某型低磁鋼材拉壓處理及焊接前后對周圍空間磁場影響

劉月林　周國華　吳軻娜

摘 要：對某型低磁鋼材進行拉/壓實驗及焊接處理以后對周圍空間磁場進行了初步研究。通過實驗發現在彈性形變的范圍內，進行拉壓處理或焊接處理后的低磁鋼材在其周圍空間產生的磁場相比處理前都發生了一定變化，結合鐵磁學理論定性解釋應力作用對低磁鋼材在周圍空間磁場發生變化的原因。

關鍵詞：拉壓處理；焊接處理；低磁材料；磁場

中圖分類號：U674 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0017-04

Abstract： After the tension/compression test and welding treatment of a certain type of low magnetic steel， the magnetic field of the surrounding space has been studied. It is found that within the range of elastic deformation， the magnetic field of the low magnetic steel， after tension and compression treatment or welding treatment， has a certain alternation in the surrounding space， compared with that before the treatment. Based on the Ferromagnetic Theory， the reason for the change of the magnetic field of the low magnetic steel in the surrounding space caused by the stress is explained qualitatively.

Keywords： tension/compression treatment； welding treatment； low magnetic material； magnetic field

1 概述

低磁鋼材是對鐵磁性無感應的鋼材，具有組織穩定、力學性能優良、磁導率低而電阻率高的特點，是建造獵掃雷艦殼體、潛艇磁羅經圍壁和消磁碼頭結構件的重要組成部分。在消磁場站建設過程中，為營造良好的磁場環境，一定要求使用低磁鋼材作為場站建設的地樁材料。而低磁材料在使用過程中會受到打樁機的巨大沖擊力才能使之深入地下，那么在巨大沖擊力作用下，對低磁鋼材在外部產生的空間磁場是否造成影響是需要關注的重點。因此，需要選取某型低磁鋼材制成樣品工件，探究受拉/壓力過程中和卸載后對空間磁場的影響。

低磁鋼材作為地樁材料時，除受到巨大壓力以外，必然進行焊接處理，焊接后低磁鋼材能否保持低磁特性，對周圍磁場是否存在影響都需要探究。因此，使用低磁鋼材制成一定尺寸的樣品，測量焊接前后周圍磁場的特征。以上兩種情況屬于通過不同方式改變低磁鋼材受到的應力，因此分別設計兩組實驗探究低磁鋼材受到拉/壓力過程中和卸載后以及對同種低磁鋼材進行焊接處理前后對其周圍空間磁場的影響，分析解釋應力作用對低磁鋼材在周圍空間磁場發生變化的原因。

2 低磁鋼材拉/壓力過程中和卸載后對空間磁場的影響

2.1 低磁鋼材拉力與卸載實驗及分析

使用低磁鋼材按如下圖1尺寸制作拉伸作用時的工件，將制作好的工件夾于拉伸儀器中，為更準確的磁場數據，在距離工件需拉伸部分附近20mm的位置放置三分量磁探頭（如圖2所示），測量在彈性形變范圍內在不同拉力（5kN、10kN）施加和卸載過程中的周圍磁場變化。

設定最大拉力值為5kN，拉伸力與位移曲線關系如圖3所示，在拉力施加開始的同時開始記錄磁場的變化情況，拉力施加開始到突然卸載過程中對周圍磁感應強度中y分量的影響最大，其隨時間的變化如圖4所示。

在未施加拉力階段地磁場By約為670nT，隨著外部拉力的逐漸增加By逐漸減小，當拉力保持5kN時，By保持減小后的值600nT，較原來的地磁場變化了70nT。當拉力突然卸載時，By也出現突變，其值約為653nT，雖然較未施加拉力前的地磁場分量變化很小，但無法恢復到原來未施加拉力前的地磁場分量值。說明即使是在彈性形變內的應力施加也使得低磁材料內部結構發生了變化，使得其在拉力施加卸載后，其產生的磁場仍然無法回到初始狀態。

對磁探頭做了適當位置調整以后，設定最大拉力值為10kN，拉力逐步增加與位移曲線關系如圖5所示，在彈性形變范圍內拉力施加開始到突然卸載過程中，周圍磁場的磁感應強度y分量隨時間的變化如圖6所示。

在未施加拉力階段地磁場By約為4000nT，隨著外部拉力的逐漸均勻增加By逐漸減小，當拉力保持10kN時，By保持減小后的值3900nT，較原來的地磁場變化了100nT，比施加5kN拉力時產生的磁場變化大。當拉力突然卸載時，By也出現突變，其值約為3960nT，雖然較未施加拉力前的地磁場分量變化較小為40nT，但無法恢復到原來未施加拉力前的地磁場分量值，同時比施加5kN拉力時產生的磁場變化大。對于低磁鋼材而言，其中摻雜有較多的非鐵磁性材料，這些雜質的存在使材料中磁晶各項異性[1]減小，而此時的磁疇結構主要決定于應力分布，如果對低磁鋼材施加很強的外力，使疇壁發生移動，將對低磁材料的磁疇結構產生極大的影響，因而使得其在外部空間產生的磁場發生變化。

2.2 低磁鋼材壓力與卸載實驗及分析

使用同型號低磁鋼材直徑20mm，長度為30mm的圓柱形測試工件2個。將工件放于壓力測試儀器中，在工件附近30mm處放置磁探頭（如圖7所示），測試在彈性形變范圍內不同壓力（10kN，30kN）施加和快速卸載過程中的周圍磁場變化。

由于低磁鋼材對地磁環境的影響較小，為了更好的獲得壓力作用低磁鋼材過程中對其周圍磁場的影響，需要將探頭靠近低磁工件放置，因此將工件放置于壓力設備邊緣，壓力同樣能均勻的施加于兩個樣品工件，壓力作用對工件周圍磁場z分量的影響最為明顯。設定最大壓力為30kN，壓力與位移曲線關系如圖8所示，在彈性形變范圍內壓力從均勻施加開始到突然卸載過程中，周圍磁感應強度z分量隨時間的變化如圖9所示。在地磁場中存在一個穩定頻率的信號，但仍然可以看出Bz隨著壓力逐漸增大產生的變化，當壓力達到30kN時，Bz增加了約400nT，在壓力突然卸載的瞬間，Bz產生一個突變，其變化相比于未施加壓力約為600nT。壓力突然卸載，與打樁過程正好是一個反作用，說明一個突然沖擊力也會對低磁材料周圍產生磁場造成影響。

為了保證實驗的安全進行，壓力實驗中的樣品尺寸相比于拉力試驗中的樣品尺寸長度小、直徑大，因此在同樣的彈性形變范圍內，樣品能承受的壓力比拉力大的多，因而壓力施加和卸載所導致的周圍磁場變化要大一些，而且應力施加的方向不同，使得其內部應力分布出現了不同的分布，因此由此導致對外部磁場影響最大的方向也出現了不一樣的變化。

綜上，在低磁鋼材的拉/壓試驗中，不論是施加拉力還是壓力都對其在周圍空間產生的磁場造成了影響，而且拉/壓力越大，對周圍磁場的影響越明顯。即使在彈性形變的范圍內，拉壓力卸載以后，依然會對周圍地磁場產生不可恢復的影響。

3 低磁鋼材焊接處理后對空間磁場的影響

首先將一段240mm低磁鋼材截為兩段120mm的工件，在接口處用膠帶連接，將工件放于移動小車上，小車置于正地理南北的軌道上，磁探頭中心位置距離工件中間位置正下方為36mm，置于軌道中間。使用三分量磁探頭逐點（測量點間隔10mm）測量其3倍棒長范圍內南北方向上的磁場（探頭布置如圖10）。然后將兩段120mm的低磁鋼材進行焊接，放置于未焊接前鋼棒所處位置，同樣進行逐點（測量點間隔10mm）測量其3倍棒長范圍內南北方向上的磁場（探頭布置同上）。

對樣品工件焊接前后在周圍產生的磁場進行測量，測量結果如圖11所示。從圖中可以看出，去除背景磁場以后，在焊接前低磁材料幾乎對周圍的地磁場沒有影響，其最大峰峰值為80nT。但焊接后的低磁材料對周圍空間磁場有較大的影響，最大峰值為150nT，且磁場變大的范圍有明顯增加。

在焊接過程中，低磁材料受到高溫的影響，在加熱和冷卻過程中，材料內部會存在溫度梯度，由于這種不均勻加熱和冷卻會造成不均勻的熱脹冷縮，從而造成熱應力[2]使得內部應力發生變化，相應磁疇結構也會產生相應變化使得樣品工件在周圍空間產生的磁場也有一定變化。而且在焊接過程中，除了溫度，焊接工藝、材料本身屬性、焊條選取等等都對其內部應力有較大的影響，怎樣消除此類殘余應力[3]還要繼續探討，焊接作用對低磁材料空間產生磁場的影響還需進一步深入研究。

4 結論

在低磁鋼材的拉壓試驗中，雖然地磁環境中存在一定頻段地磁信號的干擾，但不論是施加拉力還是壓力都對其在周圍空間產生的磁場造成了影響，而且拉/壓力越大，對周圍磁場的影響越明顯。即使在彈性形變的范圍內，拉壓力卸載以后，依然會對周圍地磁場產生不可恢復的影響。在低磁鋼材的焊接試驗中，由于焊接過程中的高溫、焊條質量、焊接工藝等多方面的影響，使得焊接后的鋼材在周圍空間產生的磁場有所增加，但仍能保持低磁材料的低磁性能。

下一步將進一步實驗獲取低磁材料拉/壓力施加和卸載過程中，通過軟件擬合分析應力變化與周圍磁場之間的定量關系，并且同時對焊接后的低磁材料進行拉/壓實驗，分析兩種因素同時作用時，低磁材料在空間產生磁場的變化。

參考文獻：

[1]周國華，肖昌漢.鐵磁學[M].武漢：海軍工程大學出版社，2014.

[2]宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京：中國石化出版社，2005.

[3]侯海量.爆炸消除潛艇耐壓殼環焊縫焊接殘余應力[D].海軍工程大學，2003.