環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響研究

陳海龍，崔子浩，吳 奇，熊湘曦，何 洋，王長(zhǎng)龍

(1.63850部隊(duì)，吉林 白城 137000; 2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

0 引 言

在國(guó)防、石油、化工等行業(yè)中，很多機(jī)械設(shè)備都是由鐵磁材料制成的，如火炮身管、導(dǎo)彈、裝甲車輛、管道和壓力容器等。這些機(jī)械設(shè)備在使用過程中，由于疲勞、腐蝕、磨損、應(yīng)力或意外的機(jī)械損傷等原因，在其表面或內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，而這些缺陷是導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)和設(shè)備失效乃至發(fā)生事故的重要原因。為避免不必要的損失和事故，需對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行定期的無損檢測(cè)[1-2]。磁記憶檢測(cè)因其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，以及在鐵磁材料早期診斷方面的應(yīng)用潛力，自提出后就受到廣泛關(guān)注[3-4]。金屬磁記憶效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是鐵磁性構(gòu)件在弱磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)）下的力磁耦合效應(yīng)，屬于一種弱磁場(chǎng)信號(hào)[5]，其信號(hào)強(qiáng)度往往與地磁場(chǎng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)或略大于地球磁場(chǎng)。在工程檢測(cè)中，環(huán)境磁場(chǎng)會(huì)對(duì)鐵磁物質(zhì)的磁性產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生影響。由于環(huán)境磁場(chǎng)并不是一個(gè)恒定場(chǎng)，在不同的測(cè)試環(huán)境下，磁場(chǎng)的方向和大小都會(huì)存在一定的差異。因此，研究外界磁場(chǎng)環(huán)境對(duì)磁記憶信號(hào)的影響非常有必要。

針對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)影響問題，許多學(xué)者開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，但目前還未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。文獻(xiàn)[6]通過對(duì)比試件不同放置方向時(shí)焊縫殘余應(yīng)力表面磁場(chǎng)分布，認(rèn)為環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)檢測(cè)信號(hào)數(shù)值有很大影響，但對(duì)磁記憶場(chǎng)的整體形貌沒有影響；文獻(xiàn)[7-8]也是認(rèn)為無論試件如何放置，其表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律不會(huì)發(fā)生變化；而文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疲勞斷裂試件不同放置方向下測(cè)得的磁記憶信號(hào)，并不是簡(jiǎn)單數(shù)值的平移，其整體形貌產(chǎn)生也有較大變化；文獻(xiàn)[10-11]也認(rèn)為不同放置方向?qū)Υ庞洃洐z測(cè)結(jié)果的影響是不同的，試件南北放置影響程度要比東西放置大；文獻(xiàn)[12-13]通過對(duì)比地磁場(chǎng)和外加激勵(lì)磁場(chǎng)兩種情況下磁記憶檢測(cè)效果，認(rèn)為存在外加激勵(lì)磁場(chǎng)條件下檢測(cè)效果明顯好于地磁場(chǎng)環(huán)境下的檢測(cè)效果。

上述實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶信號(hào)檢測(cè)的影響時(shí)，主要通過改變?cè)嚰[放方向測(cè)量分析試件表面磁場(chǎng)信號(hào)變化情況，或者通過人為改變外界磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向觀察磁記憶信號(hào)變化情況來判斷外界磁場(chǎng)變化對(duì)磁記憶檢測(cè)的影響，但相同原理的實(shí)驗(yàn)，關(guān)于環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)磁記憶信號(hào)是整體形貌和檢測(cè)結(jié)果的影響，還是簡(jiǎn)單的數(shù)值平移，并未形成一致的結(jié)論。上述多數(shù)實(shí)驗(yàn)的研究思路是對(duì)比磁場(chǎng)變化時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)變化情況，分析地磁場(chǎng)對(duì)金屬磁記憶信號(hào)檢測(cè)的影響，但沒有考慮檢測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)的成分和被測(cè)試件損傷缺陷類型因素。因此，本文通過分析磁記憶檢測(cè)信號(hào)的組成，并對(duì)比不同放置方向下，對(duì)比的裂紋、應(yīng)力集中以及無損傷3種區(qū)域的磁場(chǎng)變化，研究環(huán)境對(duì)磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及測(cè)試方案

本文選用45號(hào)鋼材料制作實(shí)驗(yàn)試件，試件長(zhǎng)180 mm，寬40 mm，厚度2 mm，利用剪切的方法在試件上預(yù)先設(shè)置長(zhǎng)度為19 mm的裂紋，裂紋左右各50 mm長(zhǎng)度區(qū)域?yàn)闄z測(cè)區(qū)域，被測(cè)試件實(shí)物如圖1所示。

圖1 被測(cè)試件實(shí)物圖

為了驗(yàn)證環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)不同缺陷區(qū)域磁記憶信號(hào)的影響，本實(shí)驗(yàn)共布置7條測(cè)量跡線，如圖2所示，跡線1~跡線3位于裂紋區(qū)域，跡線1在試件邊緣處，跡線2在裂紋中間處，跡線3在裂紋邊緣處；跡線4位于裂紋尖端處；跡線5位于應(yīng)力集中區(qū)域；跡線6在正常區(qū)域的中間處；跡線7靠近試件邊緣處。

圖2 檢測(cè)跡線設(shè)置

為準(zhǔn)確測(cè)量試件表面磁記憶信號(hào)，搭建磁記憶信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)物圖如圖3所示。

檢測(cè)系統(tǒng)中的自動(dòng)掃描裝置采用UYJ110型三維移動(dòng)平臺(tái)（雙向重復(fù)精度±0.02 mm），傳感器探頭采用的是霍尼韋爾公司生產(chǎn)的HMC5883L型號(hào)三軸磁敏傳感器（量程±8 Gs，分辨率5 mGs，1 Gs=1×10-4T）。通過設(shè)置平臺(tái)的移動(dòng)速度和傳感器的采樣頻率，可以實(shí)現(xiàn)磁記憶信號(hào)的空域等距采樣，同時(shí)測(cè)量3個(gè)不同方向的磁場(chǎng)分量信號(hào)。

圖3 磁記憶信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

試件分別按照南-北、北-南、東-西、西-東4個(gè)方向擺放，如圖4所示，設(shè)置信號(hào)采樣間隔0.2 mm，傳感器提離值1.0 mm。

圖4 試件放置方向示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將被測(cè)試件按照南-北、北-南、東-西、西-東4個(gè)方向水平放置，不同檢測(cè)跡線上測(cè)得的4組磁記憶信號(hào)曲線如圖5所示。

由圖可知，放置方向?qū)Υ艌?chǎng)信號(hào)的幅值和整體形貌都有影響，但不同跡線影響程度有所區(qū)別。對(duì)裂紋區(qū)的跡線1、2在信號(hào)的幅值和整體形貌上影響都較大，特別是跡線1在裂紋區(qū)域出現(xiàn)較大范圍的變動(dòng)，應(yīng)力集中區(qū)跡線3、4、5在幅值和形貌有一定影響，但分布形貌變化相對(duì)較小。跡線6、7整體分布形貌變化較小，且整體幅值有一定變化。

在相當(dāng)大的區(qū)域內(nèi)可以認(rèn)為地磁場(chǎng)是一個(gè)均勻穩(wěn)定的磁場(chǎng)，但實(shí)際檢測(cè)中由于地理位置、建筑及其他機(jī)械設(shè)備等原因，實(shí)際檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有一定的變化，圖6為本實(shí)驗(yàn)中未放置被測(cè)試件前不同檢測(cè)線上的磁場(chǎng)分布情況。

從圖中可以看出，試件未放置前不同方向檢測(cè)區(qū)域內(nèi)7條檢測(cè)跡線上的磁場(chǎng)都在極小的波動(dòng)范圍內(nèi)變化，可認(rèn)為是均勻穩(wěn)定的磁場(chǎng)，其空間方向如圖7所示，試驗(yàn)中環(huán)境磁場(chǎng)的水平分量沿著東北方向。其中He為環(huán)境磁場(chǎng)總強(qiáng)度；H//為He在水平面投影，稱為水平強(qiáng)度或水平分量；H⊥為He在垂直面投影，稱為垂直強(qiáng)度或垂直分量。

如果環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)試件磁場(chǎng)信號(hào)有影響，則試件南-北方向放置與西-東方向放置時(shí)磁場(chǎng)分布相似，而北-南方向與東-西方向放置時(shí)磁場(chǎng)分布相似。以切向分量為例，不同方向上測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)如表1所示。

圖5 不同方向時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖6 不同跡線環(huán)境磁場(chǎng)信號(hào)分布

圖7 環(huán)境磁場(chǎng)矢量方向

表1 不同放置方向切向信號(hào)曲線的相關(guān)系數(shù)

表中h1、h2、h3、h4的曲線分別為南-北、北-南、東-西、西-東檢測(cè)方向檢測(cè)得到磁場(chǎng)信號(hào)，c(hi,hj)表示相應(yīng)方向檢測(cè)信號(hào)曲線的相關(guān)系數(shù)。從表可以看出，c(h1,h4)和c(h2,h3)數(shù)值要高于其他情況，說明試件南-北與西-東、北-南與東-西方向放置時(shí)磁場(chǎng)分布更為相似，這從側(cè)面反映了環(huán)境磁場(chǎng)會(huì)對(duì)試件表面磁場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生影響，與文獻(xiàn)[14]中試件不同放置方向檢測(cè)時(shí)，扣除背景磁場(chǎng)后的檢測(cè)結(jié)果不一致的現(xiàn)象吻合。從表中還可以看出，檢測(cè)跡線1、2的相關(guān)系數(shù)較小，跡線6、7相關(guān)系數(shù)較大，說明環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)試件無損傷區(qū)域磁場(chǎng)分布影響較小，對(duì)裂紋區(qū)域漏磁場(chǎng)影響較大。

3 環(huán)境磁場(chǎng)影響討論與分析

處于地磁場(chǎng)環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受載荷的作用，其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向或不可逆的重新取向，從而導(dǎo)致應(yīng)力或應(yīng)變集中區(qū)域表面的漏磁場(chǎng)Hp發(fā)生改變，出現(xiàn)切向分量Hp(x)具有峰值及法向分量Hp(y)過零點(diǎn)的現(xiàn)象，如圖8所示。鐵磁構(gòu)件這種磁狀態(tài)的不可逆變化在工件載荷消除后仍被保留[15]。因此，磁場(chǎng)標(biāo)量或矢量的特征描述方法利用測(cè)磁儀器來測(cè)定構(gòu)件表面漏磁場(chǎng)，通過分析試件表面漏磁場(chǎng)信息，推斷該工件的應(yīng)力集中部位及預(yù)損傷區(qū)缺陷的特征。

圖8 金屬磁記憶檢測(cè)原理圖

磁記憶檢測(cè)方法中試件表面所測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)H，如圖9所示，由缺陷區(qū)域的漏磁場(chǎng)Hp、環(huán)境磁場(chǎng)He以及試件自身的感應(yīng)磁場(chǎng)HB是3個(gè)部分組成，即

圖9 損傷區(qū)域漏磁場(chǎng)分布圖

以試件切向信號(hào)為例，假設(shè)在試件兩個(gè)不同擺放方向時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)的分別為Hx1、Hx2，則水平分量可以為：

當(dāng)試件放置方向變化時(shí)，也就是環(huán)境磁場(chǎng)發(fā)生微小變化時(shí)，測(cè)得磁場(chǎng)信號(hào)變化量主要由ΔHBx、ΔHpx、 ΔHex決定。

環(huán)境磁場(chǎng)He包括地磁場(chǎng)、其他構(gòu)件和設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)，一般情況下主要指地磁場(chǎng)，在特定的范圍內(nèi)可認(rèn)為是一個(gè)恒定的磁場(chǎng)。改變?cè)嚰[放方向時(shí)，環(huán)境磁場(chǎng)信號(hào)Hex只是在相應(yīng)方向上分量的數(shù)值變化了ΔHex，對(duì)整體分布形貌沒有影響。

漏磁場(chǎng)Hp指的是無外磁場(chǎng)條件下試件表面的漏磁場(chǎng)，是由環(huán)境磁場(chǎng)和應(yīng)力共同作用于該處的磁疇，使其產(chǎn)生定向的不可逆重新取向，這種磁狀態(tài)不僅在載荷消除以后還會(huì)保留形成磁疇固定結(jié)點(diǎn)，與最大作用應(yīng)力有關(guān)，而且在遇到反向強(qiáng)磁場(chǎng)或反向強(qiáng)應(yīng)力作用之前是不可逆的，這也是磁記憶效應(yīng)能夠應(yīng)用到應(yīng)力集中或缺陷檢測(cè)的根本原因。因此，缺陷區(qū)漏磁場(chǎng)Hp可以認(rèn)為是在缺陷生成過程中已經(jīng)確定的，不會(huì)隨外部微弱的環(huán)境磁場(chǎng)變化而變化。

試件自身的感應(yīng)磁場(chǎng)HB是由試件在環(huán)境磁場(chǎng)作用下磁化產(chǎn)生的，如果檢測(cè)過程中試件受到外力作用，則是由環(huán)境磁場(chǎng)和應(yīng)力共同作用引起試件磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)。假設(shè)試件的磁化率為χm，真空磁導(dǎo)率為μ0，鐵磁質(zhì)試件的相對(duì)磁導(dǎo)率為μ1，則試件在外磁場(chǎng)He作用下磁化時(shí)，其內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度可表示為：

磁力線總是走磁導(dǎo)率最大的路徑，當(dāng)磁場(chǎng)由鐵磁質(zhì)試件（區(qū)域1）進(jìn)入空氣中（區(qū)域2）時(shí)，如圖10所示，根據(jù)邊界磁通守恒定律可以得到：

圖10 感應(yīng)磁場(chǎng) H B示意圖

假設(shè)空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為μ2，則根據(jù)式（5）可以得到：

式（6）表明，試件自身的感應(yīng)磁場(chǎng)HB不僅與外磁場(chǎng)He相關(guān)，還與試件的磁導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率不均勻程度相關(guān)。

結(jié)合不同檢測(cè)區(qū)域不同放置方向下的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，圖11為實(shí)驗(yàn)中無損傷區(qū)域跡線7扣除環(huán)境磁場(chǎng)分量后的磁場(chǎng)分布情況。

圖11 試件不同放置方向下第7條跡線的磁場(chǎng)分布

從圖中可以看出，當(dāng)試件無損傷缺陷時(shí)，測(cè)得的磁場(chǎng)分布形貌主要由試件自身漏磁場(chǎng)HB決定，試件不同放置方向時(shí)，試件表面分布磁場(chǎng)分布形貌變化不大，但是在數(shù)值上有較大的差異。其原因在于試件不同方向放置時(shí)，環(huán)境磁場(chǎng)He沿試件軸線方向分量會(huì)出現(xiàn)變化，影響了鐵磁試件的磁化狀態(tài)，導(dǎo)致泄漏到試件表面的感應(yīng)磁場(chǎng)HB發(fā)生變化，但由于無損傷區(qū)域磁導(dǎo)率分布相對(duì)比較均勻，試件自身感應(yīng)磁場(chǎng)HB沒有出現(xiàn)明顯的畸變，因此在不同放置方向下磁場(chǎng)整體分布形貌變化不大。

圖12和圖13分別為裂紋區(qū)域與應(yīng)力集中區(qū)域不同放置方向時(shí)檢測(cè)到的磁場(chǎng)切向信號(hào)分布。

圖12 試件不同放置方向下第1條跡線的磁場(chǎng)分布

從圖中可以看出，當(dāng)試件存在缺陷時(shí)，放置方向會(huì)對(duì)試件表面磁場(chǎng)由一定影響，但對(duì)裂紋區(qū)域磁場(chǎng)分布影響較大，對(duì)應(yīng)力集中缺陷區(qū)域的磁場(chǎng)分布影響很小。其原因主要在于試件有損傷缺陷時(shí)，測(cè)得的磁場(chǎng)分布形貌主要由試件自身漏磁場(chǎng)HB和缺陷區(qū)域的漏磁場(chǎng)Hp共同決定，無損傷區(qū)域的檢測(cè)結(jié)果說明放置方向會(huì)對(duì)HB有較大影響，由于裂紋缺陷出現(xiàn)了有限寬度的強(qiáng)斷裂面，試件在裂紋區(qū)域的磁導(dǎo)率急劇降低，試件自身感應(yīng)磁場(chǎng)HB會(huì)在裂紋缺陷區(qū)域出現(xiàn)畸變，進(jìn)而對(duì)試件表面磁場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響，但由于應(yīng)力集中缺陷區(qū)域的磁導(dǎo)率變化較為緩慢，所以試件自身漏磁場(chǎng)HB僅僅在應(yīng)力集中并且發(fā)生漏磁的地方有一定的改變。

如果將缺陷處應(yīng)力和外磁場(chǎng)共同作用磁化產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為磁記憶性質(zhì)磁場(chǎng)，而外磁場(chǎng)對(duì)試件磁化作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為漏磁性質(zhì)磁場(chǎng)，則缺陷區(qū)域的磁場(chǎng)分布形貌是由磁記憶性質(zhì)磁場(chǎng)和漏磁性質(zhì)磁場(chǎng)共同決定的。對(duì)于應(yīng)力集中缺陷而言，由于漏磁性質(zhì)磁場(chǎng)在應(yīng)力集中缺陷區(qū)域畸變較小，缺陷區(qū)域的磁場(chǎng)分布特征以磁記憶性質(zhì)磁場(chǎng)為主，試件放置方向?qū)z測(cè)信號(hào)分布形貌影響很?。粚?duì)于裂紋缺陷而言，由于出現(xiàn)了有限寬度的斷裂面，漏磁性質(zhì)磁場(chǎng)會(huì)在裂紋區(qū)域出現(xiàn)畸變，若應(yīng)力和外磁場(chǎng)共同作用引起的磁記憶性質(zhì)磁場(chǎng)遠(yuǎn)大于外磁場(chǎng)磁化引起的漏磁性質(zhì)磁場(chǎng)，則測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)還是以磁記憶性質(zhì)磁場(chǎng)信號(hào)為主，若應(yīng)力引起的磁化與外磁場(chǎng)磁化作用相似或者更小時(shí)，則不同放置方向時(shí)，試件磁化狀態(tài)發(fā)生變化，測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)整體分布形貌也會(huì)有發(fā)生較大變化。

4 結(jié)束語

本文通過研究分析不同試件放置時(shí)，不同類型缺陷區(qū)域的磁記憶檢測(cè)信號(hào)變化規(guī)律得出：環(huán)境磁場(chǎng)對(duì)金屬磁記憶檢測(cè)信號(hào)的影響是環(huán)境磁場(chǎng)（地磁場(chǎng)）、被測(cè)試件自身磁化狀態(tài)以及試件材料的磁特性（缺陷類型）共同作用的結(jié)果，被測(cè)試件不同放置方向時(shí)，測(cè)得的磁場(chǎng)信號(hào)不能簡(jiǎn)單認(rèn)為只是幅值上的整體漂移，其整體形貌也可能會(huì)發(fā)生一定變化。在工程檢測(cè)過程中，相對(duì)于被測(cè)試件的環(huán)境磁場(chǎng)需盡量保持不變。