鞏建華 丁克勤 王洪柱 陳 力

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

?

一種焊接殘余應(yīng)力磁測(cè)儀靈敏度系數(shù)標(biāo)定的新方法*

鞏建華1,2丁克勤2王洪柱2陳 力2

(1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

焊接殘余應(yīng)力的磁測(cè)法是近年來(lái)發(fā)展的一種新方法，研制的九極傳感器磁測(cè)儀已經(jīng)通過(guò)單向和雙向加載方式標(biāo)定了不同材料的靈敏系數(shù)值。根據(jù)等強(qiáng)度梁整個(gè)橫截面所受應(yīng)力值相等這一理論，提出了一種新的靈敏度系數(shù)標(biāo)定方法，將傳感器固定在等強(qiáng)度梁上，在不同應(yīng)力情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將標(biāo)定好的K值寫入程序，直接在儀器上讀取應(yīng)力值，驗(yàn)證焊接殘余應(yīng)力磁測(cè)儀的可行性，使得磁測(cè)法檢測(cè)殘余應(yīng)力更直接、合理、快捷、方便。

殘余應(yīng)力；靈敏度系數(shù)標(biāo)定；等強(qiáng)度梁

0 引言

鋼鐵及其合金等鐵磁性材料已被加工制造成許多機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵部件，在焊接過(guò)程中，由于熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、加工應(yīng)力等超過(guò)屈服極限，以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力，而且這些設(shè)備長(zhǎng)期在高溫、高速、高載的條件下工作，很可能發(fā)生變形、產(chǎn)生裂紋，甚至造成巨大的損失，產(chǎn)生災(zāi)難性后果。因此，若能及時(shí)對(duì)這些焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，了解焊接殘余應(yīng)力[1-2]的大小及分布規(guī)律，一方面可以為后續(xù)的消除殘余應(yīng)力技術(shù)方案提供可靠的科學(xué)依據(jù)；另一方面對(duì)消除殘余應(yīng)力工藝后的焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，可掌握焊縫的應(yīng)力重分布情況，明確處理后的效果，對(duì)提高焊縫的疲勞強(qiáng)度、保證構(gòu)件的制作質(zhì)量、滿足結(jié)構(gòu)的受力安全、保障設(shè)備可靠運(yùn)行及人身安全有著重要的意義。

本文所用的磁各異性九探頭殘余應(yīng)力磁測(cè)儀是一種高效、簡(jiǎn)單的檢測(cè)儀器，具有工程應(yīng)用價(jià)值，標(biāo)定好該儀器的靈敏度系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中十分必要，因此，提出一種新的方法，在等強(qiáng)度梁上進(jìn)行靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

1 磁測(cè)法原理

1.1 磁測(cè)儀設(shè)計(jì)原理

本文所用的磁各向異性九探頭殘余應(yīng)力磁測(cè)儀是根據(jù)磁測(cè)法[3]這一無(wú)損檢測(cè)方法研制的，基于鐵磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)，即鐵磁性材料在磁化時(shí)會(huì)發(fā)生尺寸變化；反過(guò)來(lái)鐵磁體在應(yīng)力作用下其磁化狀態(tài)(導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等)也會(huì)發(fā)生變化，因此通過(guò)測(cè)量磁性變化可以測(cè)定鐵磁材料中的應(yīng)力。當(dāng)試樣內(nèi)存在殘余應(yīng)力時(shí)，也會(huì)使磁疇的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向均受阻而使磁化率減小，產(chǎn)生磁彈性現(xiàn)象。

1.2 傳感器設(shè)計(jì)思路

該磁測(cè)儀所用傳感器使用了一種九足磁測(cè)傳感器，該傳感器早在20世紀(jì)80年代一些學(xué)者已經(jīng)研究提出構(gòu)想[4-5]，但因其易受到外界干擾，尚未得到實(shí)際應(yīng)用。后來(lái)丁克勤、殷少華[6-7]等學(xué)者借鑒國(guó)內(nèi)外傳感器研制技術(shù)，自主研發(fā)了一種新型九極傳感器，其磁測(cè)應(yīng)力的思路與四探頭相同，只是在得到主應(yīng)力差(σ1-σ2)及主應(yīng)力角時(shí)，探頭不需要旋轉(zhuǎn)，九極傳感器中間極為激磁繞組，圓周八個(gè)極為感應(yīng)繞組。九極磁測(cè)殘余應(yīng)力探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 九極磁測(cè)殘余應(yīng)力探頭結(jié)構(gòu)圖

傳感器腳①及腳⑤的線圈正向連接，腳③及腳⑦的線圈正向連接，①⑤③⑦組成差動(dòng)連接，②④⑥⑧也為差動(dòng)連接。當(dāng)被測(cè)材料中沒(méi)有殘余應(yīng)力時(shí)，八個(gè)極處在等磁位點(diǎn)上，此時(shí)輸出電壓為零；當(dāng)被測(cè)材料有殘余應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力會(huì)使被測(cè)材料的各個(gè)方向的磁導(dǎo)率不一致，即產(chǎn)生了磁滯各向異性，各極所處的磁位不同，則通過(guò)各磁極的磁通就不一致，輸出電壓不為零。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，它相當(dāng)于①③⑤⑦極構(gòu)成一個(gè)四探頭傳感器[8]，測(cè)量探頭與X軸成0°的磁信號(hào)與應(yīng)力差的關(guān)系：

U0=K(σ1-σ2)cos2φ

(1)

②④⑥⑧極構(gòu)成另一個(gè)四極傳感器，測(cè)量探頭與X軸成45°方向的磁信號(hào)[9]與應(yīng)力差的關(guān)系：

U45=K(σ1-σ2)cos[2(φ+45)]

(2)

根據(jù)應(yīng)力差σ1-σ2及φ與磁信號(hào)U0、U45的關(guān)系，可得到：

(3)

(4)

九極探頭最大的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量時(shí)不需要旋轉(zhuǎn)，根據(jù)資料顯示和實(shí)際測(cè)量可知，探頭在最大或最小主應(yīng)力方向時(shí)，磁導(dǎo)率的變化率很小，即使借助探頭定位器，也很難分別出微小的變化，而且測(cè)量誤差一般都在±5°左右，而九極探頭可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 儀器介紹

磁各異性九探頭殘余應(yīng)力磁測(cè)儀是由九極傳感器、激勵(lì)產(chǎn)生裝置、信號(hào)采集模塊及供電模塊等組成，其設(shè)計(jì)測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 磁測(cè)儀的測(cè)量原理

該磁測(cè)儀實(shí)物圖片見(jiàn)圖3，它的中央處理單元為嵌入式ARM9，采用液晶屏進(jìn)行顯示，這樣能使測(cè)量值更直觀地顯示在用戶面前，直觀地讀取應(yīng)力值和主應(yīng)力角，還能方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。為使磁測(cè)儀能顯示出被測(cè)對(duì)象精確的應(yīng)力值，要求該儀器的殘余應(yīng)力測(cè)量誤差不超過(guò)±20MPa；靈敏度為1MPa，則標(biāo)定好精確的靈敏度系數(shù)是十分必要的。

圖3 磁測(cè)儀實(shí)物

2.2 等強(qiáng)度懸臂梁介紹

本實(shí)驗(yàn)選用一種新的靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將傳感器固定在等強(qiáng)度梁上進(jìn)行標(biāo)定。等強(qiáng)度梁即整個(gè)梁的橫截面上的最大正應(yīng)力相等，并均達(dá)到材料的許用應(yīng)力，等強(qiáng)度梁為懸臂梁式如圖4。

圖4 等強(qiáng)度懸臂梁

當(dāng)懸臂梁上加一個(gè)載荷時(shí)，距加載點(diǎn)x距離的斷面上彎矩為：

Mx=P·x

(5)

相應(yīng)斷面上的最大應(yīng)力為：

(6)

(7)

(8)

式中：W為抗彎斷面模量；斷面為矩形，bx為寬度，h為厚度。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們?cè)诘葟?qiáng)度梁上找一點(diǎn)，測(cè)得x=163mm，bx=45.5mm，h=5mm，將傳感器的中間極—激勵(lì)極對(duì)準(zhǔn)梁的中間位置，用固定卡將其固定在等強(qiáng)度梁上，用兩個(gè)萬(wàn)用表分別連接在電路板電壓信號(hào)0°、45°信號(hào)的輸出端進(jìn)行電壓信號(hào)測(cè)量，將不同質(zhì)量的鐵塊懸掛在等強(qiáng)度梁的載重端使其發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，利用磁各向異性原理通過(guò)傳感器來(lái)感應(yīng)等強(qiáng)度梁橫截面上的應(yīng)力變化，從而根據(jù)應(yīng)力與電壓的關(guān)系來(lái)標(biāo)定靈敏度系數(shù)。

第一組實(shí)驗(yàn)將九極傳感器固定在等強(qiáng)度梁上，分別加載不同的載荷，讀取其輸出電壓信號(hào)，再與所加載載荷對(duì)等強(qiáng)度梁產(chǎn)生的應(yīng)力值對(duì)應(yīng)，由式(3)得所標(biāo)定的靈敏度系數(shù)K為：

K=ΔV/σ

(9)

(10)

儀器設(shè)置了0°、45°的電壓值采取選項(xiàng)，分別用V1、V2表示加載時(shí)0°、45°電壓，V10、V20表示加載前儀器所示電壓值，ΔV1、ΔV2代表加載后電壓與加載前電壓的差值。在等強(qiáng)度懸臂梁上加載不同載荷，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表1，通過(guò)篩選有效數(shù)值，用最小二乘法對(duì)電壓與應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行擬合見(jiàn)圖5。

表1K值標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(備注：加載前，V10=2.49V,V20=2.47V)

圖5 電壓與應(yīng)力的最小二乘擬合

用最小二乘法進(jìn)行二次擬合得到所需標(biāo)定的K值，計(jì)算K值為6.7255，此實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量，驗(yàn)證所標(biāo)定K的準(zhǔn)確度，將標(biāo)定好的K值寫入ARM程序，直接在儀器中讀取應(yīng)力值。為驗(yàn)證儀器是否達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，我們進(jìn)行了第二組實(shí)驗(yàn)。

第二組實(shí)驗(yàn)是將標(biāo)定好的K值寫入程序，分別在等強(qiáng)度梁上加載與第一組實(shí)驗(yàn)所加載相同的載荷，用儀器讀取應(yīng)力值和我們實(shí)際加載的載荷相比，來(lái)驗(yàn)證儀器的可行性及準(zhǔn)確度。記錄數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制最小二乘法擬合直線及應(yīng)力曲線圖見(jiàn)圖6。

表2 應(yīng)力值驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(備注：加載前，V10=2.49V,V20=2.50V)

圖6 應(yīng)力曲線的比較

通過(guò)第二組實(shí)驗(yàn)可以看出，用儀器所測(cè)得的應(yīng)力值與我們所加載的實(shí)際應(yīng)力值相差不大，由于平時(shí)所需檢測(cè)的管道、球罐等焊縫的殘余應(yīng)力值很大，所以我們儀器設(shè)計(jì)的最大誤差不超過(guò)±20MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的差值沒(méi)有超過(guò)儀器的最大誤差值，可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖中看出，測(cè)量的磁信號(hào)與所加載的應(yīng)力值基本符合線性關(guān)系，驗(yàn)證了理論的可行性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出用等強(qiáng)度梁可以進(jìn)行靈敏度系數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)， 通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)得的磁信號(hào)與應(yīng)力值符合線性關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)磁測(cè)儀能實(shí)時(shí)、快速、方便地讀取應(yīng)力值、各個(gè)方向磁信號(hào)的輸出信號(hào)與主方向角的偏差值，且測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在儀器設(shè)計(jì)的誤差范圍內(nèi)，得出自主研發(fā)的磁各向異性九探頭殘余應(yīng)力磁測(cè)儀符合理論要求，驗(yàn)證了用磁測(cè)法來(lái)設(shè)計(jì)該儀器是可行的。

[1] 王振山，劉樹(shù)橋.焊接小容器殘余應(yīng)力的磁性法測(cè)定[J].石化工煉油機(jī)械，1982，(6):8-16

[2] Kashiwaya K，Sakamoto H，Inoue Y．Residual stress measurement of induction hardened axle using magnetic sensor[J].Journal of NDI(in Japanese)，1987，36(12):894-900

[3] 趙國(guó)君.磁測(cè)應(yīng)力技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].黑龍江科技信息,2007(22):59

[4] 磯野敏雄,安福精一.九腳磁気プ口一ブによる殘留応力測(cè)定.非破壊検査,1988(38):253-256

[5] 謝大吉.磁各向異性探頭法檢測(cè)殘余應(yīng)力的一種新模型[J].工程力學(xué)刊,1997,263-267

[6] 殷少華.球罐焊接殘余應(yīng)力的磁測(cè)儀器設(shè)計(jì)[C].2011遠(yuǎn)東無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)論壇論文集.杭州,2011:307-311

[7] 丁克勤,趙洲,陳平,王洪柱.磁各向異性九探頭焊接殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究[C].北京力學(xué)會(huì)第18屆學(xué)術(shù)年會(huì),2012

[9] Haishun Liu,Chaochao Dun,Linming Dou,Weiming Yang.Theoretical analysis of magnetic senor output voltage [J].Journal of Magnetism and Materials,2011(323):1667-1670

*質(zhì)檢總局科技計(jì)劃應(yīng)用技術(shù)研究類項(xiàng)目(編號(hào)：T2014-CSEI-0005)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.06