以應(yīng)變片檢測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變作為參考值，選擇A3鋼作為檢測(cè)對(duì)象，分析換能器接收的SH波幅值信號(hào)、靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力的關(guān)系。研究表明，在壓應(yīng)力狀態(tài)條件下，超聲信號(hào)幅值-磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線會(huì)向右平移，并且隨著應(yīng)力增大呈現(xiàn)單調(diào)變化的現(xiàn)象。

浙江大學(xué)的徐烽等[3]采用電磁超聲方法對(duì)Q345R鋼板焊接接頭殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。借助拉伸試驗(yàn)對(duì)鋼板焊接接頭的聲彈性系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，使用電磁超聲方法測(cè)量出不同焊接區(qū)域聲速大小，進(jìn)而獲得殘余應(yīng)力的分布曲線。將電磁超聲的檢測(cè)結(jié)果與盲孔法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩種方法在母材、熱影響區(qū)、焊縫部位測(cè)得的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為焊縫和熱影響區(qū)附近的殘余應(yīng)力大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力數(shù)值明顯減小。但兩種測(cè)量方法所獲得的殘余應(yīng)力具體數(shù)值存在一定的偏差，且盲孔法測(cè)得的數(shù)值偏大。其原因是兩種方法所測(cè)得的殘余應(yīng)力值是電磁超聲探頭和盲孔覆蓋范圍內(nèi)的平均值，電磁超聲探頭的尺寸大于盲孔，因而所測(cè)得的殘余應(yīng)力結(jié)果是更大面積范圍內(nèi)的平均值。

3.基于微磁檢測(cè)技術(shù)

3.1檢測(cè)原理

微磁檢測(cè)技術(shù)是一種以地磁場(chǎng)為磁源的被動(dòng)式檢測(cè)技術(shù)。將構(gòu)件放置于地磁場(chǎng)環(huán)境中，利用高精度磁矢量傳感器對(duì)試樣表面不同區(qū)域的地磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度變化情況進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和分析，預(yù)測(cè)試樣中殘余應(yīng)力的分布情況。應(yīng)力集中會(huì)對(duì)試樣所采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響，在試樣壓應(yīng)力集中區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)會(huì)顯示異常的向上凸起，在無(wú)應(yīng)力集中部位，磁感應(yīng)強(qiáng)度則會(huì)均勻分布。

基于微磁原理的檢測(cè)技術(shù)也可以利用巴克豪森噪聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力檢測(cè)。在外界磁場(chǎng)的極化作用下，鐵磁性材料內(nèi)部的磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，引起尺寸的壓縮或漲大，進(jìn)而導(dǎo)致整體磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。磁疇壁的移動(dòng)會(huì)在相鄰檢測(cè)線圈內(nèi)部產(chǎn)生脈沖電流，多個(gè)脈沖電流的疊加形成一種可測(cè)的電噪聲信號(hào)，即巴克豪森噪聲。材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的大小和分布狀態(tài)會(huì)影響磁疇的磁化方向，進(jìn)而影響巴克豪森噪聲信號(hào)的強(qiáng)度。在正磁性各向異性材料中，壓應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致巴克豪森噪聲強(qiáng)度減小，拉應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致巴克豪森噪聲強(qiáng)度增大。根據(jù)巴克豪森噪聲強(qiáng)度可以測(cè)量材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的狀態(tài)和主應(yīng)力方向。

3.2典型應(yīng)用

中石油西南油氣田公司的齊昌超等[4]將微磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到304不銹鋼板的殘余應(yīng)力監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)力和疲勞損傷的測(cè)定。為了精確測(cè)量試樣的磁信號(hào)強(qiáng)度，他們研制了高靈敏度磁矢量探頭試驗(yàn)平臺(tái)，建立了檢測(cè)信號(hào)與磁導(dǎo)率的關(guān)系算法。結(jié)果表明，應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域的磁導(dǎo)率與周邊不同，磁信號(hào)強(qiáng)度與應(yīng)力大小變化存在一定的聯(lián)系，即隨著試樣中所存在的殘余應(yīng)力增加，磁信號(hào)強(qiáng)度增大，且材料的微觀應(yīng)變也變大。

德國(guó)弗勞恩霍夫無(wú)損檢測(cè)研究所的Madalina Rabung等利用巴克豪森噪聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)Fe-Cu和Fe-Cu-Ni合金在拉伸加載條件下的應(yīng)力增加過(guò)程進(jìn)行了定量測(cè)量。研究表明，巴克豪森噪聲的峰值幅度與材料內(nèi)部的拉應(yīng)力狀態(tài)具有很好的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著外加拉應(yīng)力的增大，巴克豪森噪聲的峰值曲線與殘余應(yīng)力的變化曲線具有很好的平行關(guān)系。該方法提供了一種殘余應(yīng)力定量檢測(cè)技術(shù)，不需要諸如X射線衍射等方法作為輔助參考。

4.結(jié)語(yǔ)

金屬材料的殘余應(yīng)力對(duì)起重機(jī)械設(shè)備的服役性能有著顯著的影響，尤其是設(shè)備的疲勞壽命、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。利用磁導(dǎo)率檢測(cè)、電磁超聲和微磁等檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)鐵磁性材料內(nèi)部殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于保證起重機(jī)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。在準(zhǔn)確檢測(cè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)力消除技術(shù)，對(duì)于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命具有積極意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊梅芳， 任尚坤. 基于磁導(dǎo)率檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)力集中和疲勞損傷檢測(cè)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào). 2017，29 （7）：590-595.

[2]鄒華章， 姚恩濤， 周靜. 基于磁致伸縮原理的應(yīng)力檢測(cè)方法[J].機(jī)械制造. 2019，3：37-41.

[3]徐烽， 歐陽(yáng)林婷， 王宏等. 基于電磁超聲的焊接殘余應(yīng)力測(cè)量研究[J].壓力容器. 2018，35（4）：17-24.

基金項(xiàng)目：本文系廣東省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科技項(xiàng)目“基于微磁技術(shù)的起重機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力檢測(cè)儀研發(fā)”，項(xiàng)目編號(hào)：2020ZT03。