劉驊毅　徐垚　金漢霄　錢昊　楊超林　錢正春

摘? 要：對(duì)再制造毛坯的損傷程度開展無損檢測(cè)評(píng)估具有重要意義，直接影響后續(xù)的再制造工藝制定與修復(fù)質(zhì)量。文章基于金屬磁記憶無損檢測(cè)技術(shù)，提出了一種剩磁掃描方法，可以將再制造毛坯傷周圍的剩磁信號(hào)分布換成更加直觀的二維圖像。剩磁掃描檢測(cè)結(jié)果表明，損傷周圍的剩余磁場(chǎng)畸變程度會(huì)隨著缺陷尺寸的增大而增大；孔狀缺陷附近的磁場(chǎng)梯度脊線呈45°相交，通過對(duì)鉆頭切削的受力分析，表明鉆孔過程中材料的位錯(cuò)滑移帶及其殘余應(yīng)力主要沿著45°方向分布；通過設(shè)置閾值，可以從分布圖中提取出剩磁信號(hào)較高的區(qū)域輪廓。經(jīng)計(jì)算，剩磁信號(hào)大于閾值的區(qū)域尺寸與實(shí)際損傷尺寸誤差不超過10%。

關(guān)鍵詞：再制造毛坯；損傷程度；金屬磁記憶；剩磁掃描；可視化

中圖分類號(hào)：TP391.4? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）20-0121-05

Visualization Research on Residual Magnetic Signals Distribution around Remanufacturing Blank Damage

LIU Huayi， XU Yao， JIN Hanxiao， QIAN Hao， YANG Chaolin， QIAN Zhengchun

（School of Mechanical Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing? 211167， China）

Abstract： Non-destructive testing and evaluation on the damage degree of remanufacturing blank is of great significance to the remanufacturing process， which directly affects the repairing process design and repair quality. In this paper， a residual magnetic scanning method based on the non-destructive testing technology of metal magnetic memory is proposed to transform the distribution state of remanufacturing blank damage to the two-dimensional images. The residual magnetic scanning testing results show that the distortion degree of residual magnetic field around the damage increases with the increase in defect size. The ridge lines of residual magnetic field gradient around the hole defect intersect at an angle of 45 degrees. Based on the force analysis of drilling， it is found that the dislocation slip and the residual stress distribute along the direction of 45 degrees during the drilling process. The profile of region outline with a higher residual magnetic signal can be extracted from the distribution map by setting the thresholds. After calculation， the error between the region size that the residual magnetic signal is greater than the threshold and actual damage signal is not more than 10%.

Keywords： remanufacturing blank; damage degree; metal magnetic memory; residual magnetic scanning; visualization

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)機(jī)械裝備保有量持續(xù)走高，未來將有大量的機(jī)械裝備面臨報(bào)廢淘汰或性能升級(jí)，在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略作用引領(lǐng)下，整個(gè)市場(chǎng)將具備極大的再制造需求[1]。完整的再制造流程主要包括回收、拆解、清洗、檢測(cè)、修復(fù)等環(huán)節(jié)，其中對(duì)再制造毛坯開展無損檢測(cè)與評(píng)價(jià)是決定后續(xù)再制造加工過程的基礎(chǔ)和保障，因此檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響了再制造產(chǎn)品的質(zhì)量。目前常見的無損檢測(cè)方法有滲透、漏磁、渦流、超聲、射線、機(jī)器視覺等[2，3]，其中滲透檢測(cè)、機(jī)器視覺只能識(shí)別表面缺陷，無法對(duì)殘余應(yīng)力和塑性變形進(jìn)行有效評(píng)價(jià)；漏磁、渦流和超聲檢測(cè)則需要配備額外的電磁場(chǎng)或聲場(chǎng)激發(fā)裝置，且傳感器探頭體積較大，導(dǎo)致分辨率不高；射線檢測(cè)存在輻射危害，且檢測(cè)效率極其低下，不適用于大面積的損傷掃描檢測(cè)。這些傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法受各自檢測(cè)原理影響，大大削弱了再制造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，給可再制造性判斷以及后續(xù)的再制造工藝制定帶來不利影響，極大限制了再制造的推廣應(yīng)用與發(fā)展。

金屬磁記憶作為一種新興的無損檢測(cè)技術(shù)，被越來越多的專家學(xué)者應(yīng)用于鐵磁性材料的損傷評(píng)估中，在再制造中表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。其原理是在地磁場(chǎng)作用下，鐵磁性材料損傷部位會(huì)產(chǎn)生磁機(jī)械效應(yīng)，誘導(dǎo)磁疇重新取向，從而在應(yīng)力和變形集中區(qū)域產(chǎn)生微弱自發(fā)漏磁現(xiàn)象，這種磁信號(hào)在外加載荷撤去后依然能夠保留一定的剩余磁場(chǎng)，像是具有某種“記憶”的能力。利用由巨磁阻效應(yīng)或霍爾效應(yīng)等制備的傳感器來采集試樣表面的剩余自發(fā)漏磁信號(hào)，通過后續(xù)的信號(hào)處理與分析，可以非常方便快捷地反演出鐵磁性材料損傷程度。LIU等[4]利用三通道金屬磁記憶探頭沿著檢測(cè)線采集900QC鋼在不同疲勞損傷情況下的剩余自發(fā)漏磁信號(hào)，通過提取特征值準(zhǔn)確表征疲勞應(yīng)力大小。

目前大多數(shù)學(xué)者主要通過分析某幾條橫跨關(guān)鍵區(qū)域的檢測(cè)線上的剩余磁記憶信號(hào)來反映試樣整體損傷程度。但是，對(duì)于再制造毛坯件而言，更重要的是如何快速準(zhǔn)確地識(shí)別缺陷的位置和尺寸，甚至是高殘余應(yīng)力區(qū)域的精確分布規(guī)律，從而為后續(xù)的再制造增減材和修復(fù)工藝方案制定提供準(zhǔn)確信息，因此僅通過某些檢測(cè)線上的磁記憶信號(hào)來確定可再制造性以及再制造工藝是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。部分專家學(xué)者對(duì)鐵磁性材料的損傷區(qū)域開展二維圖像反演研究，例如KIM等[5]制備了一款巨磁阻-霍爾傳感器陣列漏磁探頭，實(shí)現(xiàn)了鐵磁性材料表面二維磁場(chǎng)分布的可視化；然而目前磁性無損檢測(cè)技術(shù)大多只針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣上損傷較為嚴(yán)重的塑性變形和缺陷開展二維掃描成像研究，對(duì)再制造毛坯件的早期損傷尤其是殘余應(yīng)力分布情況的評(píng)估很少涉及。

本文基于金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)，提出一種剩磁掃描方法，通過磁阻傳感器與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的聯(lián)動(dòng)，快速方便地掃描鐵磁性材料表面的剩磁信號(hào)；提取合適的磁信號(hào)特征，探究缺陷尺寸大小對(duì)磁信號(hào)分布的影響，為再制造毛坯損傷及其缺陷的反演提供可視化研究途徑，極大增加了金屬磁記憶評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，避免漏檢、誤檢等問題，為后續(xù)再制造工藝的制定提供重要支撐。

1? 實(shí)驗(yàn)

1.1? 試樣制備

選擇工程常用的45鋼作為被測(cè)對(duì)象，其材料化學(xué)成分與力學(xué)性能如表1、表2所示。制備兩塊尺寸100 mm×100 mm×10 mm的45鋼試樣。利用麻花鉆分別在兩塊鋼板上預(yù)制出如圖1所示的通孔缺陷，具體孔徑如表3所示。

1.2? 檢測(cè)系統(tǒng)

整個(gè)剩磁掃描檢測(cè)裝置主要由圖2所示的傳感器、單片機(jī)、三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)組成。選用QMC5883L三軸磁阻傳感器作為掃描探頭的核心部件，通過設(shè)置內(nèi)部寄存器使其工作狀態(tài)參數(shù)如表3所示；自主搭建的三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由滾珠絲桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器在空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)。試樣表面的剩余磁場(chǎng)信號(hào)采集過程如圖3所示，首先傳感器將測(cè)量得到的三個(gè)方向磁場(chǎng)信號(hào)Hx，Hy，Hz分別通過串口傳輸給單片機(jī)進(jìn)行處理，如果在某測(cè)量點(diǎn)處采集到的一組磁場(chǎng)信號(hào)（即Hx，Hy，Hz）信息完整且正確（三個(gè)方向磁場(chǎng)分量不全為零，且校驗(yàn)位與數(shù)據(jù)位吻合即可認(rèn)為數(shù)據(jù)正確），則將該組磁場(chǎng)信號(hào)通過另外一個(gè)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)；否則控制傳感器再次測(cè)量該位置處的磁場(chǎng)信號(hào)，直至采集到的信號(hào)正確無誤，然后由檢測(cè)平臺(tái)帶動(dòng)傳感器移動(dòng)至下一個(gè)位置點(diǎn)重復(fù)上述采樣步驟。計(jì)算機(jī)利用Labview讀取串口數(shù)值并顯示實(shí)時(shí)波形，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在txt文件中用于后處理；當(dāng)數(shù)據(jù)全部采集完成后，利用搭載OpenCV庫的Visual Studio運(yùn)行C++程序，將txt文本中存儲(chǔ)的剩磁信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖片的色相值進(jìn)行可視化顯示。

1.3? 檢測(cè)方法

將試樣水平置于三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)整傳感器探頭距試樣表面0.5 mm，將探頭掃描的區(qū)域設(shè)置為如圖1所示的70 mm×70 mm范圍；并由滾珠絲桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)傳感器以0.25 mm的步距沿著S型路徑逐個(gè)掃描該區(qū)域內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的三個(gè)分量磁場(chǎng)信號(hào)Hx，Hy，Hz。在測(cè)量過程中，磁場(chǎng)切向分量Hx與法向分量Hy受材料損傷影響較大，一般切向分量會(huì)在應(yīng)力集中較大區(qū)域出現(xiàn)峰值特征，法向分量的曲線斜率會(huì)突然增大；而水平分量的磁場(chǎng)信號(hào)Hz由于掃描的提離高度一直保持不變，因此其信號(hào)幅值幾乎沒有變化，因此本文利用對(duì)材料損傷較為敏感的切向分量Hx和法向分量Hy磁信號(hào)來構(gòu)建總的剩磁信號(hào)特征值H，即：

將每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處所構(gòu)建的剩磁信號(hào)特征值H轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)0～255的色相值并生成二維圖像。設(shè)置亮度為128，飽和度為255，將得到剩磁掃描二維色相分布圖像。

2? 二維圖像的剩磁分布規(guī)律

將試樣表面剩磁二維圖像分布與試樣的實(shí)物照片進(jìn)行對(duì)比，分別如圖4和圖5所示。圖中二維剩磁的分布規(guī)律由色相圖表示，每個(gè)像素點(diǎn)的色相值反映了當(dāng)前位置處的剩磁大小，像素點(diǎn)的色相值越大代表其磁信號(hào)幅值越大。其中圖4（a）和圖5（a）中的白色圓圈代表實(shí)際試樣上開孔的缺陷位置和尺寸大小?？梢钥闯?，白色圓圈正好位于被色相值較高的紅色區(qū)域所包圍的中心位置，說明缺陷附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度非常高，能夠有效反映缺陷在試樣上的位置；并且隨著孔狀缺陷尺寸增大，其周圍的剩余磁場(chǎng)畸變范圍也在不斷增加。此外，在剩磁色相圖中，存在一條同時(shí)與亮黃色區(qū)域與紅色區(qū)域相鄰的脊線，說明此處的磁場(chǎng)變化梯度值非常劇烈。而且孔狀缺陷附近的磁場(chǎng)梯度脊線相互之間近似呈45°相交，這是因?yàn)殂@頭打孔過程中主切屑刃上受到的切屑力F在水平方向上可以分解成如圖6所示的主應(yīng)力σx′和切應(yīng)力τxy′，其中切應(yīng)力τxy′會(huì)反作用于應(yīng)力單元產(chǎn)生切應(yīng)力τxy和τyx，因此孔狀缺陷附近的材料會(huì)以大約45°的方向產(chǎn)生位錯(cuò)滑移帶和變形，導(dǎo)致整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)也沿著45°方向分布，根據(jù)磁機(jī)械模型理論，最終產(chǎn)生的剩余磁場(chǎng)也最容易出現(xiàn)在45°方向上。

ROSKOSZ等[6]的磁記憶檢測(cè)結(jié)果也同樣表明，在鐵磁性材料中間開孔位置附近，受晶體平面間相互滑移影響，殘余應(yīng)力和剩余磁場(chǎng)也都會(huì)朝著作用力的45°方向變化。通過剩磁分布的二維色相圖，可以非常準(zhǔn)確地確定位錯(cuò)滑移以及殘余應(yīng)力的延伸方向，很好地還原加載歷史，為再制造毛坯的損傷過程推演及失效機(jī)理分析提供依據(jù)。

從圖4和圖5中可以觀察到，除了#1孔之外，其余的孔狀缺陷都被一層近似橢圓形的紅色包圍；表明在實(shí)際空間中，孔狀缺陷周圍幅值較大的剩磁信號(hào)分布規(guī)律也呈現(xiàn)橢圓形，因此，僅通過少數(shù)的幾條離散的檢測(cè)線，往往不能準(zhǔn)確反映缺陷尺寸。由于鉆孔過程中位錯(cuò)滑移和殘余應(yīng)力總是朝著45°方向增殖傳播，由此可得，所誘發(fā)的剩余磁場(chǎng)也會(huì)朝著45°方向分布，導(dǎo)致孔狀缺陷附近幅值較大的剩余磁場(chǎng)信號(hào)被拉長(zhǎng)為橢圓形。故當(dāng)單一的檢測(cè)線通過孔狀缺陷中心時(shí)，檢測(cè)線上的磁信號(hào)特征值峰-谷寬度并不能準(zhǔn)確反映孔的實(shí)際直徑尺寸。

為進(jìn)一步評(píng)估缺陷附近較高的剩磁信號(hào)，并為后續(xù)再制造修復(fù)位置和范圍提供準(zhǔn)確信息，對(duì)剩磁的色相圖進(jìn)行輪廓提取，從而直觀地標(biāo)記出試樣出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)域。將圖4和圖5中所有孔狀缺陷輪廓所經(jīng)過的像素點(diǎn)色相值G（x，y）提取出來并求解其平均值，發(fā)現(xiàn)該平均值正好對(duì)應(yīng)于所有像素點(diǎn)色相值0～255的中間值128，說明孔狀缺陷輪廓基本位于中間藍(lán)綠色與周圍明黃色區(qū)域之間的紅色過渡地帶。因此將色相值128作為孔狀缺陷的輪廓閾值，可以認(rèn)為此色相值對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力接近于45鋼材料的極限強(qiáng)度600 MPa。

當(dāng)應(yīng)力超出屈服強(qiáng)度355 MPa時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，此時(shí)有效場(chǎng)Heff與應(yīng)力σ之間近似存在線性關(guān)系。因此當(dāng)45鋼材料到達(dá)屈服強(qiáng)度355 MPa時(shí)，可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)的剩磁二維圖像中像素點(diǎn)色相為76，作為區(qū)分彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變的閾值。

最終試樣上靠近孔狀缺陷附近的高殘余應(yīng)力（范圍為355～600 MPa）區(qū)域輪廓形狀如圖7所示?？梢悦黠@看出，除了#1孔以外，其余#2～#8孔附近的高殘余應(yīng)力區(qū)域都被空心的環(huán)形輪廓所包圍，其中外層輪廓代表了屈服強(qiáng)度閾值，內(nèi)層輪廓代表了極限強(qiáng)度閾值。#1孔附近的高剩磁信號(hào)區(qū)域之所以沒有形成雙層的包圍輪廓是因?yàn)槿毕莸某叽绾苄。讖街挥?.0 mm，導(dǎo)致周圍的殘余應(yīng)力畸變不明顯，因此超出彈性應(yīng)變的高強(qiáng)度剩磁分布區(qū)域尚未連成一片；而對(duì)于#2～#8孔來說，隨著孔徑增大，環(huán)形輪廓逐漸從復(fù)雜的蝴蝶狀過渡到了簡(jiǎn)單橢圓狀。在再制造加工時(shí)，尤其應(yīng)注意對(duì)這些剩磁信號(hào)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，因?yàn)樵搮^(qū)域的滑移位錯(cuò)較為密集，存在一定的塑性變形，受到的損傷程度也較為嚴(yán)重。剩磁的二維圖像分布規(guī)律表明，缺陷的尺寸越小，產(chǎn)生的高剩磁信號(hào)面積也越小，但是附近區(qū)域所引發(fā)的磁場(chǎng)畸變程度反而越復(fù)雜。

在實(shí)際再制造毛坯無損檢測(cè)過程中，由于無法預(yù)知缺陷的尺寸大小，因此有必要從剩磁的二維色相圖中提取反演出缺陷輪廓?？梢詫⑸鲜鰳O限強(qiáng)度為600 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的像素色相值128作為閾值，以此來判斷該測(cè)量點(diǎn)是否處于缺陷的輪廓線上。從上述的圖7可以看出，除了#1孔以外，其余#2～#8孔附近的內(nèi)層輪廓還代表了所反演評(píng)估的缺陷大小。將二維圖像中極限強(qiáng)度閾值所圍成的區(qū)域平均尺寸與實(shí)際的孔狀缺陷尺寸進(jìn)行比較，如表4所示?？梢钥闯?，利用剩磁掃描技術(shù)反演得到的缺陷尺寸與實(shí)際的缺陷尺寸誤差不超過10%，具有較為準(zhǔn)確的評(píng)估精度；且能夠很好地對(duì)#1與#2孔缺陷大小進(jìn)行區(qū)分，說明利用剩磁掃描方法所得到的二維色相圖像來反演缺陷尺寸，其分辨率至少可達(dá)0.2 mm。且二維剩磁內(nèi)層輪廓平均尺寸與實(shí)際缺陷尺寸之間呈現(xiàn)明顯線性變化規(guī)律，如圖8所示。二維剩磁反演的內(nèi)層輪廓平均缺陷尺寸與實(shí)際缺陷尺寸之間具有很強(qiáng)相關(guān)性，皮爾森相關(guān)系數(shù)經(jīng)計(jì)算達(dá)到0.99，接近于1。說明本文所提取的二維剩磁內(nèi)層輪廓，不僅保證了評(píng)估缺陷尺寸的準(zhǔn)確性，而且極大提升了識(shí)別缺陷尺寸的分辨率。

3? 結(jié)? 論

1）本文基于金屬磁記憶提出了一種剩磁掃描檢測(cè)方法，可以將再制造毛坯的損傷分布情況轉(zhuǎn)換成更加直觀的二維色相圖像，實(shí)現(xiàn)損傷評(píng)估的可視化；通過建立損傷程度與剩磁大小以及像素點(diǎn)色相值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不僅使得再制造毛坯的損傷區(qū)域及其損傷程度可視化，且提升了剩磁評(píng)估的準(zhǔn)確性和分辨率，促進(jìn)了金屬磁記憶檢測(cè)在再制造行業(yè)中的應(yīng)用。

2）經(jīng)過剩磁掃描后，所得到的二維色相圖可以清楚地顯示，缺陷周圍剩余磁場(chǎng)畸變范圍隨著缺陷尺寸的增大而增大；孔狀缺陷附近的磁場(chǎng)梯度脊線呈45°相交，通過對(duì)鉆頭切削過程進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)主切削刃會(huì)擠壓材料產(chǎn)生主應(yīng)力和切應(yīng)力，不僅產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，而且導(dǎo)致材料的位錯(cuò)滑移帶及其殘余應(yīng)力主要沿著45°方向分布，通過設(shè)置閾值，可以從色相圖中提取出高剩磁信號(hào)分布區(qū)域的輪廓，并且該輪廓會(huì)隨著缺陷尺寸的增大而逐漸從復(fù)雜的蝴蝶狀向簡(jiǎn)單的橢圓狀進(jìn)行變化，說明缺陷的尺寸越小，附近的磁場(chǎng)畸變程度就越復(fù)雜，利用剩磁掃描技術(shù)反演得到的缺陷尺寸與實(shí)際的缺陷尺寸誤差不超過10%，能夠識(shí)別的孔徑尺寸最小相差0.2 mm，具有較高的缺陷評(píng)估精度和分辨率。

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作者簡(jiǎn)介：劉驊毅（2000—），男，漢族，江蘇南京人，本科在讀，研究方向：無損檢測(cè)與再制造。

收稿日期：2023-04-09

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（202111276017Z，202211276074Y，202211276128H）