勵(lì)磁條件對(duì)Q235鋼磁聲發(fā)射信號(hào)的影響

何孝興，李志農(nóng)，吳明濤， 沈功田

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

鐵磁性金屬材料的使用性能和工藝性能優(yōu)異，廣泛應(yīng)用于鐵路軌道、游樂設(shè)施、橋梁等工程領(lǐng)域。其在長(zhǎng)期使用過程中受重復(fù)載荷作用，容易發(fā)生疲勞失效，進(jìn)而引發(fā)重大事故。疲勞失效是鐵磁性金屬構(gòu)件的主要失效方式之一，許多文獻(xiàn)和著作都表明疲勞引起的結(jié)構(gòu)失效占鐵磁性金屬材料機(jī)械失效的50%～90%[1]。由于疲勞失效是突發(fā)性的，鐵磁性金屬材料在疲勞失效之前的物理特征常不會(huì)出現(xiàn)明顯變化，疲勞失效引發(fā)的事故往往是突發(fā)性的、致命性的、災(zāi)難性。因此，為了防止鐵磁性金屬材料因疲勞而損壞，對(duì)其早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行無損檢測(cè)和評(píng)估是非常重要的。

目前常規(guī)的無損檢測(cè)方法有許多種，其中超聲檢測(cè)方法對(duì)于物體內(nèi)部的面積型缺陷較為敏感，陳振華等[2]利用超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)微小型片層缺陷進(jìn)行研究，提出使用超聲非線性區(qū)域技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的方法，獲得較好的檢測(cè)效果。射線檢測(cè)對(duì)物體內(nèi)部的體積型缺陷較為敏感。馮鳴[3]利用數(shù)字X射線成像系統(tǒng)對(duì)圓柱形鋁合金鑄件的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，其改進(jìn)了一種圖像算法，使得評(píng)片人員能更好地分析鑄件內(nèi)部缺陷的信息，提升了工作效率和評(píng)片質(zhì)量。渦流和滲透兩種方法是對(duì)物體表面及近表面損傷進(jìn)行檢測(cè)的方法。曹俊平等[4]利用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓電纜鉛封裂紋缺陷進(jìn)行研究，通過仿真技術(shù)驗(yàn)證了渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)高壓電纜接頭鉛封狀態(tài)下宏觀裂紋的檢測(cè)可行性。王齊勝等[5]基于聲發(fā)射檢測(cè)方法，對(duì)非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊焊縫的熔透狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，有效區(qū)分了未熔透、臨界熔透和過熔透3種狀態(tài)。江海軍等[6]基于紅外檢測(cè)技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)對(duì)碳纖維蜂窩結(jié)構(gòu)內(nèi)部的宏觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并取得一定成效；張金等[7]應(yīng)用電磁超聲檢測(cè)方法對(duì)大口徑火炮管內(nèi)膛裂紋進(jìn)行檢測(cè)，克服了一些傳統(tǒng)方法要求被檢表面清潔度高的缺點(diǎn)，可以遠(yuǎn)距離對(duì)表面及近表面缺陷進(jìn)行高效檢測(cè)。常俊杰等[8]利用空氣耦合超聲檢測(cè)方法對(duì)金屬/非金屬結(jié)構(gòu)的脫黏缺陷進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了缺陷的快速定位，獲得了較好的檢測(cè)效果。

上述幾種傳統(tǒng)及新興無損檢測(cè)方法都是對(duì)被檢物體存在的宏觀缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而無法對(duì)被檢物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織的細(xì)微變化進(jìn)行檢測(cè)，更不能對(duì)被檢物體的早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行無損檢測(cè)與質(zhì)量評(píng)估。文章利用磁聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)鐵磁性金屬材料的早期疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，研究了勵(lì)磁條件對(duì)磁聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)的影響。

1 磁聲發(fā)射檢測(cè)方法簡(jiǎn)介

磁聲發(fā)射(MAE)檢測(cè)技術(shù)是結(jié)合巴克豪森效應(yīng)(MBN)和聲發(fā)射(AE)檢測(cè)技術(shù)的一種無損評(píng)價(jià)方法[9]。在無磁場(chǎng)狀態(tài)下，鐵磁性金屬材料內(nèi)部存在各個(gè)方向的磁疇，使得材料對(duì)外不表現(xiàn)磁性，對(duì)其施加外部磁場(chǎng)時(shí)，在外加磁場(chǎng)的作用下，被激勵(lì)材料內(nèi)部雜亂無章的磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致內(nèi)部磁疇壁發(fā)生湮滅現(xiàn)象，這種現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)釋放出一種彈性波，該彈性波就是試驗(yàn)收集的超聲波信號(hào)，即MAE信號(hào)[10-12]。JILES[9]對(duì)鐵磁性金屬材料的MAE檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行研究，證明了鐵磁性金屬材料的應(yīng)力變形及其微觀組織的變化均能用MAE信號(hào)的強(qiáng)度表征。

徐約黃等[13]對(duì)45鋼、硅鋼以及不同材料的純鐵進(jìn)行了磁聲發(fā)射研究，發(fā)現(xiàn)磁聲發(fā)射對(duì)材料所受的應(yīng)力極為敏感；穆向榮等[14]、王威等[15]、王金鳳等[16]研究了鐵磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形對(duì)磁聲發(fā)射的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力狀態(tài)和塑性變形的改變會(huì)導(dǎo)致磁聲發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)一定規(guī)律的改變；杜鳳牧等[17]研究了幾種材料的硅鋼在不同形變量下MAE信號(hào)的變化情況，發(fā)現(xiàn)MAE信號(hào)強(qiáng)度隨形變量的增大而減弱；侯炳麟等[18]對(duì)軌鋼樣品進(jìn)行MAE檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)可根據(jù)MAE信號(hào)來估測(cè)材料的損傷程度與剩余壽命。

相較于幾種傳統(tǒng)的只能檢測(cè)宏觀缺陷的無損檢測(cè)方法，MAE技術(shù)在鐵磁性金屬材料的疲勞損傷、塑性變形及應(yīng)力檢測(cè)等方面展現(xiàn)出極大的潛力。

由于對(duì)MAE檢測(cè)法的研究較晚，其并不如傳統(tǒng)無損檢測(cè)方法成熟。MAE信號(hào)的幅值較低，在工程應(yīng)用中，容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾。因此，尋找合適的MAE信號(hào)對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的。MAE信號(hào)的影響因素眾多，如勵(lì)磁波形、頻率以及電壓等。為使MAE檢測(cè)方法對(duì)材料的檢測(cè)更加有效、可信，文章以Q235鋼為例，對(duì)影響MAE信號(hào)的勵(lì)磁頻率、電壓以及波形等3個(gè)影響因素進(jìn)行研究，以確定合適的MAE檢測(cè)參數(shù)。

2 MAE檢測(cè)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)研制的MAE信號(hào)檢測(cè)裝置[19]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。Q235鋼試樣的結(jié)構(gòu)如圖2所示，試樣厚度為8 mm。試驗(yàn)所用聲發(fā)射儀的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。試驗(yàn)通過導(dǎo)磁膠把磁軛兩極和Q235試樣緊緊相連。

圖1 MAE信號(hào)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 Q235鋼試樣結(jié)構(gòu)示意

表1 聲發(fā)射儀的主要參數(shù)設(shè)置

2.1 勵(lì)磁電壓對(duì)MAE信號(hào)的影響

試驗(yàn)采用單一變量法研究勵(lì)磁電壓對(duì)MAE信號(hào)的影響。采用勵(lì)磁頻率為10 Hz，波形為正弦波的勵(lì)磁信號(hào)對(duì)圖2所示的Q235鋼試樣進(jìn)行勵(lì)磁，得到不同勵(lì)磁電壓下的MAE信號(hào)波形及頻譜(見圖3)。勵(lì)磁電壓與濾波后時(shí)域波形面積的關(guān)系如圖4所示；勵(lì)磁電壓與信號(hào)均方根值的關(guān)系如圖5所示。

圖3 不同勵(lì)磁電壓下Q235鋼試樣的MAE信號(hào)波形及頻譜

圖4 勵(lì)磁電壓與濾波后時(shí)域波形面積的關(guān)系

圖5 勵(lì)磁電壓與電壓均方根的關(guān)系

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在勵(lì)磁電壓不斷增加的情況下，MAE信號(hào)幅值和電壓的均方根等MAE信號(hào)特征均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。分析認(rèn)為勵(lì)磁電壓的變化導(dǎo)致被檢材料內(nèi)部的磁疇發(fā)生變化，在勵(lì)磁電壓較小的情況下，材料內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，隨著勵(lì)磁電壓不斷增大，材料內(nèi)部發(fā)生移動(dòng)的磁疇壁數(shù)量也會(huì)逐漸增加，由此產(chǎn)生的MAE信號(hào)也就不斷增強(qiáng)。僅在勵(lì)磁電壓改變的情況下，MAE信號(hào)的變化趨勢(shì)總是同勵(lì)磁電壓的變化趨勢(shì)一致，即勵(lì)磁電壓增大，MAE信號(hào)也增強(qiáng)。在一個(gè)勵(lì)磁周期內(nèi)，若磁感應(yīng)強(qiáng)度快速變化，則意味著單位時(shí)間內(nèi)材料內(nèi)部磁疇的偏轉(zhuǎn)劇烈，使得磁疇壁移動(dòng)的數(shù)量增加，產(chǎn)生的MAE信號(hào)也增強(qiáng)。

對(duì)于鐵磁性金屬材料Q235鋼而言，在勵(lì)磁電壓不斷增大的情況下，磁場(chǎng)強(qiáng)度也會(huì)逐漸增大，材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)的數(shù)量就越多，同時(shí)磁疇壁的產(chǎn)生和湮滅現(xiàn)象增多，使得MAE信號(hào)強(qiáng)度不斷增大。

2.2 勵(lì)磁頻率對(duì)MAE信號(hào)的影響

試驗(yàn)研究在勵(lì)磁電壓為1.0，2.0，3.0 V時(shí)，不同勵(lì)磁頻率下MAE信號(hào)的變化。不同電壓下勵(lì)磁頻率與濾波后時(shí)域波形面積的關(guān)系如圖6所示；不同電壓下勵(lì)磁頻率與電壓均方根的關(guān)系如圖7所示。

圖6 不同電壓下勵(lì)磁頻率與濾波后時(shí)域波形面積的關(guān)系

圖7 不同電壓下勵(lì)磁頻率與電壓均方根的關(guān)系

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在勵(lì)磁頻率不斷變大的情況下，材料內(nèi)部各個(gè)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的磁疇數(shù)量增加，即在單位時(shí)間內(nèi)磁疇壁的產(chǎn)生或湮滅增多，MAE信號(hào)得到增強(qiáng)，但由于勵(lì)磁器中勵(lì)磁線圈的存在，頻率增大時(shí)其感抗增大，勵(lì)磁電流減小，磁化強(qiáng)度減弱，參與磁疇結(jié)構(gòu)變化的磁疇數(shù)量減少，MAE信號(hào)也就減弱。上述兩種因素共同作用，一增一減，最終導(dǎo)致MAE信號(hào)強(qiáng)度、單位時(shí)間內(nèi)包絡(luò)的面積等信號(hào)特征呈先增大后減小的趨勢(shì)。這表明勵(lì)磁頻率的大小與MAE信號(hào)關(guān)系密切，是MAE信號(hào)的重要影響因素。

2.3 勵(lì)磁波形對(duì)MAE信號(hào)的影響

由前文對(duì)兩個(gè)因素的研究可以發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁電壓和頻率都是MAE信號(hào)的影響因素，其關(guān)系著MAE信號(hào)的信噪比和強(qiáng)度，而勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁頻率相互制約，在線圈的作用下頻率增大勵(lì)磁強(qiáng)度減小。若以上升速率和下降速率不對(duì)稱的波形進(jìn)行勵(lì)磁，由于磁感應(yīng)強(qiáng)度連續(xù)變化，能夠獲得同時(shí)滿足高磁感應(yīng)強(qiáng)度和高勵(lì)磁頻率的信號(hào)。因此，分別用不同對(duì)稱性(S)的三角波和不同占空比(D)的方波(見圖8,9)作為Q235鋼試樣的激勵(lì)源，分析不同激勵(lì)源波形對(duì)MAE信號(hào)特征的影響。

圖8 三角波波形示意

圖9 方波波形示意

圖10 不同三角波及方波勵(lì)磁所得的MAE信號(hào)波形及其頻譜

試驗(yàn)選定勵(lì)磁頻率為10 Hz，勵(lì)磁電壓為3.0 V。不同三角波及方波勵(lì)磁所得的MAE信號(hào)波形及其頻譜如圖10所示。采集到的MAE信號(hào)經(jīng)20～500 kHz帶通濾波后，得到波形的對(duì)稱性(或占空比)與時(shí)域波形面積的關(guān)系如圖11所示，波形的對(duì)稱性(或占空比)與電壓均方根的關(guān)系如圖12所示。

圖11 波形的對(duì)稱性(或占空比)與時(shí)域波形面積的關(guān)系

由圖10可知，選用S為50%的三角波和D為50%的方波作為勵(lì)磁源時(shí)，在勵(lì)磁周期內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)周期為半個(gè)勵(lì)磁周期的MAE信號(hào)，且這兩個(gè)信號(hào)的幅值及包絡(luò)形狀均較為相似。當(dāng)選用S為25%和75%的三角波作為勵(lì)磁源時(shí)，在勵(lì)磁周期內(nèi)也同樣出現(xiàn)兩個(gè)MAE信號(hào)，但這兩個(gè)信號(hào)的幅度和包絡(luò)形狀是不完全相同的。用不同占空比的方波作激勵(lì)源時(shí)，在勵(lì)磁周期內(nèi)同樣可以得到兩個(gè)MAE信號(hào)，并且這兩個(gè)信號(hào)的波形特征基本相同，二者出現(xiàn)在時(shí)間軸上的位置與占空比相對(duì)應(yīng)。對(duì)比不同對(duì)稱性和不同占空比的方波所得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相同勵(lì)磁條件下，不同對(duì)稱性的三角波波形作激勵(lì)源對(duì)MAE信號(hào)濾波后的時(shí)域波形面積和電壓均方根的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方波波形作激勵(lì)源對(duì)MAE信號(hào)濾波后的時(shí)域波形面積和電壓均方根的影響，并且由三角波激勵(lì)產(chǎn)生的MAE信號(hào)分布較廣泛，主要頻段為20～500 kHz，而方波激勵(lì)產(chǎn)生的MAE信號(hào)就比較集中地分布于20～200 kHz，且在某幾個(gè)點(diǎn)特別集中。

由圖12，13可以看出，采用三角波波形進(jìn)行勵(lì)磁時(shí)，無論其占空比如何，實(shí)際檢測(cè)的MAE信號(hào)濾波后的時(shí)域波形面積以及電壓均方根均變化不大，即可以認(rèn)為三角波波形對(duì)MAE信號(hào)幾乎沒有影響。不同占空比的方波波形作激勵(lì)源會(huì)影響MAE信號(hào)的電壓均方根以及濾波后時(shí)域波形的面積，當(dāng)方波的占空比為50%時(shí)，MAE信號(hào)濾波后的時(shí)域波形面積和電壓均方根均處于最大值。

圖12 波形的對(duì)稱性(或占空比)與電壓均方根的關(guān)系

由上述分析可知，在其他勵(lì)磁條件相同的條件下，選用方波作為激勵(lì)源比選用三角波作為激勵(lì)源產(chǎn)生的MAE信號(hào)更明顯，而對(duì)不同占空比的方波而言，選用D為50%的方波波形進(jìn)行勵(lì)磁所得的MAE信號(hào)特征更明顯。

3 結(jié)論

(1) 從MAE信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理及試驗(yàn)驗(yàn)證分析，勵(lì)磁電壓不斷增大的情況下，MAE信號(hào)的幅值和電壓均方根等信號(hào)特征逐漸增大，且材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，材料內(nèi)部磁疇偏轉(zhuǎn)的數(shù)量及幅度增大，即發(fā)生移動(dòng)的磁疇壁增多，產(chǎn)生的MAE信號(hào)也增強(qiáng)。

(2) 勵(lì)磁頻率不斷增大導(dǎo)致線圈感抗增大，使勵(lì)磁電流不斷減小，材料磁化強(qiáng)度減弱，而在單位時(shí)間內(nèi)材料內(nèi)部偏轉(zhuǎn)的磁疇數(shù)目增大，即移動(dòng)、產(chǎn)生或湮滅的磁疇壁增多，使MAE信號(hào)增強(qiáng)。這兩種效果共同作用，使得產(chǎn)生的MAE信號(hào)的強(qiáng)度、單位時(shí)間內(nèi)包絡(luò)面積等信號(hào)特征呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

(3) 不同對(duì)稱性的三角波波形作激勵(lì)源對(duì)MAE信號(hào)的產(chǎn)生幾乎沒有影響；而采用不同占空比的方波波形作激勵(lì)源時(shí)，MAE信號(hào)會(huì)有明顯的變化，占空比為50%的方波波形作為激勵(lì)源時(shí)，MAE信號(hào)的特征更明顯。