（材料加工工程专业论文）焊接裂纹金属磁记忆漏磁场特性的研究.pdf

中文摘要 随着焊接结构向高参数及大型化方向 发展， 其工作条件日 益苛刻、 复杂， 焊 接设备能否安全可靠的正常运行是涉及国家财产和人民生命安全的重大问题， 对 这些设备进行质量鉴别、 工作安全性和寿命评价， 防止事故发生， 具有重大社会 和经济效益。 金属磁记忆检测技术是无损检测领域的一门新兴学科， 它是利用在地磁场条 件下结构自 身发出的信息进行检测的一种无损检测方法。 其基本原理是铁磁性构 件在应力和地磁场的共同作用下， 在应变集中区发生了磁畴组织的不可逆的重新 取向，这种磁状态的不可逆变化与最大应力有关，并且不随应力的消失而消失。 本文研究了金属磁记忆信号随检测时间和检测空间的变化规律， 指出 在焊接 条件下，当焊缝冷却到室温以后， 残余应力的“ 磁记忆”已 经形成， 检测结果没 有变化; 检测信号受到空间因素的影响，当远离裂纹达到一定距离时， 将检测不 到裂纹的存在。 裂纹磁记忆信号特征的研究是磁记忆检测技术向定量化方向发展 的 关键问 题， 本文使用小波去噪和傅立叶 变换的方法， 将去噪后的信号进行分解， 找到了确定裂纹是否存在的判据。 应力是与磁记忆信号关系最为密切的因 素， 本文研究了 应力与裂纹的角度、 长度及埋深的关系， 指出 随着埋深的增加， 最大主应力有增大的趋势; 长度因子 与最大主应力呈三次方关系; 角度对于应力的影响较为复杂， 在达到极值点以 前， 应力随角度的增加而增加， 超过极值点时， 随角度的增加， 应力下降。 在此基础 上建立了 应力与磁记忆漏磁场的关系模型和实验条件下x 6 5 钢磁弹性效应不可 逆分量的模型，并通过实验进行了验证。 关键词: 金属磁记 忆; 焊 接裂纹; 应力; 模型; 信号 处 理 abs tract i n r e c e n t y e a r s , t h e p r o g r e s s d i r e c t i o n o f w e l d e d s t r u c t u r e i s h i g h p a r a m e t e r a n d g o o d - s i z e d , t h e w o r k i n g c o n d i t i o n b e c o m e s m o r e a n d m o re r i g o r a n d c o m p l e x i ty . i t is a n i m p o r t a n t i s s u e t h a t t h e w e l d e d s t r u c t u r e r u n s i n n o r m a l a n d c r e d i b i l it y , w h i c h i s r e l a t e d t o t h e s e c u r i t y o f t h e s t a t e s p r o p e rt y a n d h u m a n s l i f e . i t h a s a v e r y i n fl u e n t i a l s o c i a l a n d e c o n o m i c b e n e fi t t o i d e n t i f y t h e q u a l i t y o f w e l d e d s t r u c t u r e , e v a l u a t e t h e s e c u r i t y o f s e r v i c e c o n d it i o n a n d l i f e a n d p r e v e n t t h e a c c i d e n t o c c u r s . me t a l m a g n e t i c m e m o ry i s a n e w b r a n c h o f n o n d e s t r u c t iv e t e s t i n g , w h i c h i s e v a lu a t e d f e r r o m a g n e t i t e m w i t h t h e i n f o r m a t i o n fr o m i t s e l f i n t h e c o n d i t i o n o f g e o m a g n e t i s m f ie l d . t h e b a s e p r in c i p l e o f t h i s m e t h o d i s r e c o r d e d t h e m a g n e t i c fl u x l e a k a g e w h i c h i s p r o d u c e d i n t h e a re a o f s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i n t h i s p a p e r , t h e a u t h o r s t u d i e d t h e r u l e s o f t h e s i g n a l o f m e t al m a g n e t i c m e m o ry w i t h t h e t e s t i n g t i m e a n d th e t e s t i n g s p a c e . t h e c o n c l u s i o n i s t h e t e s t e d c u r v e h a s n o d i s t i n c t n e s s w i t h t h e t i m e e l a p s e , t h e r e a s o n i s m a g n e t i c m e m o ry h a s b e e n c o m e i n t o b e i n g w h e n t h e s a m p l e c o o l e d i n t o r o o m t e m p e r a t u r e . t h e t e s t i n g s i g n al w a s i n fl u e n t i al b y t h e f a c t o r o f s p a c e , w i t h t h e i n s t r u m e n t a w a y fr o m t h e c r a c k , n o m e a n s c a n t e s t t h e c r a c k . s t u d y o n t h e s i g n al c h a r a c t e r i s t i c o f t h e m a g n e t i c m e m o r y o f c r a c k i s t h e k e y p r o b l e m i n t h e q u a n t i t a t i v e a n a ly s i s o f m e t al m a g n e t i c m e m o r y t e s t , a f t e r r e m o v e d t h e n o i s e fr o m t h e c u r v e , t h e a u t h o r p o i n t o u t t h e c r it e r i o n b y t h e m o t h e d o f f o u r i e r . s tr e s s a n d th e s i g n a l o f m a gne t i c m e m o ry a r e v e ry im p o rt a n t f a c t o r in t h i s n e w m e t h o d , t h i s p a p e r r e s e a r c h e d t h e l a w b e t w e e n t h e m a i n s t r e s s a n d t h e le n g t h o f c r a c k , t h e a n g l e o f t h e c r a c k a n d t h e d e p t h o f c r a c k . t h e m o r e d e p t h o f t h e c r a c k , t h e m o r e g r e a t o f t h e m a i n s t r e s s ; t h e r e l a t i o n b e t w e e n t h e m a in s t r e s s a n d t h e l e n g t h o f c r a c k i s c u b e ; t h e m a i n s t re s s in fl u e n c e d b y t h e a n g l e i s c o m p l e x i t y . b a s e d o n t h i s r e s e a r c h , w e s e t u p t h e m o d e l o f x 6 5 , a n d t h e t h e o ry v a lu e i s v e ry a n s w e r f o r t h e v a l u e o f t e s t b y ma n . ke y wo r d s : m e t a l m a g n e t i c m e m o ry ; w e l d i n g c r a c k ; s t r e s s ; m o d e l ; s i g n a l p r o c e s s ing 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 ，孟生叁 生一 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名 拜 vvy 字 日 期 : v - 今 年s月如日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解- 孟生夕组 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 达业鱼可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名:、 y 导师签名: 签 字 日 期 : 怜 g -3 o 日 签字日 期:2 w年 9 月 d 。 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 选题背景 随着锅炉、压力容器、 油气管道、化工机械、 海洋构造、 航空航天器和原子 能工程等焊接结构向高参数及大型化方向发展， 工作条件日 益苛刻、 复杂， 这些 设备的安全直接影响国家的经济正常运行和人民的生命财产安全， 对这些设备进 行质量鉴别、 工作安全性和寿命评价， 防止事故发生， 具有重大社会和经济效益。 统计表明 p . 2 1焊接裂纹是引 起焊接结构发生早期破坏并引 起灾难性事 故的根本 原因之一 ，因而对焊接裂纹的检测、监测、及评定尤为重要， 这就对无损检测 技术进步和开发提出了迫切要求。 在i程中常采用无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g 简写为n d t ) 的方法检 测焊接裂纹， 传统的n d t 方法有射线检测( r t ) 、 超声检测( u t ) , 涡流检测( e t ) , 磁粉检测 ( mt ) 、渗透检测 ( p t ) 等。 这些方法已趋成熟， 在质量控制、 安全 保 障、 事 故预防 等方面 发 挥了 重 要作 用， 但仍存 在以 下 不足 3 . 只能 寻找己 经 存在的宏观裂纹， 不能识别金属材料裂纹萌生时濒临损伤的 状态; 一般需要被 检测对象停止工作;需要对被检对象的表面进行去除涂层、 打磨等预处理， 效 率低， 成本高; 工件形状、 结构和人员技术水平等因素影响检测结果的准确性。 现场检测劳动条件差，劳动强度高，难以避免漏检。 上世纪末，俄罗斯科学家d o u b o v 教授提出了金属磁记忆检测的 方法。金属 磁记忆检测技术利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁感应强度在应力和应变 集中区内 产生不可逆变化， 在金属与空气边界出现磁导率跃变， 其表面产生漏磁 场， 通过检测该漏磁场便可无损、 快速、 便捷、 准确地确定铁磁性金属结构上的 应力和应变集中区， 即设备上最危险的区段和部位， 进行强度和寿命的诊断， 从 而能够防止恶性破坏事故的发生。 金属磁记忆检测技术的问世虽然只有短短十几年的时间， 但是它已 经在电力 行业取得了成功的工业应用， 并积累了大量的数据， 为金属磁记 忆检测技术在其 它领域的应用打下了良 好的基础。 随着石油、 天然气工业的迅猛发展， 世界各国 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1 选题背景 随着锅炉、压力容器、 油气管道、化工机械、 海洋构造、 航空航天器和原子 能工程等焊接结构向高参数及大型化方向发展， 工作条件日 益苛刻、 复杂， 这些 设备的安全直接影响国家的经济正常运行和人民的生命财产安全， 对这些设备进 行质量鉴别、 工作安全性和寿命评价， 防止事故发生， 具有重大社会和经济效益。 统计表明 p . 2 1焊接裂纹是引 起焊接结构发生早期破坏并引 起灾难性事 故的根本 原因之一 ，因而对焊接裂纹的检测、监测、及评定尤为重要， 这就对无损检测 技术进步和开发提出了迫切要求。 在i程中常采用无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g 简写为n d t ) 的方法检 测焊接裂纹， 传统的n d t 方法有射线检测( r t ) 、 超声检测( u t ) , 涡流检测( e t ) , 磁粉检测 ( mt ) 、渗透检测 ( p t ) 等。 这些方法已趋成熟， 在质量控制、 安全 保 障、 事 故预防 等方面 发 挥了 重 要作 用， 但仍存 在以 下 不足 3 . 只能 寻找己 经 存在的宏观裂纹， 不能识别金属材料裂纹萌生时濒临损伤的 状态; 一般需要被 检测对象停止工作;需要对被检对象的表面进行去除涂层、 打磨等预处理， 效 率低， 成本高; 工件形状、 结构和人员技术水平等因素影响检测结果的准确性。 现场检测劳动条件差，劳动强度高，难以避免漏检。 上世纪末，俄罗斯科学家d o u b o v 教授提出了金属磁记忆检测的 方法。金属 磁记忆检测技术利用处于地球磁场中的铁磁性金属的磁感应强度在应力和应变 集中区内 产生不可逆变化， 在金属与空气边界出现磁导率跃变， 其表面产生漏磁 场， 通过检测该漏磁场便可无损、 快速、 便捷、 准确地确定铁磁性金属结构上的 应力和应变集中区， 即设备上最危险的区段和部位， 进行强度和寿命的诊断， 从 而能够防止恶性破坏事故的发生。 金属磁记忆检测技术的问世虽然只有短短十几年的时间， 但是它已 经在电力 行业取得了成功的工业应用， 并积累了大量的数据， 为金属磁记 忆检测技术在其 它领域的应用打下了良 好的基础。 随着石油、 天然气工业的迅猛发展， 世界各国 第一章 绪论 的管道铺设量大大增加， 我国也处于油气管道建设的高峰时期。 现有的检测技术 不能适应快速、 在线检测的要求， 因此需要发展新的无损检测方法。 金属磁记忆 检测方法就是符合这种要求的新型检测技术。 1 . 2 漏磁检测技术 1 . 2 . 1 概述 物质的磁性约在三千年前就受到了人们的关注。 关于磁性最早的记载， 中国 的 管子。 地数篇 中说: “ 上有慈石者， 下有铜金， 。 稍后的 吕氏春秋 精通篇 里对磁石吸铁的性能作了栩栩如生的描述: “ 慈石招铁， 或引之也” 。 欧洲对于磁 石的最早的记载是希腊台利斯 ( t h a l e s )的著作，约在公元前6 0 0 年，迟于管仲 的时代4 1 。但是将磁力真正用于工业产品 的 检测， 还是上世纪2 0 年代初的 事 情。 3 0年代用磁粉检测的方法来检测车辆的曲 轴等关键部件，以 后在钢结构件上广 泛应用磁粉探伤的方法，使磁粉检测得以 普及到各种铁磁材料的表面检测5 漏磁检测是利用磁源对被检材料进行局部磁化，材料表面出现裂纹等缺陷 时， 使局部区域磁导率降低， 磁阻增加， 磁化场的能量将有一部分从此区域泄露 出 来， 形成可检测的漏磁信号6 1 磁粉检测是漏磁检测技术在工程中应用的最早也最为广泛的一种。 它是通过 磁粉与漏磁场的作用， 形成磁图像， 从而指示缺陷存在的一种无损检测方法。 这 种方法的优点在于简洁、 直观， 其缺点是依赖于人的目 视检查， 难以摆脱工作效 率底、 劳动强度大和不易实现自 动化的约束， 无法适应现代工业对无损检测在线 和实时检测的要求。 随着现代工业技术的进步， 采用磁敏元件和漏磁检测仪器对 缺陷 漏磁场进行检测， 形成电 信号进行显示的方法得到了 较快的发展 金属磁记忆检测技术是漏磁检测的一种新方法。 该方法利用的是在工作载荷 作用下， 铁磁构件局部应力集中区产生的 漏磁场， 该漏磁场反映着磁化强度朝着 工作载荷主应力作用方向上的不可逆变化。 金属磁记忆方法在检测中， 使用的 磁 源是地磁场。磁记忆检测方法的提出者d o u b o v 认为， 只有在地磁场这样的小强 度外部磁场中， 承受载荷结构的变形能量才能大幅度超过外部磁场能量， 才能形 成铁磁材料自 身结构的 信息， 是继声发射之后第二个利用结构自 身发射信息的 方 第一章 绪论 的管道铺设量大大增加， 我国也处于油气管道建设的高峰时期。 现有的检测技术 不能适应快速、 在线检测的要求， 因此需要发展新的无损检测方法。 金属磁记忆 检测方法就是符合这种要求的新型检测技术。 1 . 2 漏磁检测技术 1 . 2 . 1 概述 物质的磁性约在三千年前就受到了人们的关注。 关于磁性最早的记载， 中国 的 管子。 地数篇 中说: “ 上有慈石者， 下有铜金， 。 稍后的 吕氏春秋 精通篇 里对磁石吸铁的性能作了栩栩如生的描述: “ 慈石招铁， 或引之也” 。 欧洲对于磁 石的最早的记载是希腊台利斯 ( t h a l e s )的著作，约在公元前6 0 0 年，迟于管仲 的时代4 1 。但是将磁力真正用于工业产品 的 检测， 还是上世纪2 0 年代初的 事 情。 3 0年代用磁粉检测的方法来检测车辆的曲 轴等关键部件，以 后在钢结构件上广 泛应用磁粉探伤的方法，使磁粉检测得以 普及到各种铁磁材料的表面检测5 漏磁检测是利用磁源对被检材料进行局部磁化，材料表面出现裂纹等缺陷 时， 使局部区域磁导率降低， 磁阻增加， 磁化场的能量将有一部分从此区域泄露 出 来， 形成可检测的漏磁信号6 1 磁粉检测是漏磁检测技术在工程中应用的最早也最为广泛的一种。 它是通过 磁粉与漏磁场的作用， 形成磁图像， 从而指示缺陷存在的一种无损检测方法。 这 种方法的优点在于简洁、 直观， 其缺点是依赖于人的目 视检查， 难以摆脱工作效 率底、 劳动强度大和不易实现自 动化的约束， 无法适应现代工业对无损检测在线 和实时检测的要求。 随着现代工业技术的进步， 采用磁敏元件和漏磁检测仪器对 缺陷 漏磁场进行检测， 形成电 信号进行显示的方法得到了 较快的发展 金属磁记忆检测技术是漏磁检测的一种新方法。 该方法利用的是在工作载荷 作用下， 铁磁构件局部应力集中区产生的 漏磁场， 该漏磁场反映着磁化强度朝着 工作载荷主应力作用方向上的不可逆变化。 金属磁记忆方法在检测中， 使用的 磁 源是地磁场。磁记忆检测方法的提出者d o u b o v 认为， 只有在地磁场这样的小强 度外部磁场中， 承受载荷结构的变形能量才能大幅度超过外部磁场能量， 才能形 成铁磁材料自 身结构的 信息， 是继声发射之后第二个利用结构自 身发射信息的 方 第一章 绪论 的管道铺设量大大增加， 我国也处于油气管道建设的高峰时期。 现有的检测技术 不能适应快速、 在线检测的要求， 因此需要发展新的无损检测方法。 金属磁记忆 检测方法就是符合这种要求的新型检测技术。 1 . 2 漏磁检测技术 1 . 2 . 1 概述 物质的磁性约在三千年前就受到了人们的关注。 关于磁性最早的记载， 中国 的 管子。 地数篇 中说: “ 上有慈石者， 下有铜金， 。 稍后的 吕氏春秋 精通篇 里对磁石吸铁的性能作了栩栩如生的描述: “ 慈石招铁， 或引之也” 。 欧洲对于磁 石的最早的记载是希腊台利斯 ( t h a l e s )的著作，约在公元前6 0 0 年，迟于管仲 的时代4 1 。但是将磁力真正用于工业产品 的 检测， 还是上世纪2 0 年代初的 事 情。 3 0年代用磁粉检测的方法来检测车辆的曲 轴等关键部件，以 后在钢结构件上广 泛应用磁粉探伤的方法，使磁粉检测得以 普及到各种铁磁材料的表面检测5 漏磁检测是利用磁源对被检材料进行局部磁化，材料表面出现裂纹等缺陷 时， 使局部区域磁导率降低， 磁阻增加， 磁化场的能量将有一部分从此区域泄露 出 来， 形成可检测的漏磁信号6 1 磁粉检测是漏磁检测技术在工程中应用的最早也最为广泛的一种。 它是通过 磁粉与漏磁场的作用， 形成磁图像， 从而指示缺陷存在的一种无损检测方法。 这 种方法的优点在于简洁、 直观， 其缺点是依赖于人的目 视检查， 难以摆脱工作效 率底、 劳动强度大和不易实现自 动化的约束， 无法适应现代工业对无损检测在线 和实时检测的要求。 随着现代工业技术的进步， 采用磁敏元件和漏磁检测仪器对 缺陷 漏磁场进行检测， 形成电 信号进行显示的方法得到了 较快的发展 金属磁记忆检测技术是漏磁检测的一种新方法。 该方法利用的是在工作载荷 作用下， 铁磁构件局部应力集中区产生的 漏磁场， 该漏磁场反映着磁化强度朝着 工作载荷主应力作用方向上的不可逆变化。 金属磁记忆方法在检测中， 使用的 磁 源是地磁场。磁记忆检测方法的提出者d o u b o v 认为， 只有在地磁场这样的小强 度外部磁场中， 承受载荷结构的变形能量才能大幅度超过外部磁场能量， 才能形 成铁磁材料自 身结构的 信息， 是继声发射之后第二个利用结构自 身发射信息的 方 第一章 绪论 法8 , 9 1 . 2 . 2 漏磁场分析 1 0 - 1 5 所谓漏磁场是指铁磁构件的缺陷或磁路的截面变化处磁感应线离开或进入 表面时形成的磁场。 漏磁场形成的原因是由于空气的磁导率远远低于钢铁的磁导 率。 如果磁化了的铁磁构件上存在着缺陷， 则磁感应线优先通过磁导率高的工件， 迫使一部分磁感应线从缺陷的底部通过， 形成磁感应线的压缩。 因为材料可以 容 纳的磁感应线数目 有限， 所以就会有一部分磁感应线益出工件表面进入到空气中 去，其中有一部分遵循折射定律绕过缺陷折回工件，形成了漏磁场。 图1 . 1 等效带偶极子模型 ( 图中:2 b为槽宽， h 为槽深，p , 为槽壁上的 磁荷密度， a为空间中任意一点) 缺陷的漏磁场由于缺陷的形状、位置、大小和材质等方面的差异， 分布情况 十 分复 杂。 1 9 6 6 年， s h e h e r b i n i n 和z a s t s e p i n 最早给出了 漏 磁 场的 偶 极子 模 型。 他们认为缺陷的漏磁场是由极性相反的 磁偶极子产生的。 为了 研究方便， 可以 将 复 杂的 漏磁场进行分类， 采用近似的 模型进行分析计算。 如图1 . 1 所示为裂纹类 缺陷的 等效带偶极子模型。 将裂纹类缺陷 等效为无限 场的 矩形 槽， 设 槽宽为2 b , 深度为h ， 磁化使得矩形槽两侧壁均匀分布着极性相反、 面密度相等的 两条磁荷 带，并且假设在槽口和其它部位均没有磁荷分布。 第一章 绪论 法8 , 9 1 . 2 . 2 漏磁场分析 1 0 - 1 5 所谓漏磁场是指铁磁构件的缺陷或磁路的截面变化处磁感应线离开或进入 表面时形成的磁场。 漏磁场形成的原因是由于空气的磁导率远远低于钢铁的磁导 率。 如果磁化了的铁磁构件上存在着缺陷， 则磁感应线优先通过磁导率高的工件， 迫使一部分磁感应线从缺陷的底部通过， 形成磁感应线的压缩。 因为材料可以 容 纳的磁感应线数目 有限， 所以就会有一部分磁感应线益出工件表面进入到空气中 去，其中有一部分遵循折射定律绕过缺陷折回工件，形成了漏磁场。 图1 . 1 等效带偶极子模型 ( 图中:2 b为槽宽， h 为槽深，p , 为槽壁上的 磁荷密度， a为空间中任意一点) 缺陷的漏磁场由于缺陷的形状、位置、大小和材质等方面的差异， 分布情况 十 分复 杂。 1 9 6 6 年， s h e h e r b i n i n 和z a s t s e p i n 最早给出了 漏 磁 场的 偶 极子 模 型。 他们认为缺陷的漏磁场是由极性相反的 磁偶极子产生的。 为了 研究方便， 可以 将 复 杂的 漏磁场进行分类， 采用近似的 模型进行分析计算。 如图1 . 1 所示为裂纹类 缺陷的 等效带偶极子模型。 将裂纹类缺陷 等效为无限 场的 矩形 槽， 设 槽宽为2 b , 深度为h ， 磁化使得矩形槽两侧壁均匀分布着极性相反、 面密度相等的 两条磁荷 带，并且假设在槽口和其它部位均没有磁荷分布。 第一章 绪论 根据图 1 . 1 所示模型，设槽壁上具有宽度为d 1 t 的面元上的磁荷在 a处产生 的磁场分布为: d 万 ， = pm ., 丽 2 r ,2 1cf to r, d 斤 ( 1 - 1 ) d 万2 = 式中 =(x + b ) 2 + (y 一 。 ) ， ，( 二 一 。 ) ， + (y 一 。 ) ， 单位为m m ; r 2= 单位为m m; 9 0 为真空磁导率， 4 31 x1 0 -7 ，单位为h / m . 则漏磁场的水平分量h ， 可以通过对 d h h 积分求出: h * 一 二 d h ,* 十 二 d h 2h p 二 户x + b。 _ p m ，护(x 一 b ) = 于巴 1 . ; 一， 分 升笼 2 一- 言d q 一 士 二迎 七1 . ; 一一 丁 去 = 于 三 - 一 一 又不 d r 7 2 7t u o 咨 h ( x + b ) + y 一 叮 ) “2 明。 小 hi72 )rp 0 ( x 一 b ) +y 一 a 。 . ， i . . . . . . h ( x + b )_ _ _ _ _。 ( : 一 ， )i = i改 a . i . l . 一 口. 1 1 . 口. 1 2 )c u 0 l ( x + b ) + y ( y + h ) ( x 一 b ) + y ( y + h ) j ( 1 - 2 ) 同 理， 垂 直 分 量h , 为 : h ， 一 二 d h ,c + 二 d h 2o p m a ，_ k x + b ) 2 + (y + h ) 2 i ( 二 一 。 ) ， + y 2 = . . . 1 -一 - 甲1 一- , 4 7 w o 十 b ) 十 厂肚 x 一 b ) + ( y 十 h ) j ( 1 - 3 ) 由此我们可以考察漏磁场的分布状况，利用ma t l a h软件进行处理后，其 漏磁 场的 分布 如图1 .2 所示。由 图1 .2 可以 得到 下列结 论: ( 1 ) 漏磁场的 垂直 分 量曲 线关于缺陷 表面中点 对称， 且在靠近中点 处的两侧各有一个大小相等正负 相 反的极 值， 随 着离开 表面中 心水 平距离的 增加， 漏磁 场垂 直 分量迅 速减小; ( 2 ) 漏 磁场水平分量曲线关于x = 0 轴对称， 在缺陷表面中心有极大值， 随着离开表面中 心水平距离的增加，漏磁场垂直分量迅速减小为负值，然后缓慢增大，趋于零。 金属磁记忆检测技术作为漏磁检测的一种方法， 应力集中处的漏磁场分布与 己 分析的矩形槽的漏磁场有很大的相似之处， 如铁磁性部件裂纹或应力集中区域 漏磁场的 切向 分 量h h 具 有 最大 值， 法向 分 量h p 改 变符 号且具 有零值点。 第一章 绪论 缺陷表面中心 5闷32，0123 日0000000 ，戈、全叫农侧潮终班娘 -0 5乒 -0.52 -1.5 -1 - 0 .5 0 0 . 5， 距缺陷中心距离l / mm 0 .4 0 . 3 5 03 02 5 x= 0 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 .0 5 0 一 。 0 5 2 一 - 1 5 ， - 1 - 0 .5 0 0 . 5 距缺陷中心距离l l mm ( b ) 1 . 5 2 图1 . 2矩形槽的 漏磁场分布 ( a ) 漏磁场垂 直分量 h p ( b ) 漏磁场水平分量 h , 1 . 3 金属磁记忆技术概述 1 .3 . 1 金 属 磁记忆 检 测技术 (8 - 2 0 1 随着新材料、 新结构和新工艺的不断涌现， 无损检测新技术也层出不穷， 如 金属磁记忆检测、红外热成像无损检测、 激光全息无损检测、 声振检测、 微波检 测等。 在诸多新兴的无损检测技术中， 金属磁记忆检测技术是最具有发展潜力的 技术之一。 第一章 绪论 缺陷表面中心 5闷32，0123 日0000000 ，戈、全叫农侧潮终班娘 -0 5乒 -0.52 -1.5 -1 - 0 .5 0 0 . 5， 距缺陷中心距离l / mm 0 .4 0 . 3 5 03 02 5 x= 0 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 .0 5 0 一 。 0 5 2 一 - 1 5 ， - 1 - 0 .5 0 0 . 5 距缺陷中心距离l l mm ( b ) 1 . 5 2 图1 . 2矩形槽的 漏磁场分布 ( a ) 漏磁场垂 直分量 h p ( b ) 漏磁场水平分量 h , 1 . 3 金属磁记忆技术概述 1 .3 . 1 金 属 磁记忆 检 测技术 (8 - 2 0 1 随着新材料、 新结构和新工艺的不断涌现， 无损检测新技术也层出不穷， 如 金属磁记忆检测、红外热成像无损检测、 激光全息无损检测、 声振检测、 微波检 测等。 在诸多新兴的无损检测技术中， 金属磁记忆检测技术是最具有发展潜力的 技术之一。 第一章 绪论 缺陷表面中心 5闷32，0123 日0000000 ，戈、全叫农侧潮终班娘 -0 5乒 -0.52 -1.5 -1 - 0 .5 0 0 . 5， 距缺陷中心距离l / mm 0 .4 0 . 3 5 03 02 5 x= 0 0 . 2 0 . 1 5 0 . 1 0 .0 5 0 一 。 0 5 2 一 - 1 5 ， - 1 - 0 .5 0 0 . 5 距缺陷中心距离l l mm ( b ) 1 . 5 2 图1 . 2矩形槽的 漏磁场分布 ( a ) 漏磁场垂 直分量 h p ( b ) 漏磁场水平分量 h , 1 . 3 金属磁记忆技术概述 1 .3 . 1 金 属 磁记忆 检 测技术 (8 - 2 0 1 随着新材料、 新结构和新工艺的不断涌现， 无损检测新技术也层出不穷， 如 金属磁记忆检测、红外热成像无损检测、 激光全息无损检测、 声振检测、 微波检 测等。 在诸多新兴的无损检测技术中， 金属磁记忆检测技术是最具有发展潜力的 技术之一。 第一章 绪论 铁磁性金属零件在加工和运行时， 由于受载荷和地磁场的共同作用， 在应力 和应变集中的区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取 向， 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留， 还与最大作用应力 有关。 金属构件表面的这种磁状态“ 记忆” 着微观缺陷或应力集中的位置， 这就 是所谓的磁记忆效应。 对于焊接接头而言， 金属磁记忆是指磁化强度沿着焊接热循环造成的残余应 力作用方向的不可逆变化以及在其地球磁场中冷却后的残余磁化强度。 基于金属磁记忆效应的 基本原理制作的检测仪器， 通过纪录垂直于金属构件 表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况， 可以 对构件的应力集中 程度以 及是 否存在微观缺陷进行评价。 金属磁记 忆方法兼有无损检测功能 和断 裂力学所 一提供的 潜力。 这一方法同 其 它方法相比具有一系列重要优点: ( 1 ) 不需要对焊接构件和被检设备的焊缝表面进行特殊的预清理， 可以 减少 工序，降低劳动强度，缩短检测工期; ( 2 ) 不需要专门的磁化装置，而是利用构件或设备在地磁场中的自 磁化现 象，可以降 低产品的质量成本，提高产品的竞争力; ( 3 7 测试时探头与被检工件不接触，而且检测灵敏度高于其它磁性检测方 法， 特别适合现场使用; ( 4 ) 在测试中可快速确定应力集中区域， 适用于大面积的普查， 可以快速发 现可能产生裂纹的区域; ( 5 ) 检测设备轻巧，操作简便， 测试结果重复性和可靠性好，检测速度快， 适于在线检测，易于微机联接，容易实现自 动检测。 1 .3 .2 国外研究现状 任何一种无损检测方法在成为工业应用方法之前，都要经过几个发展阶段。 大部分无损检测方法发展的第一阶段是通过实验室条件下的试验， 以 确定其物理 原理， 然后开发技术手段， 制定检测方法， 制定检测结果评价准则， 进而制定技 术规范文件。 但是金属磁记忆方法的 物理原理在它的实验室结果产生之前， 就开 始在实际中广泛应用。 最早应用金属磁记忆方法可以追溯到上世纪8 0 年代的中 第一章 绪论 铁磁性金属零件在加工和运行时， 由于受载荷和地磁场的共同作用， 在应力 和应变集中的区域会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向和不可逆的重新取 向， 这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留， 还与最大作用应力 有关。 金属构件表面的这种磁状态“ 记忆” 着微观缺陷或应力集中的位置， 这就 是所谓的磁记忆效应。 对于焊接接头而言， 金属磁记忆是指磁化强度沿着焊接热循环造成的残余应 力作用方向的不可逆变化以及在其地球磁场中冷却后的残余磁化强度。 基于金属磁记忆效应的 基本原理制作的检测仪器， 通过纪录垂直于金属构件 表面的磁场强度分量沿某一方向的分布情况， 可以 对构件的应力集中 程度以 及是 否存在微观缺陷进行评价。 金属磁记 忆方法兼有无损检测功能 和断 裂力学所 一提供的 潜力。 这一方法同 其 它方法相比具有一系列重要优点: ( 1 ) 不需要对焊接构件和被检设备的焊缝表面进行特殊的预清理， 可以 减少 工序，降低劳动强度，缩短检测工期; ( 2 ) 不需要专门的磁化装置，而是利用构件或设备在地磁场中的自 磁化现 象，可以降 低产品的质量成本，提高产品的竞争力; ( 3 7 测试时探头与被检工件不接触，而且检测灵敏度高于其它磁性检测方 法， 特别适合现场使用; ( 4 ) 在测试中可快速确定应力集中区域， 适用于大面积的普查， 可以快速发 现可能产生裂纹的区域; ( 5 ) 检测设备轻巧，操作简便， 测试结果重复性和可靠性好，检测速度快， 适于在线检测，易于微机联接，容易实现自 动检测。 1 .3 .2 国外研究现状 任何一种无损检测方法在成为工业应用方法之前，都要经过几个发展阶段。 大部分无损检测方法发展的第一阶段是通过实验室条件下的试验， 以 确定其物理 原理， 然后开发技术手段， 制定检测方法， 制定检测结果评价准则， 进而制定技 术规范文件。 但是金属磁记忆方法的 物理原理在它的实验室结果产生之前， 就开 始在实际中广泛应用。 最早应用金属磁记忆方法可以追溯到上世纪8 0 年代的中 第一章 绪论 期，当时按照前苏联科学家d o u b o v 的建议，对一系列电厂锅炉管子在使用中出 现的 磁化现象组织了 工业试验(9 1 。 前苏联解体后， 金属磁记忆诊断技术的发明 人 d o u b o v教授在俄罗斯成立了动力诊断公司，负责向世界各国推广这项技术。 目 前在俄罗斯， 金属磁记忆检测技术经过2 0 多年来的研究和开发， 已发展成 为 较成熟的 无损检测方法， 并开发出了 专门的 检测仪器( 如: t s c - 1 m - 4 ) ， 建立了 相应的应力和应变集中区的判定准则和针对不同检测对象的十几个技术标准。 他 们对于应力集中区域的磁偶极子形成条件的计算分析， 应力集中线附近的组织变 形状态，以 及高温对残磁变化的影响等都作了 较为深入的 研究 1 6 - 1 9 1 。国际焊接 学会批准执行的 欧洲规划e n r e s s 一应力和变形检换 ( 中，已明确规定金属磁 记忆法为切合实用的设备和结构应力变形状态检测方法。 在俄罗斯、乌克兰、 保加利亚、 波兰等国家己 制订了对该方法和仪器的鉴定 的国家标准，印度和澳大利亚等国正在推广应用该技术， 用于锅炉、 管道的可靠 性诊断， 大批生产的机器零部件质量检测和分选，以及油气罐、 铁路桥梁等强度 和寿命评估。 1 .3 .3国内研究现状 金属磁记 忆检测技术被介绍到我国只有几年历史。短短几年内，已有论著、 文章 和检测仪器陆续出 现 8 , ” 一 ， 5 。 9 9 年1 0 月， 在广东汕头召开的第七届全国无损检测学术年会暨国际学术研讨 会上， d o n b o v 教授介绍了金属磁记忆检测的基本原理和它在管道、压力容器上 的 应用。同年， 华北电力科学研究院购进第一台t s c -m应力检测仪， 并在电 站 锅炉管道的检测上进行应用。 此后， 金属磁记忆检测技术在我国无损检测学界引 起了巨大兴趣和反响， 清华大学、武汉大学、 北京理工大学、 北京工业大学和国 家质量监督局锅炉检验研究中心等相继从机理方面进行了研究，爱德森 ( 厦门) 电子有限公司研制了仪器并开始推广使用， 天津大学与中国石油集团管道科学研 究院合作对于焊接裂纹的金属磁记忆信号特征和对于焊接裂纹的定量识别等方 面进行了 研究2 0 - 2 3 在应用方面， 北京有色金属研究总院与 俄罗斯动力诊断公司在2 0 0 1 年组建 了金属磁记忆方法培训中心; 大庆石油学院开展了对带有预制焊接裂纹的球型容 第一章 绪论 期，当时按照前苏联科学家d o u b o v 的建议，对一系列电厂锅炉管子在使用中出 现的 磁化现象组织了 工业试验(9 1 。 前苏联解体后， 金属磁记忆诊断技术的发明 人 d o u b o v教授在俄罗斯成立了动力诊断公司，负责向世界各国推广这项技术。 目 前在俄罗斯， 金属磁记忆检测技术经过2 0 多年来的研究和开发， 已发展成 为 较成熟的 无损检测方法， 并开发出了 专门的 检测仪器( 如: t s c - 1 m - 4 ) ， 建立了 相应的应力和应变集中区的判定准则和针对不同检测对象的十几个技术标准。 他 们对于应力集中区域的磁偶极子形成条件的计算分析， 应力集中线附近的组织变 形状态，以 及高温对残磁变化的影响等都作了 较为深入的 研究 1 6 - 1 9 1 。国际焊接 学会批准执行的 欧洲规划e n r e s s 一应力和变形检换 ( 中，已明确规定金属磁 记忆法为切合实用的设备和结构应力变形状态检测方法。 在俄罗斯、乌克兰、 保加利亚、 波兰等国家己 制订了对该方法和仪器的鉴定 的国家标准，印度和澳大利亚等国正在推广应用该技术， 用于锅炉、 管道的可靠 性诊断， 大批生产的机器零部件质量检测和分选，以及油气罐、 铁路桥梁等强度 和寿命评估。 1 .3 .3国内研究现状 金属磁记 忆检测技术被介绍到我国只有几年历史。短短几年内，已有论著、 文章 和检测仪器陆续出 现 8 , ” 一 ， 5 。 9 9 年1 0 月， 在广东汕头召开的第七届全国无损检测学术年会暨国际学术研讨 会上， d o n b o v 教授介绍了金属磁记忆检测的基本原理和它在管道、压力容器上 的 应用。同年， 华北电力科学研究院购进第一台t s c -m应力检测仪， 并在电 站 锅炉管道的检测上进行应用。 此后， 金属磁记忆检测技术在我国无损检测学界引 起了巨大兴趣和反响， 清华大学、武汉大学、 北京理工大学、 北京工业大学和国 家质量监督局锅炉检验研究中心等相继从机理方面进行了研究，爱德森 ( 厦门) 电子有限公司研制了仪器并开始推广使用， 天津大学与中国石油集团管道科学研 究院合作对于焊接裂纹的金属磁记忆信号特征和对于焊接裂纹的定量识别等方 面进行了 研究2 0 - 2 3 在应用方面， 北京有色金属研究总院与 俄罗斯动力诊断公司在2 0 0 1 年组建 了金属磁记忆方法培训中心; 大庆石油学院开展了对带有预制焊接裂纹的球型容 第一章 绪论 器、爆破试验后破裂的管件和带有焊接缺陷的管件进行了磁记忆检测实验研究， 利用己知评价标准， 准确找出了构件中的缺陷， 充分验证了金属磁记忆方法的有 效性 2 4 1 ; 中国 科学院上海精密机械研究 所等单位开展的利用地磁场检测 钢球表面 裂纹的可行性研究， 表明钢球被地磁场磁化后， 从位于地磁场中的磁阻传感器采 样得到的信号就能够分辨出钢球表面缺陷， 为磁记忆技术在轴承检测中的应用提 供 了 可 行 性 方 案 2 5 1 1 .3 .4金属磁记忆检测技术的发展方向 由于金属磁记忆检测在无损检测领域是一项全新的无损检测技术。目 前， 工 程中该方法只是用于一般性的普查， 找到可疑的缺陷位置， 再用其他的检测手段 来最终确定是否有缺陷、 缺陷的种类以 及缺陷的定量描述， 还不能独立的 用于工 业检验。 为了推动金属磁记忆技术的发展， 扩大它在工业检验领域中的应用， 应 从以 下几个方面进行进一步的研究。 第一， 进行金属磁记忆技术的定量化研究。