（材料加工工程专业论文）焊接裂纹的金属磁记忆信号特征判据的研究.pdf

中文摘要 随着焊接结构向着大型化、高容量、高参数方向发展，焊接结构的工作条件 越来越苛刻，且往往未到一个常规检测周期就可能已经发生损坏，并造成严重的 后果和损失。大量的铁磁性构件，特别是锅炉压力容器、管道、桥梁、铁路、汽 轮机叶片、转子和重要焊接部件等，作为受力构件在使用过程中都会承受不同程 度的疲劳载荷，在应力集中的诱导下，往往会引发疲劳裂纹的产生，造成焊接结 构的早期破坏。 金属磁记忆检测技术是无损检测领域的一门新兴学科，它的基本原理是利用 在应力作用下金属结构局部应力集中区产生的漏磁场信息检测裂纹，是目前为止 唯一能够对铁磁性构件进行早期损伤程度评估的无损检测新技术。 由于采用金属磁记忆技术对裂纹进行检测的信号复杂，其信号的识别过分依 赖人的经验，这势必阻碍着该技术在工程中的推广应用。为了推动金属磁记忆检 测方法在焊接质量检测中的定量化应用，本文对焊接裂纹的金属磁记忆特征进行 了研究。 本文通过自行设计的拉伸试验，对有裂纹及无裂纹的试件进行了金属磁记忆 信号的检测，并采用了功率谱估计等多种信号处理方法，对金属磁记忆信号进行 了处理，研究了信号的特征。确定出原始信号的最大最小值的差值d e t a ，以及 细节分量信号的最大值h d m 。，最大最小值的差值d d e t a ，b u r g 法功率谱估计最 大值，信号的4 尺度小波分解后第一尺度上细节分量f f t 幅频最大峰值这五个 特征量为m m m 检测信号的特征量。 随后，采用试验验证了五个特征量的真实可靠性，并采用主成分分析方法， 建立了这些特征量所表示的焊接裂纹的m m m 检测信号特征的模型，找到了分 别表示本质信号特征量的来源和应力集中程度的两个主成分，并对模型进行了检 验。结果表明，利用提取出的信号的特征，可以实现裂纹有无的判断。 关键词：金属磁记忆焊接裂纹信号分析特征提取功率谱分析小波分析 a b s t r a c t i nm o r d e ni n d u s t r y , w i t ht h ep r o d u c t sd e v e l o p e dt o w a r d sh i 吐s p e e d ，h i 曲 t e m p e r a t u r ea n dh i g hl o a d ，w o r k i n gc o n d i t i o n sf o re q u i p m e n t sa r eb e c o m i n gh a r s h e r t h u sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t si t r eh i g h e r s o m e t i m e se q u i p m e n t sh a v ea l r e a d yb e e n d a m a g e di nl e s st h a nan o r m a li n p e c t i n gc y c l e ，c a u s i n gs e r i o u sc o n s e q u e n c e sa n d l o s s e s n u m e r o u sf e r r o m a g n e t i cs t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l yp r e s s u r ec o n t a i n e r sl i k eb o i l e r s ， p i p e l i n e s ，b r i d g e s ，r a i l w a y s ，s t e a mt u r b i n el a m i n a s ，r o t o r sa n di m p o r t a n tw e l d i n gp a r t s ， w o r k i n ga sb e a r i n gs t r u c t u r e sa n de n d u r i n gf a t i g u r el o a d st od i f f e r e n td e g r e e s ，m a y e n g e n d e rf a t i g n r ec r a c k sa n dd a m a g e su n d e rh i g hs t r e s sc o n c e n t r a t i o n m e t a lm a g n e t i cm e m o r y ( m m mf o rs h o r t ) i n s p e c t i n gm e t h o di sab r a n dn e w d i s c i p l i n eo fi l o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i ti st h eo n l yt e c h n i q u ew h i c hc a nb eu s e df o r e a r l yd a m u i f i c a t i o na s s e s s m e n tf o rf e r r o m a g n e t i cs t r u c t u r e s ，a n da nn d tm e t h o d u t i l i z i n gs e l f - e m i t t e di n f o r m a t i o n u t i l i z i n gs e l f - e m i t t e di n f o r m a t i o ni ng e o m a g n e t i c f i e l d ，i tw o r k sb yr e c o r d i n gl e a k a g ef i e l di ns t r e s s c o n c e n t r a t i n ga r e a si ne q u i p m e n t s a n dm e t a ls t r u c t u r e su n d e rs e r v i c el o a d b e c a u s em m m s i g n a l so fw e l d i n gc r a c k sa r ec o m p l i c a t e da n di d e n t i f i c a t i o no f s i g n a l s l a r g e l yd e p e n do ue x p e r i e n c e s p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fm m m m e t h o db e c o m ed i f f i c u l t t op r o m o t eq u a n t i f i e da p p l i c a t i o no fm m mm e t h o di n w e l d i n gq u a l i t yi n s p e c t i n g ，m m mf e a t u r e s f o rw e l d i n gc r a c k sa r es t u d i e di nt h i s p 印e r b a s e do n as e l g d e s i g n e dt e n s i l et e s t , a d o p t i n gs e v e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s s u c ha s p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ( p s df o rs h o r t ) e v a l u a t i o n , m v i ms i g n a l s a r e p r o c e s s e s da n dt h e i rf e a t u r e ss t u d i e d f i v ei n f o r m a t i v ef e a t u r e so fm m ms i g n a l sa r e f o u n do u t d i f f e r e n c eo fm a x i m u ma n dm i n i m u mv a l u eo fo r i g i n a ls i g n a l ， m a x i m a r n1 7 a l u eo f 曲ed e t a i lc o m p o n e n t 。d i f f e r e n c eo fm a x i m u ma n dm i n i m u mv a l u e o fd e t m lc o m p o n e n t ，m a x i m u mb u r gp s dv a l u eo fd e t a i lc o m p o n e n t ，m a x i m u mp e a k v a l u eo f f f ta m p l i t u d eo f1 s ts c a l ed e t a i ls i g n a lw i t ho r i g i n a ls i g n a ld e c o m p o s e di n t o 4s e a l e s f i n a l l y ，s y n t h e s i z i n ga l lf e a t u r ea n a l y s e s ，a d o p t i n gp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ， am o d e lo fm m m s i g n a lf e a t u r e si se s t a b l i s h e d t w op r i n c i p a lc o n s t i t u e n t sd e n o t i n g o r i g i no fe s s e n c eo fm m ms i g n a l sa n dd e g r e eo fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nr e s p e c t i v e l y , a r e f o u n do u t r e s u l t so fm o d e lt e s t i n gi n d i c a t et h a t ，a b s t r a c t e df e a t u r e sc a r lb eu s e da s c r i t e r i o n so f e x i s t e n c eo f w e l d i n gc r a c k s k e yw o r d s ：m e t a lm a g n e t i cm e m o r y , w e l d i n gc r a c k ，s i g n a la n a l y s i s ，f e a t u r e a b s t r a c t i o n ，p s da n a l y s i s ，w a v e l e ta n a l y s i s 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夕冬崎签字日期对年占月j 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫星盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫连盘茔一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 乡蚺 i 导师签名 签字日期： 咕年占月；。日 签字日期：神年帆 出厂 辨 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 近年来，随着国民经济的发展，我国的产业结构发生重大变化，能源需求的 增长及能源结构的调整，使我国油气长输管线建设量与日俱增。今后的几年，我 国管线建设即将面临一个前所未有的高峰期。西气东输工程的建成、双兰线的开 工标志着这一时期已经到来，其建设规模和技术要求在我国管道建设史上是空前 的。此外，随着航空、航天、机械、及核能等工业的不断发展，对其相应产品质 量的要求也越来越高，一些大型焊接结构，如压力容器、化工机械、航空航天器 等，其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。因此，对这些 设备进行质量鉴别、工 乍安全性和寿命评价，其有重大社会和经济效益”。1 。 而对于这些设备，焊接裂纹是影响焊接质量的关键问题，直接关系到它们能 否安全可靠地运行。因此对焊接裂纹进行检测、监测及评定对避免突发性事故已 成为无损检测领域面临的一项重大任务。 在工程中常采用无损检测( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g 简写为n d t ) 的方法检测 焊接裂纹，以达到早期诊断及预防的目的。无损检测的方法很多，最常用的有射 线检钡, i j r t ( x - r a d i o g r a p h yt e s t i n g ) 、渗透检坝r j p t ( p e n e t r a t et e s t i n g ) 、磁粉检测m t ( m a g n e t i s mt e s t i n g ) 、超声波检钡, t u t ( u l t r a s o n i ct e s t i n g ) 等，它们己成为生产中 的常规检测技术。随着科学技术的发展，无损检测技术的应用范围越来越一，并 涌现出更多的新方法和更先进的无损检测仪器，如激光全息照相检测、声振检测、 红外检测和声发射检测等。这些方法虽已日趋成熟，在质量控制、安全保障、事 故预防等方面发挥了重要作用，但仍存在以下不足眨叫：一般需要被检测对 象停止工作。检测时，需要对被检对象表面进行预处理，效率低，成本高。 工件的形状、结构以及操作人员技术水平等因素对检测结果的准确性有着较大影 响。现场检测劳动条件差，劳动强度高，难以避免漏裣。只能寻找已经存在 的缺陷，不能发现和预测将要产生缺陷的部位，无法解决设备突发性破坏的问题。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 上个世纪9 0 年代末，俄罗斯科学家杜波夫教授提出了一种全新的无损检测 方法金属磁记忆检测方法。这种方法基于处于地球磁场中的铁磁性金属的磁 感应强度在应力和变形集中区内会产生不可逆变化，导致金属与空气边界磁导率 出现跃变并在表面产生漏磁场的现象，通过检测该潺磁场来实现对铁磁性金属结 构上的应力和变形集中区的快速确定，找到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。 1 2 漏磁检测技术 1 2 1 漏磁场检测 铁磁性材料工件被磁化后，在缺陷处或磁路截面变化处，磁力线离开和进入 工件表面形成的磁场称为漏磁场。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， 但是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逸出工件表 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” 2 4 1 。 由于磁力线逸出工件表面形成磁极并形成可检测的漏磁场，检测漏磁场的方 法就称为漏磁场检测，包括磁粉检测与检测元件检测。其区别是，磁粉检测是利 用铁磁性粉末磁粉，作为磁场的传感器，即利用漏磁场吸附磁场形成的磁痕 来显示缺陷的位置、大小、形状和严重程度。检测元件检测是利用磁带、霍尔元 件、磁敏二极管或感应线圈作为磁场的传感器，来检测缺陷处的位置、大小和方 向。 1 2 2 磁粉检测m t 8 1 ( m a g n e t i s mt e s t i n g ) 磁粉榆测是据磁检测技术在工程中应用的最早也最为广泛的一种，是无搅检 测常规方法之一。 磁粉检测的基本原理是，当铁磁性工什被磁化后，由于不连续性的存在，使 磁粉检测的基本原理是，当铁磁性工件被磁化后，由于不连续性的存在，使 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的 磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出缺陷的位置、大小、形 状和严重程度。如图1 1 所示。 图1 一i 磁粉探伤原理 磁粉检测的优点在于简洁、直观、检测灵敏度高，但是这种方法依赖于人的 目视检查，只能检测工件表面及近表面缺陷，易受工件几何形状影响，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，因此无法适应现代工业对无 损检测在线和实时检测的要求。 10 2 - 3 检测元件检测 1 磁带录磁法 对被检工件磁化，产生的漏磁场用磁带记录，通过磁头回放将此信息转换成 电信号，获得缺陷处漏磁场的信息，检测结果可长期保存。 2 感应线圈探伤法 利用霍尔元件和磁敏二极管等磁电转化元件检测工件表面漏磁场的大小和 方向，还可兼得缺陷深度的信息。 3 感应线圈法 将探测线圈接近被磁化的工件表面，并进行相对运动时，就可检测出不连续 性处的漏磁场。 1 3 金属磁记忆技术概述 研究表明，焊接结构产生破损的根源是它存在应力集中区，在应力集中诱导 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 下，会引起该区前端脆化，往往导致微观裂纹的产生进而导致宏观裂纹的形成及 发展，而且该区腐蚀和疲劳过程的发展最为强烈。因此，早期检测出焊接裂纹的 应力集中区域及程度对于检测或监测焊接裂纹的形成和发展、避免灾难性事故的 发生具有重大的理论意义和实际应用价值。 常规的n d t 方法虽然已日趋成熟，在质量控制、安全保障、事故预防等方 面发挥了重要作用，但是每一种检测方法都有其应用局限性，且具有设备体积大、 劳动强度大、操作复杂、对入员素质要求高等缺点，都有各自不完善的地方。最 主要的是，这些方法只能检测已经发展成形的缺陷，对于因应力集中而引发的疲 劳断裂的早期诊断问题则无能为力。因此，为了及时准确的对早期损伤特别是尚 未成形的隐性不连续性变化进行评价，就必须开发出新的无损检测方法。 1 9 9 7 年在美国旧金山举行的第5 d 届国际焊接学术会议上，俄罗斯科学家提 出被誉为2 l 世纪的n d t 新技术金属磁记忆( m m m ) 技术。m m m 检测技 术属于漏磁检测技术，采用磁敏元件作为传感器，可以准确探测出被测对象上以 应力集中区为特征的危险部件和部位，是迄今为止对金属部件进行早期诊断的唯 一行之有效的n d t 方法9 1 刀。 金属磁记忆方法兼有无损检测功能和断裂力学所提供的潜力，与传统的n d t 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 检测裂纹，可以降低产品的质量成本，提高产品的竞争力； ( 3 ) 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 现可能产生缺陷的区域； ( 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。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 金属磁记忆技术的基本原理6 吨8 3 为满足系统能量总是向着能量最小的方向发展的趋势，晶体中会产生磁致伸 缩现象。磁致伸缩是指一切伴随着铁磁性物质的磁化状态而产生的大小和形状的 变化，同时也包括由于应力作用产生的磁化状态的变化。铁磁物质磁化时其长度 发生变化的效应称为线性磁致伸缩，而体积发生变化时称为体积磁致伸缩。该效 应的产生使单晶在晶轴方向磁化时发生线性磁致伸缩，大小可用磁致伸缩系数x 表示，即 五：兰二f 1 1 1 z 式中，一晶体在某晶轴上的长度： a 卜一由于磁致伸缩引起的该晶轴方向上长度变化量。 旯为正时表现为沿晶轴方向伸长，为负时则表现为缩短现象。通常磁致伸缩 现象的产生会引起磁弹性能的改变，它的存在会使自发磁化强度的方向发生变 化。 当弹性应力作用于铁磁体时，还会产生磁弹性效应。该效应是指由于应力作 用，铁磁体不但会产生弹性效应，还会产生磁致伸缩性质的应变的现象，从而引 起磁畴壁的位移，改变自发磁化的方向。其产生是因为铁磁物质受到夕 力作用后， 会在磁晶体内增添应力能引起的。磁致伸缩系数五为正时，畴壁趋向平行子张力 的方向；旯为负时，将趋向垂直张力。 铁磁体在受到外应力作用下，磁晶体内总的自由能e 比没有受到外力时多出 了应力能部分，可以表述为： e = e k + e 。+ e 。l + e o q - - 2 ) 其中，取为磁晶各向异性能；为磁弹性能；易为弹性能；e o 为由应力 引起的应力能。 根据“能量最小”原则，只有减小应力能使其趋于最小，或改变原有的磁弹 性能才能够使e 最小，从而使磁体处于稳定状态。 外力存在时，应力存在或残余应力会使应力能增加。应力引起的形变及其引 起的磁体内的自发磁化方向的改变将会增加磁弹性能，来抵消应力能的增加。 以上即为外力作用会使铁磁体产生磁致伸缩性质的形变，从而磁畴壁发生位 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 移，改变自发磁化方向的原因。 因此，铁制工件在运行时，受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变 形集中区域内会发生组织定向的和不可逆的重新取向，而且这种状态的不可逆变 化在工作载荷消除后不仅会保留，还与最大作用力有关。工件由于受工作载荷的 作用，其残余磁性会发生改变和重新分布，并在表面形成漏磁场，在应力与变形 集中区形成最大的漏磁场h p 的变化。这种磁状态“记忆”着微观缺陷或应力集 中的位置，即所谓的“磁记忆效应”。 此时，表面漏磁场的切向分量h p ( x ) 具有最大值，而法向分量h p0 ) 改变符 号且具有零值点。通过检测构件表面的宏观漏磁场即可以检测到焊接接头内部应 力集中的存在及应力集中的程度。实际中通过漏磁场法向分量h p ( y ) 的测定，便 可以准确的推断工件的应力集中区。 1 3 2 国内外研究现状2 5 1 1 3 金属磁记忆技术经俄罗斯d u b o v 教授2 0 多年来的研究和开发，不仅在其物 理原理上有了较深入的研究，开发出专门的检测仪器，制定了检测方法，而且还 建立了相应的应力、变形集中区的判定准则和针对不同检测对象的十几个检测标 准，并成立了动力诊断公司，向全世界推广该项技术。 目前，国际焊接学会批准执行的欧洲规划( e n r e s s 应力和变形检测 中，已明确规定m m m 法为切合实用的设备和结构应力变形状态的检测方法； 在乌克兰、保加利亚等国家的国家标准一级上已进行了对该方法和仪器的鉴定； 印度和澳大利亚等国也正在推广和应用该项技术。 金属磁记忆法在很多领域都得到了成功应用，可以对管件特别是锅炉管道进 行检测，磁记忆检测技术在汽轮机叶片的检测方面也得到了成功应用。利用该技 术，可以准确可靠的查出在较大应力状态下运行的部位，防止意外事故的发生。 此外，在对金属性能、金属焊接件的质量评价中以及金属腐蚀检测中也十分 有效。 我国引入m m m 检测方法虽然才有短短几年，但它在n d t 学术界已经引起 了广大研究者的强烈兴趣。目前，在机理研究、检测设各和技术推广应用方面都 取得了不少成果。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 目前，国内已有不少论著从不同角度对磁记忆效应的产生机理进行了解释， 如从电磁学角度出发的电磁感应学说以及基于铁磁学基本理论的能量平衡说等。 对于铁磁材料在应力集中处磁场切向分量有最大值、法向为零值的现象，已有研 究利用铁磁性的唯像理论对磁致伸缩为正的铁磁材料加以解释；对磁记忆现象和 地磁场间的关系、磁致伸缩和磁记忆问题也已有了一定的研究。 在检测设各方面，针对弱磁测量，磁敏传感器的研制成为磁记忆技术研究的 一个重要方面。目前国内已经相继推出了基于霍尔元件的磁记忆传感器和基于磁 敏电阻的磁记忆传感器。厦门爱德森公司已开发出相应的检测仪器e m s - - 2 0 0 0 智能金属诊断仪及相关软件系统。近来，又研制出金属磁记忆诊断与涡流、漏磁 检测技术相结合的新型仪器e m s - - 2 0 0 3 。 在磁记忆技术应用研究方面，南昌航空工业学院任吉林等人对电站高温再热 集汽联箱输水管( 即柱壳开孔接管) 进行了分析和实测，在对其残余应力进行有 限元分析的基础上作了磁记忆检测。他们的研究表明，m m m 技术适用于电站锅 炉及压力容器管道的检测。北京理工大学张卫民等人以低碳管线钢试件为研究对 象，使之拉伸或折弯后利用m m m 法进行检测对应力腐蚀进行了研究。 1 3 3 金属磁记忆技术的发展前景 作为一门问世不久的崭新的检测技术，磁记忆检测还面临许多有待解决的问 题。在机理研究方面，尚未达到十分透彻和系统的程度，且未形成较完整严密的 理论体系。在工程应用中，该方法只能用于一般性的普查，找到可疑的缺陷位置， 而不能确定是否有缺陷、缺陷的种类以及对缺陷进行定量描述( 如裂纹的尺寸、 方向、深度等) ，不能独立的用于工业检验。 为了进步发展和推广该项技术，使之在工业检测领域充分发挥作用，本文 认为还可以从以下几个方面进行进一步的研究。 首先，必须加强对该技术基础理论的研究。利用磁性物理学、铁磁学等多学 科知识，建立不同金属材料在不同外界条件作用下的磁记忆机理、不同形状构件 在不同约束和受热条件下应力场和磁记忆场之间的对应关系、铁磁性材料表面缺 陷和应力分布之间的关系等。 其次，在裂纹等缺陷的定量化检测方面，可以在缺陷的大小、形状和磁记忆 天津大学硕士学位论文 第章绪论 参数之间的关系方面做更深入的研究。可以通过分析磁记忆信号的特征，来推断 裂纹的萌生、扩展和形成宏观裂纹过程中的应力场的变化，并研究裂纹的漏磁场 与应力场的关系。开发出不同形状裂纹的磁记忆数据库，建立关系模型，实现裂 纹检测的智能化。 再次，在检测设备上还需要进一步完善，包括传感器探头、主机和信号识别 与分析软件。 此外，由于影响磁信号的因素很多( 如材质、表面粗糙度、外激励或残余应 力场的大小和方向等) ，故采用单参数 i p ( y ) 诊断很难给出令人信服的答案。因此， 发展多通道、多参量诊断技术是可能解决这一问题的有效途径。 我们还需要建立磁记忆检测法的技术标准。为使金属磁记忆法能用于定量判 断并能方便应用于工程实际，在此基础上开发相关的弱磁检测方法，形成系统的 特色检测技术体系也是很有必要的。 对于m m m 法在将来的发展与应用，我们需要提高磁场测量精度，对现场 检测数据进行有效修正，并使之朝着多通道、多参量检测方向发展。随着金属磁 记忆技术和其它弱磁检测技术的发展，这项集无损检测、断裂力学、金属学等学 科于一体的无损检测技术必将在石油、化工、航空航天、冶金、建筑等领域，在 承压及特种设备和重要金属部件的质量检验、寿命和安全性评价等方面得到广泛 的普及与应用。 1 4 本课题研究内容及意义 在我国，目前工程中该方法只是作为辅助手段用于一般性的普查，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。 可见，裂纹定量化检测问题的解决将直接影响到m m m 检测方法在焊接检 验中的应用。而研究焊接裂纹的m m m 检测特征是裂纹的定量化检测研究的基 础，因此具有深远的意义。若能提取出磁记忆信号的特征，便可以利用特征判断 出焊接结构中是否存在裂纹；如果存在裂纹，则判断裂纹的性质( 正在萌生的裂 纹，或是已经形成的宏观裂纹，或虽存在应力集中但没有裂纹出现) 以及裂纹的 几何形态( 包括裂纹的长度、方向和深度) ，使得金属断裂过程的研究在理论上 天津大学硕士学位论文第一章绪论 更加趋向深入。 因此，焊接裂纹的m m m 特征研究必将推动m m m 检测方法在焊接领域的 应用，为与金属磁记忆相关的国家标准的出台，奠定了一定的理论和实验基础。 基于上述原因，本课题主要研究内容如下： f 1 ) 设计拉伸试验，获得有预制裂纹和无预制裂纹试件在不同拉伸应力下的 m m m 信号，采用不同的信号处理方法对信号进行处理，来提取裂纹磁记忆信号 的特征； ( 2 ) 基于提取出的信号特征，利用主成分分析的统计学方法，建立采用信号 特征量表示的含有焊接裂纹的金属磁记忆信号特征的模型，根据该特征模型来判 断裂纹的存在。 天津大学硕士学位论文 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 金属磁记忆检测的依据是对m m m 检测信号进行的分析，通过对m m m 信 号特征的分析，来判断是否存在裂纹及裂纹的位置，即检测的目的是为了由金属 磁记忆检测信号获得裂纹的信号特征。 目前，我们利用m m m 检测信号对工件进行检测采用的判断依据有漏磁场 强度h p 的法向分量h p ( y ) 以及漏磁场梯度d h d x 。若某处h p 的法向分量h p ( y ) 过零，则该处是存在裂纹的可疑地点，有很大的应力集中。同时应力集中处，通 常漏磁场梯度值d h d x 通常出现极大值。遗憾的是，在实际检测中，发现仅根据 h p ( y ) 的过零点及漏磁场梯度值d h d x 来判断应力集中，从而找出可能存在的缺 陷是远远不够的。这是因为，在m m m 信号有些没有过零点的位置同样也可能 存在着裂纹，并有很大的应力集中，而过零点的部位并没有裂纹存在。这就迫切 要求我们提取出更为有效的信号特征，来识别应力集中，从而找出缺陷，仅仅依 靠上述两个特征进行判断还远远不够。 为了对金属磁记忆信号h p ( y ) 进行特征研究，找到其它的反映应力集中的特 征信号，本文设计了一信息含量丰富的拉伸试验，并利用该拉伸试验采集到的 m m m 信号作为根据来研究m m m 信号的特征。 2 1 试验设备1 6 3 2 4 2 6 1 能否正确检测出应力集中或缺陷部位，决定于m m m 检测仪器的优劣与正 确使用，因此采集漏磁场信号的仪器性能就显得尤为重要。金属磁记忆检测仪器， 根据磁记忆检测原理，对铁磁性金属设备和结构件缺陷的应力应变状态进行诊断 评估，以及时对有应力集中或损伤的部件进行处理或更换。目前使用较为广泛、 性能比较稳定可靠的金属磁记忆检测仪器是由俄罗斯动力诊断公司生产的 t s c 1 m 系列金属磁记忆检测仪。 本次试验采集m m m 信号就是使用该公司生产的t s c 一1 m - - 4 型金属磁记忆检 测仪，如图2 1 所示。这种仪器按照一定的检测方法来评估设备的应力变形状 墨堡查堂堡主堂竺笙苎 苎三兰型墼塑壁里坚堕兰墨叁蔓竺 _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ h - - - _ _ _ _ _ _ _ 一 况，并测定应力集中区。用金属磁记忆法诊断设备的主要准则是，在被检测产品 表面确定以h p 磁场法向分量零值为特征的应力集中线。t s c 一1 m 4 型仪器具有 以下优点： ( 1 ) 不要求对被检测对象进行专门的磁化； ( 2 ) 不要求对被检测表面作任何准备； ( 3 ) 在检测过程中能确定事先不知道的金属的应力集中和缺陷的部位； ( 4 ) 仪器能把数据录入存储器，并把数据转录入p c 机； ( 5 ) 仪器能在打字机上打印出曲线； ( 6 ) 与仪器配套提供软件配合使用，以供在p c 机上对数据作深入的处理。 图2 1t s c 1 m 4 型m m m 检测仪 检测仪主要包括磁敏传感器、温度传感器及测速装置组成的探头，由滤波器、 放大器及a d 转换器等组成的信号处理电路，显示及键控装置以及c p u 系统等 1 63 2 9 3 如。其中，传感器是关键，计算机是核心。 下面就金属磁记忆检测仪器的原理、主要组成单元以及技术性能指标进行简 要介绍。 2 1 1 金属磁记忆检测仪的基本原理1 6 1 图2 2 是典型的磁记忆检测仪器原理框图，它包括由磁敏传感器、温度传 感器、测速装置组成的探头，由滤波器、放大器及a d 转换器等组成的信号处 理电路，显示及键控装置，c p u 系统等。其中传感器是本仪器的关键元件，由 于被检部件的磁场微弱，需选择灵敏度很高的磁敏传感器件砼4 吨们。 塑堂堡主堂堡丝苎 笙三兰型竺箜壁! i 坚堕兰垂叁塑墼 _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ ，_ _ _ _ _ - 一 。 一 图2 2 典型的金属磁记忆检测仪器原理图 图2 3 是t s c 一1 m 一4 型金属磁记忆检测仪用于检测管道对接焊缝的工作示 意图。其中传感器t s c 1 m 4 型金属磁记忆检测仪采集信号的工作单元，由长度 传感器和u p 传感器两部分组成；控制面板是执行检测参数设置和信号存储的人 机交互单元，由显示屏和控制按键组成。因传感器是检测仪的关键元件，下面对 其进行简要介绍。 图2 3t s c i m 4 型金属磁记忆检测仪示意图 图2 4 是用t s c i m 4 型金属磁记忆检测仪四通道传感器检测管道对接焊 缝的工作图。传感器小车大小1 3 0 x 4 0 x 5 0 m m ，分为长度传感器和 珀传感器两 部分。在周围环境温度从4 0 。c 到+ 1 0 0 。c 、相对湿度达9 5 无降水能保持正常工 作能力。 扫描小车上的三个h p 传感器朝向焊缝，传感器间的距离可以根据焊缝的尺 天津大学硕士学位论文 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 寸加以调整，比如使中间传感器2 对准焊缝中线，两侧传感器1 ，3 位于焊缝左 右热影响区，可以同时检测到焊缝和热影响区全部的h p 信息。传感器4 单独朝 上，用来补偿地球磁场。 长度传感器和h p 传感器同时动作，在焊缝表面或近表面移动h p 传感器时， 仪表同时通过测长传感器5 记录检测长度。长度传感器是由四个驱动轮组成的机 械式位移传感器，四个驱动轮只要有一个转动就可以纪录小车走过的位移。 图2 4 用磁记忆检测仪四通道传感器检测对接焊接头 1 3 一在焊缝表面记录h p 场的扫描装置的铁磁探测式传感器， 4 一用以消除外磁场h d 的铁磁探测式传感器，5 测长仪驱动轮 2 1 2 金属磁记忆检测仪器的主要性能指标 t s c 一1 m 。4 型金属磁记忆检测仪的主要性能指标如下： ( 1 ) 每个通道漏磁场强度法向分量 i p 值量程 ( 2 ) 最小扫描步长 ( 3 ) 最大扫描步长 ( 4 ) 步长取l m m 时，一次最大的扫描长度( 其文件长度为8 0 k b ) ( 5 ) 最大扫描速度( 步长为l m m 时) ( 6 ) 仪表( 含电池) 的重量 ( 7 ) 测量漏磁场法向分量h p 的通道数 2 0 0 0 a m 1 m m 1 2 8 m m 1 0 m 0 2 5 m m s 不大于0 5 k g d 天津大学硕士学位论文 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 2 2 试验材料 试验采用武汉钢铁公司生产的x 7 0 管线钢，它是一种针状铁素体型的高强、 高韧性管线钢，钢中除了含有s i 、m n 、n i 、c r 、m o 、c u 以外，还加入微量的 n b 、v 、t i 、a 1 等元素，使铁素体在较低的温度下形成，易于形成韧性较好的针 状铁索体和下贝氏体。其屈服极限o 。 4 8 6m p a ，强度极限。b ， 5 6 5 m p a 。其主 要化学成分见表2 1 。 表2 1x 7 0 钢化学成分( 质量分数) cs im npsc rm o n ia 1 0 0 70 2 41 4 90 0 0 50 0 0 2o 0 1 80 2 30 2 10 0 2 4 c un bt ivs n a sb ic as b 0 1 4 50 0 5 80 0 1 20 0 2 80 0 0 30 0 0 30 0 0 50 0 0 l o 0 0 1 bz nnf ep b 0 0 0 0 2 o 0 0 20 0 0 69 7 5 3 60 0 0 2 2 3 试样制备 2 3 1 试样外形尺寸加工 本次试验共制备三个试样，其中1 号和2 号试样外形几何尺寸相同，3 号试 样总体尺寸较小。采用氧乙炔焰切割的方法，在x 7 0 钢试件中截取样坯，切割 面至试样边缘的距离为l o m m 。随后在铣床上加工试样外形，试样加工尺寸见表 2 2 和图2 5 。 表2 2拉伸试样加工尺寸表 试样l m m h m mb m m b 1 i n i n 1 号4 7 0 1 7 5 9 01 0 0 2 号4 7 0 1 7 5 9 0l o o 3 号4 0 0 2 l 3 84 3 天津大学硕士学位论文第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 2 3 2 裂纹制备 图2 5 拉伸试样加工图 为了找出有无预制裂纹对磁记忆信号的影响，三个试样中，只对l 号和3 号 试样加工预制裂纹。 裂纹加工方法的选择通常以实验要求的精度作为依据，综合考虑现在常用的 加工方法，确定采用线切割的裂纹预铝4 方法是本试验的最佳选择。 加工时，在1 号试件和3 号试件上有效区的中心位置，首先加工一个西2 的 圆孔，随后按照图2 6 所示尺寸进行加工。 图2 - 61 号试样和3 号试样的线切割加工示意图 z 3 3 裂纹预埋 裂纹制备的成功与否直接关系到本次试验的检测效果。为了更真实的模仿实 际施工过程中出现的裂纹，在实验中把加工好的裂纹预埋在母材的内部。 本实验根据对熔深的要求，来选择预埋裂纹的焊接方法。 天津大学硕士学位论文 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 实验时，使用手工钨极氩弧焊进行打底焊，采用如表2 - - 3 所示焊接规范， 此时焊缝的熔深为1 0 1 2i n i n 。使用手工焊条电弧焊进行填充焊和盖面焊，实现 裂纹的预埋。 按表2 4 的焊接规范施焊后，使用角向砂轮机将余高除去，至手摸时无凹 凸感为止。 表2 3 实验时采用的焊接工艺参数 焊接焊丝焊丝直 焊接电流焊接电压 氨气流量 钨极直 电流 方法 型号 径( i r n )( a )( v )( l r a i n )径( 唧) 种类 直流 g 飞0 nh 1 0 m r l 21 21 1 0 1 1 5l o 1 11 22正极 性 注：g t a w 为钨极氩弧焊( 下同) 。 表2 4 焊接时的工艺参数 焊接方法焊材牌号 直径( m m l 焊接电流( a )焊接电压( v ) g t a wh 1 0 m n 2 1 2 1 l o 1 1 51 0 1 l s m a wj 5 0 62 01 2 5 1 3 52 2 2 5 注：s m a w 为手工电弧焊( 下同) 。 2 3 4 残余应力的消除 预埋裂纹以后，由于焊接热循环的作用，在施焊部位产生了大量的残余应力， 因此需采用整体去应力退火的方法消除试件内部焊接残余应力。 去应力退火时间与退火温度有关，退火温度越高，保温时间越长，应力也就 消除的越彻底。研究表明，在4 5 0 。c 退火只能消除5 0 的残余应力，而要使内应 力完全消除，在6 0 0 。c 保温1 5 h ，在6 5 0 c 只需保温1 h 。为了不致使去应力退火 后冷却时再发生附加残余应力，应缓冷到1 0 0 。c 以下出炉空冷。 消除应力热处理采用的退火工艺为：升温速度：( 2 7 5 。c h ( 3 0 0 。c 以下不控 制) ，退火温度：6 2 0 。c ，保温时间：1 6 h ，炉冷，出炉温度：5 0 ( 2 。消除应力退 火工艺曲线如图2 7 所示。 墨婆奎堂堡圭堂篁笙兰 篓三兰鍪壁塑壁塑坚堕量墨塞堕堕 。1 1 。- 。- _ _ _ _ - 。- 。_ 。- _ - _ _ 。_ 。_ _ _ _ 。- 。_ _ 。_ _ _ _ - - 。_ _ _ _ 。，_ 。_ 。_ - - - _ _ - 。_ _ _ - _ _ 2 4 试验方案 6 0 0 3 0 0 图2 7 去应力退火曲线 h 为了研究m m m 检测信号特征与应力集中之间的关系，本试验对拉伸试件 在6 种不同应力水平下的磁记忆状态进行了检测，即在某一应力水平下卸载后进 行检测，检测方向如图2 6 所示。检测时，试样被加载到一定的应力水平，然 后保持该应力水平不变，保持一段时间，随后卸载，再对卸载后的试样进行m m m 检测。 拉伸过程中，拉伸应力不断增大，在弹性形变阶段进行了3 次检测，随后又 在塑性变形阶段进行了3 次检测，各拉伸试验力值如表2 5 所示。 表2 5 拉伸试样m m m 检测时的试验力 弹性变形阶段塑性变形阶段 试样 f k nf k n 第1 次第2 次第3 次第1 次第2 次第3 次 1 号 4 9 45 9 7 6 9 77 5 28 2 18 3 9 2 号 3 1 5 6 5 77 6 38 0 18 4 58 8 1 3 号2 2 92 7 23 2 23 4 43 7 4 3 8 6 由于我们所关心的是应力集中的情况，为了方便考察应力水平与信号特征之 间的关系，所以本文采用各拉伸试验力下的拉伸应力值来对应各m m m 检测信 号，这样也更方便各试样间的比较。本试验中，试件的应力水平实际上即为各试 件中最小承载面积处的应力。 天津大学硕士学位论文 第二章裂纹的磁记忆信号采集试验 值： 根据以下单向拉伸下实验力和应力的关系，可计算出各拉伸试验力下的应力 。：_f(2-1) 爿