起重機械焊接結構殘余應力電磁檢測技術探討

陳勝來 李繼承

摘要：針對大型起重設備金屬結構由于殘余應力和局部應力集中導致的開裂失效問題，探討了電磁檢測技術在結構殘余應力檢測中的應用。綜合分析了磁導率檢測、電磁超聲檢測和微磁檢測三種技術的檢測原理和典型應用，為先進電磁無損檢測技術在殘余應力檢測中的應用提供了借鑒。

關鍵詞：起重機械;殘余應力;電磁檢測; 磁信號

中圖分類號：TG115.28? ?文獻標志碼：A

起重機械加工制造過程中，焊接結構件大量應用于制造的各個工序，焊接接頭作為焊接結構件的重要部分，加工后的殘余應力將影響到腐蝕、開裂、疲勞強度等力學性能，同時也會對材料的物理機械性能產生巨大影響，對結構強度造成很大危害。制造環節產生的殘余應力如果不能及時得到消除，出廠后將對安裝、使用環節造成危害，留下事故隱患。殘余應力檢測是起重機械焊接結構安全評估工作的重要內容。本文對三種常用的電磁無損檢測技術在殘余應力檢測中的應用進行論述，分析了三種方法的檢測原理、檢測系統和結果評價等內容，并對上述技術在起重機行業的應用進行了探討。

1. 基于磁導率檢測技術

1.1 檢測原理

基于磁導率變化檢測殘余應力的原理是：鐵磁性材料的磁化狀態受其殘余應力的影響，表現為磁導率和磁感應強度的變化，使用傳感器和相匹配的轉化電路將磁導率的變化轉變為電流或電壓的變化，進而通過電量信號間接反映材料內應力的變化。

1.2 檢測方法

根據被檢測對象結構選擇相應形狀的檢測探頭，通常由激勵線圈和接收線圈組成。在激勵線圈中通入交變電流，該信號可以由信號源加上功率放大器輸出。通過鐵磁試件的磁場經外部環境形成閉合磁路。待測試件的應力集中引起磁導率變化，進而導致閉合磁路的磁阻和磁通發生變化。使用精密電壓測量設備測量感應線圈的電壓信號，與標定試樣上測得的電壓信號進行對比，可以得出測試件的殘余應力大小。

加工與被檢測材料相同牌號和熱處理狀態的標準拉伸試樣。在開始標定試驗前，用于標定的試樣應經過消除應力處理，試樣表面應無污垢、油膜和氧化層。不滿足探頭測量所需的表面公差等級時，應進行清理或打磨，非接觸測量時，可以粘貼不同厚度的聚氟乙烯薄膜。

1.3 典型應用

2016年由中國特種設備檢測研究院和西安交通大學等單位牽頭起草了《GB/T 33210-2016 無損檢測 殘余應力的電磁檢測方法》，從人員要求、檢測系統、檢測程序等方面對殘余應力的檢測進行了規定。該標準是基于磁導率變化原理進行的殘余應力檢測。檢測探頭分為四極探頭和九極探頭兩種，四極探頭對稱設置4個腳，兩個磁化線圈和兩個輸出線圈分別纏繞在對角線腳上。在磁化線圈內部通入交變電流，測量輸出線圈兩端的電壓信號。當鋼板中沒有殘余應力時，檢測探頭輸出腳兩端處于等磁位點，輸出線圈的輸出電壓為零。當鋼板有殘余應力時，檢測探頭輸出腳之間的磁位不同，隨著磁化信號的周期性變化，輸出線圈中將會產生輸出電壓信號。九極探頭與四極探頭近似，只是在得到主應力差及主應力角時，探頭不需要旋轉。

南昌航空大學的楊梅芳等[1]采用磁導率檢測技術以Q235鋼和45#鋼為例，從試驗上研究了接收線圈的電壓信號隨拉應力、拉力殘余應力和疲勞損傷程度的變化關系。結果表明，依據磁導率檢測技術，可以有效測量鐵磁性材料試件所處的應力狀態，根據應力作用后的殘余應力測量構件曾經受到過的最大應力具有更高的檢測靈敏度。

2.基于電磁超聲檢測技術

2.1檢測原理

殘余應力的電磁超聲檢測技術是電磁檢測和超聲檢測相結合的方法，在洛倫茲力和磁致伸縮效應的共同作用下，鐵磁性材料內部產生超聲波信號，利用超聲波信號完成殘余應力檢測。彈性介質內部應力狀態的改變會引起聲速或者頻譜的變化，利用兩者之間的線性關系可以達到定量檢測殘余應力的目的。

臨界折射縱波（longitudinal critically refracted，LCR）是超聲波應力檢測中常用的檢測信號。當超聲縱波傳播到聲速不同的兩種介質界面處時，將發生折射和波形轉換現象，同時存在對應折射縱波和折射橫波的兩個入射角。當入射角接近第一臨界角時，將會在聲速較快介質表面激發出縱波場，該縱波場中包含折射縱波和頭波，且兩種波都以聲速較快介質中縱波的波速傳播。頭波的能量隨著傳播距離的增大而急速衰減，折射縱波的衰減系數與體波接近，能傳播到較遠距離。首先在試驗室狀態下分別測得標準試驗在零應力和特定加載應力狀態下的波速變化，對聲彈性系數進行標定。之后對實際工作部件進行聲速測量和應力計算，同時考慮實際工作場合被測件的復雜應力場、微觀結構狀態以及織構取向對聲彈性系數的影響，對檢測結果進行適當修正。

2.2典型應用

南京航空航天大學的鄒華章等[2]設計了一種基于磁致伸縮機理的電磁超聲換能器應力檢測系統。以應變片檢測構件的應變作為參考值，選擇A3鋼作為檢測對象，分析換能器接收的SH波幅值信號、靜態磁場強度與應力的關系。研究表明，在壓應力狀態條件下，超聲信號幅值-磁感應強度關系曲線會向右平移，并且隨著應力增大呈現單調變化的現象。

浙江大學的徐烽等[3]采用電磁超聲方法對Q345R鋼板焊接接頭殘余應力的分布狀態進行檢測。借助拉伸試驗對鋼板焊接接頭的聲彈性系數進行標定，使用電磁超聲方法測量出不同焊接區域聲速大小，進而獲得殘余應力的分布曲線。將電磁超聲的檢測結果與盲孔法的測量結果進行對比，兩種方法在母材、熱影響區、焊縫部位測得的殘余應力分布趨勢基本一致，均表現為焊縫和熱影響區附近的殘余應力大，遠離焊縫區域的殘余應力數值明顯減小。但兩種測量方法所獲得的殘余應力具體數值存在一定的偏差，且盲孔法測得的數值偏大。其原因是兩種方法所測得的殘余應力值是電磁超聲探頭和盲孔覆蓋范圍內的平均值，電磁超聲探頭的尺寸大于盲孔，因而所測得的殘余應力結果是更大面積范圍內的平均值。

3.基于微磁檢測技術

3.1檢測原理

微磁檢測技術是一種以地磁場為磁源的被動式檢測技術。將構件放置于地磁場環境中，利用高精度磁矢量傳感器對試樣表面不同區域的地磁場感應強度變化情況進行檢測，經過數據處理和分析，預測試樣中殘余應力的分布情況。應力集中會對試樣所采集的磁感應強度產生不同程度的影響，在試樣壓應力集中區域磁感應強度信號會顯示異常的向上凸起，在無應力集中部位，磁感應強度則會均勻分布。

基于微磁原理的檢測技術也可以利用巴克豪森噪聲技術實現殘余應力檢測。在外界磁場的極化作用下，鐵磁性材料內部的磁疇壁發生移動，引起尺寸的壓縮或漲大，進而導致整體磁感應強度的變化。磁疇壁的移動會在相鄰檢測線圈內部產生脈沖電流，多個脈沖電流的疊加形成一種可測的電噪聲信號，即巴克豪森噪聲。材料內部殘余應力的大小和分布狀態會影響磁疇的磁化方向，進而影響巴克豪森噪聲信號的強度。在正磁性各向異性材料中，壓應力會導致巴克豪森噪聲強度減小，拉應力會導致巴克豪森噪聲強度增大。根據巴克豪森噪聲強度可以測量材料內部殘余應力的狀態和主應力方向。

3.2典型應用

中石油西南油氣田公司的齊昌超等[4]將微磁檢測技術應用到304不銹鋼板的殘余應力監測，實現了對應力和疲勞損傷的測定。為了精確測量試樣的磁信號強度，他們研制了高靈敏度磁矢量探頭試驗平臺，建立了檢測信號與磁導率的關系算法。結果表明，應力集中區域會導致該區域的磁導率與周邊不同，磁信號強度與應力大小變化存在一定的聯系，即隨著試樣中所存在的殘余應力增加，磁信號強度增大，且材料的微觀應變也變大。

德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所的Madalina Rabung等利用巴克豪森噪聲檢測技術對Fe-Cu和Fe-Cu-Ni合金在拉伸加載條件下的應力增加過程進行了定量測量。研究表明，巴克豪森噪聲的峰值幅度與材料內部的拉應力狀態具有很好的函數對應關系。隨著外加拉應力的增大，巴克豪森噪聲的峰值曲線與殘余應力的變化曲線具有很好的平行關系。該方法提供了一種殘余應力定量檢測技術，不需要諸如X射線衍射等方法作為輔助參考。

4.結語

金屬材料的殘余應力對起重機械設備的服役性能有著顯著的影響，尤其是設備的疲勞壽命、強度和穩定性。利用磁導率檢測、電磁超聲和微磁等檢測技術實現鐵磁性材料內部殘余應力的無損檢測，對于保證起重機設備的長期穩定運行具有重要意義。在準確檢測的基礎上，進一步研發適用于現場環境的應力消除技術，對于延長設備的使用壽命具有積極意義。

參考文獻：

[1]楊梅芳， 任尚坤. 基于磁導率檢測技術的應力集中和疲勞損傷檢測[J].鋼鐵研究學報. 2017，29 （7）：590-595.

[2]鄒華章， 姚恩濤， 周靜. 基于磁致伸縮原理的應力檢測方法[J].機械制造. 2019，3：37-41.

[3]徐烽， 歐陽林婷， 王宏等. 基于電磁超聲的焊接殘余應力測量研究[J].壓力容器. 2018，35（4）：17-24.

基金項目：本文系廣東省市場監督管理局科技項目“基于微磁技術的起重機械焊接結構殘余應力檢測儀研發”，項目編號：2020ZT03。