張 穎，李 彬，周俊鵬，2，張盛瑀，高 晗

（1.東北石油大學(xué)，大慶 163318；2.大慶油田工程建設(shè)公司石油石化設(shè)備廠，大慶 163000）

隨著過程工業(yè)的發(fā)展，壓力容器呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢(shì)，高強(qiáng)鋼在壓力容器制造中的應(yīng)用也越來越廣泛［1］。高強(qiáng)鋼的冷裂敏感性會(huì)導(dǎo)致冷裂紋出現(xiàn)的可能性增加，而焊接冷裂紋的萌生與擴(kuò)展在時(shí)間上具有一定的延遲性，從而給安全帶來隱患，同時(shí)，也給檢測(cè)和預(yù)防帶來了困難。

傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法，只能對(duì)已經(jīng)形成的缺陷進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的早期損傷，尤其是尚未發(fā)展成形的不連續(xù)性變化，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、有效地檢測(cè)及評(píng)價(jià)，無法避免由此引發(fā)的各種事故［2］。磁記憶檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的無損檢測(cè)方法，不僅能夠檢測(cè)出材料塑性變形及宏觀裂紋，還能對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)和預(yù)報(bào)，因此在焊接冷裂紋的早期預(yù)測(cè)方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

筆者采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)，對(duì)15CrMoR鋼斜Y 型坡口焊接試件的冷裂紋進(jìn)行測(cè)試。通過分析焊接冷裂紋萌生與擴(kuò)展過程中焊縫表面磁記憶信號(hào)的變化，得到冷裂紋起裂位置和擴(kuò)展方向的磁記憶檢測(cè)及判別方法，初步揭示了冷裂紋磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律。

1 冷裂紋磁記憶檢測(cè)的原理和分析方法

1.1 冷裂紋形成機(jī)理及磁記憶檢測(cè)原理

冷裂紋的產(chǎn)生一般由焊縫氫含量、焊接應(yīng)力水平和淬硬組織三個(gè)因素共同作用。其中，焊接應(yīng)力是冷裂紋萌生和擴(kuò)展的直接因素。在焊接應(yīng)力的作用下，焊縫中的氫向缺陷處聚集，使組織脆化，應(yīng)力進(jìn)一步累積；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到一個(gè)門檻值時(shí)，潛在裂紋源開裂。裂紋出現(xiàn)后，會(huì)在裂紋尖端應(yīng)力的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋［3］。

這種焊接應(yīng)力的聚集和移動(dòng)可以利用金屬磁記憶方法檢測(cè)得到。金屬磁記憶檢測(cè)方法（Metal Magnetic Memory，MMM）是一種被動(dòng)的無損檢測(cè)方法，可檢測(cè)出被測(cè)對(duì)象上以應(yīng)力集中區(qū)為特征的危險(xiǎn)部位，是迄今為止對(duì)金屬部件進(jìn)行早期診斷的唯一行之有效的無損檢測(cè)方法［4］。因此，通過對(duì)焊縫及其熱影響區(qū)的磁記憶檢測(cè)，可以評(píng)定焊縫的應(yīng)力集中狀況［5］，了解整個(gè)焊接冷裂紋開裂過程應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而判斷出冷裂紋的起裂位置和擴(kuò)展方向。圖1是焊接冷裂紋磁記憶檢測(cè)原理圖。

圖1 焊接冷裂紋磁記憶檢測(cè)原理

1.2 冷裂紋應(yīng)力集中度的“分段最大K 值判別法”

金屬磁記憶檢測(cè)是一種弱磁信號(hào)檢測(cè)方法，檢測(cè)信號(hào)易受干擾，焊接過程中較高的溫度以及缺口效應(yīng)等因素會(huì)對(duì)磁記憶信號(hào)產(chǎn)生較大的影響，所以傳統(tǒng)的具體某一點(diǎn)的漏磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)變化情況并不能準(zhǔn)確反映冷裂紋產(chǎn)生過程中磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律。同時(shí)，冷裂紋磁記憶檢測(cè)針對(duì)的是應(yīng)力集中區(qū)，故以區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，觀察區(qū)域的漏磁場(chǎng)變化能更好地反映磁記憶信號(hào)變化。因此，提出采用“分段最大K值法”，即將試驗(yàn)焊縫平分為n段，分析每一小段焊縫表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量及其梯度K值的變化，進(jìn)而得到整條試驗(yàn)焊縫漏磁場(chǎng)的變化規(guī)律。K值的大小反映了該處漏磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化劇烈程度，K值越大，表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化越劇烈，應(yīng)力集中越明顯；K值越小，焊縫應(yīng)力集中水平越低。根據(jù)磁記憶檢測(cè)技術(shù)的基本原理可知，每段焊縫中最大應(yīng)力集中區(qū)對(duì)應(yīng)著漏磁場(chǎng)法向分量梯度值K的最大值。假設(shè)試驗(yàn)焊縫長(zhǎng)度為L(zhǎng)x，將其分為n段，每段N個(gè)點(diǎn)，則第i段j點(diǎn)的漏磁場(chǎng)法向分量梯度Kij和第i段焊縫最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度值Kmax，i分別為：

式中：Hpyij為第i段j點(diǎn)焊縫漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量；xi為第i段焊縫；Kmax，i為第i段焊縫最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度值。

2 斜Y型坡口焊接冷裂紋的磁記憶試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)覆臑?5CrMoR 鋼，有著很強(qiáng)的淬硬傾向，焊接時(shí)易產(chǎn)生冷裂紋。按照GB4675.1－1984《斜Y 型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定制作冷裂紋試驗(yàn)試板，如圖2所示。

圖2 斜Y 坡口試件尺寸示意

試驗(yàn)分為5組，每組2塊試件，共計(jì)10塊試件，組與組的試件之間取不同幾何參數(shù)（板厚、拘束焊縫長(zhǎng)度等），具體的試件尺寸及拘束長(zhǎng)度見表1所示。試件兩端各有一段事先焊接的拘束焊縫，構(gòu)成外加拘束力，中間部分為試驗(yàn)焊縫。試件水平放置，用未經(jīng)烘干的R307C焊條進(jìn)行焊接，采用直流焊機(jī)反接接線方式，焊接電壓為24V，焊接電流為130A，從左至右進(jìn)行焊接。試驗(yàn)選用TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測(cè)儀，采用雙通道探頭，檢測(cè)步長(zhǎng)設(shè)為1mm。

表1 五組試件的幾何尺寸 mm

2.2 試驗(yàn)過程

由于磁記憶檢測(cè)探頭有使用溫度的限制，因此，需待焊縫表面溫度冷卻到55 ℃以下后才能進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)方案，主要完成如下測(cè)試：

（1）進(jìn)行不同板厚試件的冷裂紋磁記憶測(cè)試試驗(yàn)，取1、2、3組試板，板厚依次為14、18、30mm，分別在焊后20、50、70、100、200、300、400、750、1000min時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

（2）進(jìn)行不同拘束長(zhǎng)度試件的冷裂紋磁記憶測(cè)試試驗(yàn)，取1、4、5組試板，板厚均為14mm，拘束長(zhǎng)度分別為50、80、100 mm，分別在焊后25、50、70、100、200、300、400、750、1000min進(jìn)行檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磁記憶信號(hào)的小波分解和重構(gòu)

由于檢測(cè)過程或周圍環(huán)境的干擾，通常有一些附加噪聲疊加在檢測(cè)信號(hào)上，以致信號(hào)產(chǎn)生畸變，使得表征焊縫中焊接冷裂紋的特征信號(hào)淹沒其中，給信號(hào)的識(shí)別帶來困難。因此，需要采用一定的信號(hào)處理技術(shù)，將有效信號(hào)提取出來。而小波變換是一種常用的信號(hào)分解和重構(gòu)方法，對(duì)于信號(hào)降噪有著很好的效果，故應(yīng)用廣泛。小波分析方法消噪的效果主要取決于閾值選擇和所采用的小波函數(shù)［6］。筆者在對(duì)比分析不同小波分析方法的基礎(chǔ)上使用非線性方法，選擇db4小波基，分解層數(shù)為4層，閾值選擇最優(yōu)預(yù)測(cè)變量閾值Heursure閾值，對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行處理，使有用信號(hào)得以有效分離。

圖3是1號(hào)試件小波處理前后表面漏磁場(chǎng)信號(hào)的對(duì)比圖。圖3（a）中由于測(cè)量噪聲及試件表面光潔度的影響，原始信號(hào)峰值毛刺較多，曲線出現(xiàn)震蕩，易導(dǎo)致對(duì)焊縫應(yīng)力集中區(qū)的誤判。而經(jīng)過降噪處理后的圖3（b），短促干擾信號(hào)和無意義的孤立野值點(diǎn)被剔除，曲線更為圓滑、平穩(wěn)。同時(shí)，以1號(hào)試件50min時(shí)段采集的信號(hào)曲線為例，繪制降噪前后磁記憶信號(hào)曲線梯度值的變化趨勢(shì)（圖4）。圖4（a）中由于有噪聲干擾，曲線上有較多的毛刺，毛刺的存在使Hp值出現(xiàn)突然性的增加，這種增加并不是由于焊縫應(yīng)力集中區(qū)而產(chǎn)生的，而是來源于噪聲信號(hào)的干擾；Hp值的突然變化會(huì)改變?cè)擖c(diǎn)附近梯度，使其發(fā)生失真，出現(xiàn)假值點(diǎn)，干擾應(yīng)力集中區(qū)的判斷。而圖4（b）中降噪后的曲線更加圓滑，野值點(diǎn)得到有效剔除，周圍的Hp值得到了很好的修正，此時(shí)由于Hp值發(fā)生變化，該點(diǎn)梯度值也必然會(huì)隨之發(fā)生變化；梯度值表征著焊縫的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其大小和位置的變化也就是應(yīng)力集中區(qū)的變化。因此，小波降噪前后x方向梯度的位置和大小發(fā)生變化的現(xiàn)象是合理的。

圖3 小波降噪前后試件表面Hpy 曲線

圖4 小波處理前后信號(hào)梯度

對(duì)比圖4（a）和（b）可看出，儀器自身配備的分析軟件能夠得到整條焊縫的Hp值和梯度值變化曲線，但對(duì)于焊接冷裂紋的前期預(yù)測(cè)而言，由于其本身檢測(cè)環(huán)境和冷裂紋產(chǎn)生機(jī)制的復(fù)雜性，使得其在檢測(cè)時(shí)易受噪聲信號(hào)的干擾，而導(dǎo)致信號(hào)局部失真；若使用原始信號(hào)進(jìn)行判斷，會(huì)造成應(yīng)力集中區(qū)的誤判，這也是筆者之所以采用小波降噪對(duì)磁記憶信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理的原因。經(jīng)小波變換后，原始信號(hào)中的無效部分會(huì)被剔除，小波降噪前后，試件表面漏磁場(chǎng)梯度值有了明顯的變化，削弱了原始信號(hào)中由于毛刺而引起的梯度值變化，使結(jié)果更加貼近于真實(shí)信號(hào)。由此可見，小波降噪能夠較好地保留信號(hào)的基本特征，有效降低噪聲信號(hào)的干擾，為后續(xù)“分段最大K值法”的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 不同板厚試件冷裂紋磁記憶測(cè)試結(jié)果分析

圖5所示為經(jīng)過小波降噪處理后的不同板厚試件表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量變化曲線，其中圖5（a）、（b）、（c）分別對(duì)應(yīng)厚度為14、18、30 mm 的三組試件。對(duì)比這三組試件的磁記憶信號(hào)，發(fā)現(xiàn)盡管每組試件本身固有的應(yīng)力狀態(tài)、內(nèi)部組織等條件各不相同，但磁記憶信號(hào)的整體走向和變化趨勢(shì)基本相同。三幅圖中只有1號(hào)試件出現(xiàn)過零值的現(xiàn)象，因此利用傳統(tǒng)的“Hpy過零點(diǎn)”方法無法對(duì)應(yīng)力集中部位進(jìn)行判斷。

圖5 不同板厚試件表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

圖6是試驗(yàn)焊縫分段最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度的變化曲線，橫坐標(biāo)表示將試驗(yàn)焊縫均分為10個(gè)區(qū)段，每段長(zhǎng)10 mm，縱坐標(biāo)為每個(gè)區(qū)段的最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三組試件的曲線有著各自不同的特征。圖6（a）是1號(hào)試件的Kmax，i－xi曲線，從圖中能夠看出，試驗(yàn)焊縫60～70 mm 段在20～50min內(nèi)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值出現(xiàn)了較大的突變。根據(jù)磁記憶檢測(cè)的基本原理，漏磁場(chǎng)強(qiáng)度值出現(xiàn)突變的位置即為應(yīng)力集中較大的部位，也就是裂紋出現(xiàn)的位置。由此可以推斷，1號(hào)試件在20～50min開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂點(diǎn)位于60～70mm 范圍內(nèi)。同時(shí)，觀察不同檢測(cè)時(shí)間同一段試驗(yàn)焊縫的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)檢測(cè)過程中，隨著時(shí)間的變化，試驗(yàn)焊縫的最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度梯度值Kmax，i在不斷地由60～70mm 段向左移動(dòng)（向焊接起始端移動(dòng)），整個(gè)變化過程與冷裂紋的開裂相吻合。由圖6（b）、（c）可以得到類似的結(jié)論，2號(hào)試件在20～50min時(shí)間段開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂位置位于60～70 mm段，3號(hào)試件在70～80mm 起裂。

圖6 不同板厚試件Kmax，i－xi 曲 線

3.3 不同拘束焊縫長(zhǎng)度試件冷裂紋磁記憶測(cè)試結(jié)果分析

1、4、5號(hào)試件板厚均為14mm，拘束焊縫長(zhǎng)度分別為50、80、100mm。分析如圖7中所示三組試件焊后不同冷卻時(shí)間漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量變化趨勢(shì)，可以發(fā)現(xiàn)：拘束長(zhǎng)度的改變對(duì)于試件表面漏磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)的影響很大，試件的磁記憶信號(hào)發(fā)生了一定規(guī)律的變化。但僅憑圖7不能直觀地得到焊縫表面漏磁場(chǎng)的變化情況，同時(shí)傳統(tǒng)意義上“應(yīng)力集中部位Hpy過零點(diǎn)”的現(xiàn)象并未出現(xiàn)，因此，無法對(duì)應(yīng)力集中區(qū)作出有效識(shí)別。

圖7 不同拘束長(zhǎng)度試板表面漏磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線

對(duì)比分析三組試件在不同時(shí)刻的Kmax，i－xi曲線（圖8），可以發(fā)現(xiàn)，盡管試件兩端拘束焊縫長(zhǎng)度有所不同，但三組試件磁記憶信號(hào)整體變化趨于一致。其中，圖8（b）是4號(hào)試件的Kmax，i－xi曲線，從圖中能夠看出，試驗(yàn)焊縫60～70mm 段在25～50min內(nèi)漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度出現(xiàn)了較大的突變。由磁記憶效應(yīng)可以推斷，4號(hào)試件在25～50min開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂點(diǎn)位于60～70 mm 范圍內(nèi)。同時(shí)，觀察不同檢測(cè)時(shí)間每段試驗(yàn)焊縫的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)檢測(cè)過程中，隨著時(shí)間的變化，試驗(yàn)焊縫的最大漏磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量梯度Kmax，i在不斷地由60～70 mm 段向左移動(dòng)，整個(gè)變化過程與冷裂紋的開裂擴(kuò)展過程相吻合。類似地，從圖8（c）可以判斷，5號(hào)試件在70～80mm 段最先出現(xiàn)漏磁場(chǎng)的劇烈變化，冷裂紋在此萌生并由此向左（焊接起始端）開始擴(kuò)展。

圖8 不同拘束長(zhǎng)度試件Kmax，i－xi 曲線

采用“分段最大K值判別法”得到了如表2所示的五組試件磁記憶檢測(cè)結(jié)果，表中列出了試驗(yàn)焊縫中焊接冷裂紋的起裂時(shí)間、起裂位置以及裂紋擴(kuò)展方向。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，五組試件焊接冷裂紋均在20～50min時(shí)間范圍內(nèi)開始出現(xiàn)，起裂位置位于60～80mm 區(qū)段，位于試件焊縫整體偏右的位置，即在焊縫末端開裂，這與焊接試板焊后的應(yīng)力分布狀況一致，即在焊縫末端應(yīng)力集中度較高。裂紋出現(xiàn)后，試驗(yàn)焊縫中應(yīng)力集中區(qū)在不斷移動(dòng)，對(duì)應(yīng)著拘束應(yīng)力作用下冷裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展方向從右至左，此時(shí)大量的微裂紋開始匯聚，直至形成一條清晰的主裂紋。由于磁記憶檢測(cè)探頭的使用溫度限制以及冷裂紋出現(xiàn)的瞬時(shí)性，采用磁記憶檢測(cè)方法難以得到冷裂紋萌生的具體時(shí)刻，無法判斷各組試件的冷裂紋出現(xiàn)的先后順序，具有一定的局限性。

表2 不同試件焊接冷裂紋磁記憶分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)焊接冷裂紋磁記憶檢測(cè)的特點(diǎn)，采用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行了降噪處理，有效去除了噪聲信號(hào)的干擾，提出了“分段最大K值判別法”，并依此對(duì)磁記憶結(jié)果進(jìn)行分析和處理。

（2）使用“分段最大K值判別法”分析發(fā)現(xiàn)，隨著焊后時(shí)間的不斷增加，試驗(yàn)焊縫的應(yīng)力狀況不斷變化。在試驗(yàn)焊縫應(yīng)力集中最大的施焊終端最先出現(xiàn)磁記憶信號(hào)的突變，裂紋在此處萌生，萌生后的裂紋從右至左逐漸擴(kuò)展成一條宏觀裂紋。

（3）板厚及拘束焊縫長(zhǎng)度對(duì)冷裂紋的磁記憶信號(hào)產(chǎn)生了一定的影響，但由于焊接過程的復(fù)雜性對(duì)于磁記憶信號(hào)的干擾，故其影響規(guī)律尚未明確，仍需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

［1］陳建俊.我國(guó)壓力容器制造技術(shù)發(fā)展方向的探討［C］∥第六屆全國(guó)壓力容器學(xué)術(shù)會(huì)議壓力容器先進(jìn)技術(shù)精選集.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：48－63.

［2］冷建成，劉揚(yáng)，周國(guó)強(qiáng)，等.鐵磁性材料早期損傷的磁無損檢測(cè)方法綜述［J］.化工機(jī)械，2013，40（2）：139－145.

［3］張?jiān)埽碓?，馬成勇，等.Q890高強(qiáng)鋼焊接淬硬傾向和冷裂紋敏感性［J］.焊接學(xué)報(bào)，2013，34（6）：53－58.

［4］任吉林，林俊明，任文堅(jiān).金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.無損檢測(cè)，2012，26（4）：570－574.

［5］邢海燕，楊文光，黃保富，等.基于磁記憶機(jī)理的焊縫疲勞累積損傷特征［J］.無損檢測(cè)，2012，26（3）：25－29.

［6］劉子龍，張軍，張新，等.小波分析在金屬磁記憶檢測(cè)套管故障中的研究［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，21（4）：372－376.