勵磁條件對Q235鋼磁聲發射信號的影響

何孝興，李志農，吳明濤， 沈功田

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

鐵磁性金屬材料的使用性能和工藝性能優異，廣泛應用于鐵路軌道、游樂設施、橋梁等工程領域。其在長期使用過程中受重復載荷作用，容易發生疲勞失效，進而引發重大事故。疲勞失效是鐵磁性金屬構件的主要失效方式之一，許多文獻和著作都表明疲勞引起的結構失效占鐵磁性金屬材料機械失效的50%～90%[1]。由于疲勞失效是突發性的，鐵磁性金屬材料在疲勞失效之前的物理特征常不會出現明顯變化，疲勞失效引發的事故往往是突發性的、致命性的、災難性。因此，為了防止鐵磁性金屬材料因疲勞而損壞，對其早期疲勞狀態進行無損檢測和評估是非常重要的。

目前常規的無損檢測方法有許多種，其中超聲檢測方法對于物體內部的面積型缺陷較為敏感，陳振華等[2]利用超聲檢測技術對微小型片層缺陷進行研究，提出使用超聲非線性區域技術進行檢測的方法，獲得較好的檢測效果。射線檢測對物體內部的體積型缺陷較為敏感。馮鳴[3]利用數字X射線成像系統對圓柱形鋁合金鑄件的內部缺陷進行檢測，其改進了一種圖像算法，使得評片人員能更好地分析鑄件內部缺陷的信息，提升了工作效率和評片質量。渦流和滲透兩種方法是對物體表面及近表面損傷進行檢測的方法。曹俊平等[4]利用渦流檢測技術對高壓電纜鉛封裂紋缺陷進行研究，通過仿真技術驗證了渦流檢測技術對高壓電纜接頭鉛封狀態下宏觀裂紋的檢測可行性。王齊勝等[5]基于聲發射檢測方法，對非熔化極惰性氣體保護電弧焊焊縫的熔透狀態進行識別，有效區分了未熔透、臨界熔透和過熔透3種狀態。江海軍等[6]基于紅外檢測技術，研究設計了一套系統對碳纖維蜂窩結構內部的宏觀缺陷進行檢測，并取得一定成效；張金等[7]應用電磁超聲檢測方法對大口徑火炮管內膛裂紋進行檢測，克服了一些傳統方法要求被檢表面清潔度高的缺點，可以遠距離對表面及近表面缺陷進行高效檢測。常俊杰等[8]利用空氣耦合超聲檢測方法對金屬/非金屬結構的脫黏缺陷進行檢測，實現了缺陷的快速定位，獲得了較好的檢測效果。

上述幾種傳統及新興無損檢測方法都是對被檢物體存在的宏觀缺陷進行檢測，而無法對被檢物體內部結構組織的細微變化進行檢測，更不能對被檢物體的早期疲勞狀態進行無損檢測與質量評估。文章利用磁聲發射檢測方法對鐵磁性金屬材料的早期疲勞狀態進行檢測，研究了勵磁條件對磁聲發射檢測信號的影響。

1 磁聲發射檢測方法簡介

磁聲發射(MAE)檢測技術是結合巴克豪森效應(MBN)和聲發射(AE)檢測技術的一種無損評價方法[9]。在無磁場狀態下，鐵磁性金屬材料內部存在各個方向的磁疇，使得材料對外不表現磁性，對其施加外部磁場時，在外加磁場的作用下，被激勵材料內部雜亂無章的磁疇發生偏轉，導致內部磁疇壁發生湮滅現象，這種現象發生的同時釋放出一種彈性波，該彈性波就是試驗收集的超聲波信號，即MAE信號[10-12]。JILES[9]對鐵磁性金屬材料的MAE檢測信號進行研究，證明了鐵磁性金屬材料的應力變形及其微觀組織的變化均能用MAE信號的強度表征。

徐約黃等[13]對45鋼、硅鋼以及不同材料的純鐵進行了磁聲發射研究，發現磁聲發射對材料所受的應力極為敏感；穆向榮等[14]、王威等[15]、王金鳳等[16]研究了鐵磁性材料的應力狀態和塑性變形對磁聲發射的影響，發現應力狀態和塑性變形的改變會導致磁聲發射信號呈現一定規律的改變；杜鳳牧等[17]研究了幾種材料的硅鋼在不同形變量下MAE信號的變化情況，發現MAE信號強度隨形變量的增大而減弱；侯炳麟等[18]對軌鋼樣品進行MAE檢測，發現可根據MAE信號來估測材料的損傷程度與剩余壽命。

相較于幾種傳統的只能檢測宏觀缺陷的無損檢測方法，MAE技術在鐵磁性金屬材料的疲勞損傷、塑性變形及應力檢測等方面展現出極大的潛力。

由于對MAE檢測法的研究較晚，其并不如傳統無損檢測方法成熟。MAE信號的幅值較低，在工程應用中，容易受到現場環境干擾。因此，尋找合適的MAE信號對材料進行檢測是非常有必要的。MAE信號的影響因素眾多，如勵磁波形、頻率以及電壓等。為使MAE檢測方法對材料的檢測更加有效、可信，文章以Q235鋼為例，對影響MAE信號的勵磁頻率、電壓以及波形等3個影響因素進行研究，以確定合適的MAE檢測參數。

2 MAE檢測試驗

試驗采用課題組自行設計研制的MAE信號檢測裝置[19]，其結構如圖1所示。Q235鋼試樣的結構如圖2所示，試樣厚度為8 mm。試驗所用聲發射儀的主要參數設置如表1所示。試驗通過導磁膠把磁軛兩極和Q235試樣緊緊相連。

圖1 MAE信號檢測裝置結構示意

圖2 Q235鋼試樣結構示意

表1 聲發射儀的主要參數設置

2.1 勵磁電壓對MAE信號的影響

試驗采用單一變量法研究勵磁電壓對MAE信號的影響。采用勵磁頻率為10 Hz，波形為正弦波的勵磁信號對圖2所示的Q235鋼試樣進行勵磁，得到不同勵磁電壓下的MAE信號波形及頻譜(見圖3)。勵磁電壓與濾波后時域波形面積的關系如圖4所示；勵磁電壓與信號均方根值的關系如圖5所示。

圖3 不同勵磁電壓下Q235鋼試樣的MAE信號波形及頻譜

圖4 勵磁電壓與濾波后時域波形面積的關系

圖5 勵磁電壓與電壓均方根的關系

分析試驗結果可知，在勵磁電壓不斷增加的情況下，MAE信號幅值和電壓的均方根等MAE信號特征均呈現逐漸增大的趨勢。分析認為勵磁電壓的變化導致被檢材料內部的磁疇發生變化，在勵磁電壓較小的情況下，材料內部磁疇轉動導致磁疇壁發生移動，隨著勵磁電壓不斷增大，材料內部發生移動的磁疇壁數量也會逐漸增加，由此產生的MAE信號也就不斷增強。僅在勵磁電壓改變的情況下，MAE信號的變化趨勢總是同勵磁電壓的變化趨勢一致，即勵磁電壓增大，MAE信號也增強。在一個勵磁周期內，若磁感應強度快速變化，則意味著單位時間內材料內部磁疇的偏轉劇烈，使得磁疇壁移動的數量增加，產生的MAE信號也增強。

對于鐵磁性金屬材料Q235鋼而言，在勵磁電壓不斷增大的情況下，磁場強度也會逐漸增大，材料內部磁疇偏轉的數量就越多，同時磁疇壁的產生和湮滅現象增多，使得MAE信號強度不斷增大。

2.2 勵磁頻率對MAE信號的影響

試驗研究在勵磁電壓為1.0，2.0，3.0 V時，不同勵磁頻率下MAE信號的變化。不同電壓下勵磁頻率與濾波后時域波形面積的關系如圖6所示；不同電壓下勵磁頻率與電壓均方根的關系如圖7所示。

圖6 不同電壓下勵磁頻率與濾波后時域波形面積的關系

圖7 不同電壓下勵磁頻率與電壓均方根的關系

分析試驗結果可知，在勵磁頻率不斷變大的情況下，材料內部各個方向發生偏轉的磁疇數量增加，即在單位時間內磁疇壁的產生或湮滅增多，MAE信號得到增強，但由于勵磁器中勵磁線圈的存在，頻率增大時其感抗增大，勵磁電流減小，磁化強度減弱，參與磁疇結構變化的磁疇數量減少，MAE信號也就減弱。上述兩種因素共同作用，一增一減，最終導致MAE信號強度、單位時間內包絡的面積等信號特征呈先增大后減小的趨勢。這表明勵磁頻率的大小與MAE信號關系密切，是MAE信號的重要影響因素。

2.3 勵磁波形對MAE信號的影響

由前文對兩個因素的研究可以發現，勵磁電壓和頻率都是MAE信號的影響因素，其關系著MAE信號的信噪比和強度，而勵磁電壓與勵磁頻率相互制約，在線圈的作用下頻率增大勵磁強度減小。若以上升速率和下降速率不對稱的波形進行勵磁，由于磁感應強度連續變化，能夠獲得同時滿足高磁感應強度和高勵磁頻率的信號。因此，分別用不同對稱性(S)的三角波和不同占空比(D)的方波(見圖8,9)作為Q235鋼試樣的激勵源，分析不同激勵源波形對MAE信號特征的影響。

圖8 三角波波形示意

圖9 方波波形示意

圖10 不同三角波及方波勵磁所得的MAE信號波形及其頻譜

試驗選定勵磁頻率為10 Hz，勵磁電壓為3.0 V。不同三角波及方波勵磁所得的MAE信號波形及其頻譜如圖10所示。采集到的MAE信號經20～500 kHz帶通濾波后，得到波形的對稱性(或占空比)與時域波形面積的關系如圖11所示，波形的對稱性(或占空比)與電壓均方根的關系如圖12所示。

圖11 波形的對稱性(或占空比)與時域波形面積的關系

由圖10可知，選用S為50%的三角波和D為50%的方波作為勵磁源時，在勵磁周期內出現兩個周期為半個勵磁周期的MAE信號，且這兩個信號的幅值及包絡形狀均較為相似。當選用S為25%和75%的三角波作為勵磁源時，在勵磁周期內也同樣出現兩個MAE信號，但這兩個信號的幅度和包絡形狀是不完全相同的。用不同占空比的方波作激勵源時，在勵磁周期內同樣可以得到兩個MAE信號，并且這兩個信號的波形特征基本相同，二者出現在時間軸上的位置與占空比相對應。對比不同對稱性和不同占空比的方波所得到的結果可以發現，相同勵磁條件下，不同對稱性的三角波波形作激勵源對MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根的影響要遠遠小于方波波形作激勵源對MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根的影響，并且由三角波激勵產生的MAE信號分布較廣泛，主要頻段為20～500 kHz，而方波激勵產生的MAE信號就比較集中地分布于20～200 kHz，且在某幾個點特別集中。

由圖12，13可以看出，采用三角波波形進行勵磁時，無論其占空比如何，實際檢測的MAE信號濾波后的時域波形面積以及電壓均方根均變化不大，即可以認為三角波波形對MAE信號幾乎沒有影響。不同占空比的方波波形作激勵源會影響MAE信號的電壓均方根以及濾波后時域波形的面積，當方波的占空比為50%時，MAE信號濾波后的時域波形面積和電壓均方根均處于最大值。

圖12 波形的對稱性(或占空比)與電壓均方根的關系

由上述分析可知，在其他勵磁條件相同的條件下，選用方波作為激勵源比選用三角波作為激勵源產生的MAE信號更明顯，而對不同占空比的方波而言，選用D為50%的方波波形進行勵磁所得的MAE信號特征更明顯。

3 結論

(1) 從MAE信號產生機理及試驗驗證分析，勵磁電壓不斷增大的情況下，MAE信號的幅值和電壓均方根等信號特征逐漸增大，且材料的磁感應強度增大，材料內部磁疇偏轉的數量及幅度增大，即發生移動的磁疇壁增多，產生的MAE信號也增強。

(2) 勵磁頻率不斷增大導致線圈感抗增大，使勵磁電流不斷減小，材料磁化強度減弱，而在單位時間內材料內部偏轉的磁疇數目增大，即移動、產生或湮滅的磁疇壁增多，使MAE信號增強。這兩種效果共同作用，使得產生的MAE信號的強度、單位時間內包絡面積等信號特征呈現出先增大后減小的趨勢。

(3) 不同對稱性的三角波波形作激勵源對MAE信號的產生幾乎沒有影響；而采用不同占空比的方波波形作激勵源時，MAE信號會有明顯的變化，占空比為50%的方波波形作為激勵源時，MAE信號的特征更明顯。