基于磁記憶的船機(jī)零件損傷檢測

李俊健，楊舸帆，張笑穎，李瑞強(qiáng)，梁財(cái)源

（大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116000）

為了保證船舶及其動(dòng)力裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與可靠性，船舶機(jī)械在制造與修理過程中均需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測。不少船機(jī)零件在修造中均通過無損檢測來控制質(zhì)量，超聲波檢測、磁粉檢測和滲透檢測是常見的技術(shù)措施，但是這些檢測技術(shù)都有其局限性，具有預(yù)處理、后處理繁瑣、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。經(jīng)俄羅斯Doubov教授20多年來的研究和開發(fā)，金屬磁記憶技術(shù)，不僅在其物理原理上有了較深入的研究，還開發(fā)出專門的檢測儀器，制定了檢測方法。磁記憶檢測可以快速獲取構(gòu)件信號(hào)特征，待測構(gòu)件無需表面處理和磁化，便于實(shí)現(xiàn)多通道自動(dòng)化檢測，是一種有效的非接觸式測量手段。本工作的目的是對(duì)Q235金屬試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測其在無內(nèi)應(yīng)力下裂紋的深度與寬度對(duì)其Hp(y)的影響，并與實(shí)際的損傷工件表面的Hp(y)變化進(jìn)行對(duì)比。為磁記憶無損檢測技術(shù)的在船機(jī)零件的修造應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)材料為有疲勞裂紋的氣閥桿及Q235(GB/T 3075—2008) 鋼試件，Q235鋼試件均由切割加工，并四面打磨拋光，試件的尺寸為80×40×20；切割儀器為DK7725電火花數(shù)控線切割機(jī)床，可對(duì)試件進(jìn)行裂紋制造，避免內(nèi)應(yīng)力對(duì)Hp(y)的影響；切割前，均用HD123手持式平面退磁器進(jìn)行退磁處理。實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備為TD8650特斯拉計(jì)；顯示位數(shù)：4位；分辨率：10μT；精準(zhǔn)度：0.5%；本實(shí)驗(yàn)選取30mT量程，直流磁場測量模式。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前利用HD123退磁器對(duì)試件進(jìn)行退磁處理，以消除表面初始剩磁的干擾；檢測提離值均采用1mm；探頭固定于試驗(yàn)臺(tái)且不移動(dòng)，每次測量前均對(duì)特斯拉計(jì)進(jìn)行清零處理，避免空間干擾磁場對(duì)實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果的影響。裂紋深度實(shí)驗(yàn)：對(duì)5塊同一批次試件進(jìn)行相同切割，裂紋寬度固定為0.25mm，深度依次為1mm、2mm、3mm、4mm；裂紋寬度實(shí)驗(yàn)：對(duì)5塊同一批次試件進(jìn)行相同切割，裂紋深度固定為2cm，每塊試件上加工3條不同寬度的裂紋，依次為0.5mm、1mm、1.5mm；氣閥桿疲勞裂紋的檢測實(shí)驗(yàn)：在氣閥桿裂紋處畫3條檢測線，分別為裂紋中間、裂紋右側(cè)及裂紋左側(cè)邊緣；檢測路徑為裂紋前后10mm。每條檢測線反復(fù)檢測5次，記錄數(shù)據(jù)。檢測時(shí)均提取裂紋前后10mm路徑的Hp(y)值，檢測點(diǎn)間隔0.5mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

提離值為1mm時(shí)，采用高斯計(jì)對(duì)裂紋寬度恒為0.25mm，深度分別為1mm,2mm,3mm,4mm的切割金屬塊進(jìn)行裂紋處Hp(y)檢測，將檢測得到的信號(hào)進(jìn)行收集并匯總制圖，檢測到的Hp(y)導(dǎo)數(shù)匯總?cè)鐖D1所示。

圖1 平均深度導(dǎo)數(shù)匯總圖

由圖1和分析其檢測到的數(shù)據(jù)可見，試件裂紋處的Hp(y)變化遵循以下規(guī)律：在裂紋處的Hp(y)會(huì)發(fā)生突變，并具有過零現(xiàn)象，隨著裂紋深度的不斷增加，裂紋兩端的信號(hào)峰值幅值不斷增大，特征現(xiàn)象也越來越明顯。表明鐵磁材料在無內(nèi)應(yīng)力作用下的形貌改變，會(huì)引起其缺陷處Hp(y)產(chǎn)生規(guī)律性變化，裂紋深度越深，其Hp(y)變化的幅度越大，即其Hp(y)梯度峰值越大。

對(duì)深度分別為0.5mm、1mm、1.5mm的切割金屬塊進(jìn)行裂紋處Hp(y)檢測，得到的裂紋寬度導(dǎo)數(shù)匯總?cè)鐖D2所示。

圖2 裂紋寬度導(dǎo)數(shù)匯總

由其強(qiáng)度數(shù)據(jù)及圖2可見，各裂紋寬度處法向磁場強(qiáng)度均有突變，強(qiáng)度大小存在差異，但是其變化幅值大致相同，都在250～300μT之間。故無內(nèi)應(yīng)力下裂紋的寬度會(huì)使其法向磁場強(qiáng)度發(fā)生突變，但寬度的大小并不影響其法向磁場的變化幅度及梯度峰值。

對(duì)氣閥桿疲勞裂紋的中間，裂紋右側(cè)，裂紋左側(cè)邊緣，3個(gè)路徑上的Hp(y)進(jìn)行檢測，得出在實(shí)際的應(yīng)用過程中，由內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋前后1cm的Hp(y)圖，并作出其梯度變化圖像。

圖3 氣閥桿導(dǎo)數(shù)匯總圖

由氣閥桿導(dǎo)數(shù)匯總圖可知，3條測量線上的Hp(y)強(qiáng)度相差較大，分布也大不相同，但是其在裂紋處均會(huì)發(fā)生突變，由磁荷體系的磁性自由能最低原則可知，其磁荷會(huì)向裂紋的中間聚集。故其在裂紋中間的Hp(y)幅值，和變化梯度比右側(cè)和左側(cè)大。結(jié)合氣閥桿的工作環(huán)境，其受反復(fù)的拉壓應(yīng)力，且制造過程均使其表面具有初始Hp(y)，故我們可采用其Hp(y)的梯度變化，可較容易判斷疲勞裂紋對(duì)Hp(y)的分布影響。可見3條測量路徑上的Hp(y)梯度變化趨勢大致相同，均在裂紋處產(chǎn)生突變，且裂紋中間的變化幅度大于裂紋右側(cè)，裂紋右側(cè)大于裂紋左側(cè)。結(jié)合3條測量路徑所對(duì)應(yīng)疲勞裂紋的深度可得：Hp(y)梯度峰值可反映疲勞裂紋的深度大小。

將切割裂紋寬度0.25mm，深度1mm與氣閥桿中間裂紋進(jìn)行對(duì)比分析可知：由于兩者裂紋的寬度與深度近似相等，但兩者的Hp(y)變化幅值與梯度變化幅值相差巨大，可見由內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞裂紋對(duì)Hp(y)的影響，遠(yuǎn)大于無內(nèi)應(yīng)力下的切割裂紋對(duì)Hp(y)的影響。由此可見，應(yīng)力的變化是影響金屬表面Hp(y)大小及變化梯度的主要因素。

4 結(jié)語

在明確Hp(y)檢測技術(shù)原理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型的裂紋檢測中，本文總結(jié)如下。

（1）鐵磁性材料在無內(nèi)應(yīng)力下的形貌改變會(huì)影響其表面的Hp(y)強(qiáng)度。無內(nèi)應(yīng)力下裂紋的深度越深，其Hp(y)變化的幅值越大，梯度峰值越高。裂紋寬度會(huì)使其法向磁場強(qiáng)度發(fā)生突變，但寬度的大小并不影響其法向磁場的變化幅度及梯度峰值。

（2）由氣閥桿疲勞裂紋檢測實(shí)驗(yàn)得出：Hp(y)梯度峰值可反映疲勞裂紋的深度大小，利用梯度峰值評(píng)估疲勞裂紋，可排除試件生產(chǎn)加工及工作環(huán)境對(duì)檢測結(jié)果的影響，可對(duì)實(shí)際損傷的船機(jī)零件進(jìn)行有效的評(píng)估監(jiān)測。

（3）由內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞裂紋，對(duì)Hp(y)的影響遠(yuǎn)大于無內(nèi)應(yīng)力下的切割裂紋對(duì)Hp(y)的影響。由此可見，應(yīng)力的變化是影響金屬表面Hp(y)大小及變化梯度的主要因素。