郭永良 段怡雄 袁麗華

摘? 要：鐵磁性材料工件內(nèi)存在應(yīng)力時(shí)，材料產(chǎn)生各向異性，而應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的變化將會(huì)引起鐵磁性材料磁導(dǎo)率或磁阻的變化，當(dāng)磁導(dǎo)率或磁阻變化達(dá)到一定值時(shí)，磁粉檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)磁痕顯示。為了確定現(xiàn)場(chǎng)磁粉檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)的支座夾板中間磁痕形成原因，而開(kāi)展一系列的試驗(yàn)，分析和明確磁痕形成原因。通過(guò)優(yōu)化焊接工藝可從源頭避免磁痕出現(xiàn)，同時(shí)介紹了現(xiàn)場(chǎng)鑒別應(yīng)力磁痕方法和處理方法。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力磁痕；金相檢測(cè)；應(yīng)力檢測(cè)；磁粉檢測(cè)；超聲檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN39；TG441? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）10-0140-04

Abstract： When there is a stress in the ferromagnetic material artifact， the material produces anisotropy， and the change of the stress or strain state will cause changes in the magnetic conductivity or magnetic resistance of the ferromagnetic material. when the magnetic conductivity or magnetic resistance change reaches a certain value， the Magnetic Particle Testing will appear magnetic mark display. In order to determine the cause of the formation of the support splint found in the field Magnetic Particle Testing， a series of tests are carried out to analyze and clarify the cause of magnetic trace formation. Through optimizing the welding process， it can avoid magnetic marks from the source. And the identification and processing methods of stress magnetic mark on field are introduced at the same time.

Keywords： stress magnetic mark; metallography testing; stress testing; Magnetic Particle Testing; UT

0? 引? 言

對(duì)焊接構(gòu)件支座進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)批量支座夾板中部出現(xiàn)線狀磁痕，打磨后拋光后磁粉檢測(cè)時(shí)磁痕依然存在且基本保持原狀。為了確定磁痕的性質(zhì)和形成的原因，采用了多種無(wú)損檢測(cè)方法并結(jié)合金相檢測(cè)以及工藝復(fù)現(xiàn)等試驗(yàn)方法分析、驗(yàn)證，最終確定出現(xiàn)的磁痕是由于焊接殘余應(yīng)力引起的。當(dāng)鐵磁性材料工件內(nèi)存在應(yīng)力時(shí)，會(huì)使磁疇的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向均受阻而使磁化率減小，材料產(chǎn)生各向異性，而應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的變化將會(huì)引起鐵磁性材料磁導(dǎo)率或磁阻的變化[1-4]。當(dāng)磁導(dǎo)率或磁阻變化達(dá)到一定值時(shí)，即在應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)出現(xiàn)磁異常，從而形成漏磁場(chǎng)[5]，進(jìn)而在磁粉檢測(cè)出現(xiàn)磁痕顯示。

對(duì)于焊接產(chǎn)品而言，殘余應(yīng)力是最常見(jiàn)的；然而焊接產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力是焊接產(chǎn)品出現(xiàn)疲勞失效的原因之一。特別是焊縫區(qū)和近縫區(qū)在內(nèi)部殘余應(yīng)力和外部載荷的雙重作用最容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。因此明確產(chǎn)生磁痕的原因，進(jìn)而采取有效措施（改進(jìn)和優(yōu)化焊接工藝），從源頭處減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生或者現(xiàn)場(chǎng)釋放殘余應(yīng)力，從而避免該類應(yīng)力磁痕的出現(xiàn)是非常有必要的。

1? 磁痕情況

在對(duì)一批支座（組焊件）進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)大部分支座的夾板中間處有磁痕顯示，如圖1所示；為確定該處磁痕是否為淺表面磁痕，對(duì)該處打磨拋光后再次進(jìn)行磁粉檢測(cè)，磁痕未消失，且長(zhǎng)度基本沒(méi)有變化，如圖2所示。通過(guò)目視檢查發(fā)現(xiàn)該處無(wú)明顯可見(jiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。為排除該處磁痕是由表面粗糙引起的，對(duì)該座進(jìn)行干法磁粉檢測(cè)，磁痕依然存在且磁痕比較寬松、淺淡，長(zhǎng)度與濕法檢測(cè)結(jié)果基本一致，結(jié)果如圖3所示。因此可以確定該磁痕不是由表面粗糙引起的非相關(guān)顯示。

2? 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為分析夾板處磁痕出現(xiàn)的緣由，將從無(wú)損檢測(cè)（滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)）、理化檢驗(yàn)、應(yīng)力測(cè)試三個(gè)方向進(jìn)行試驗(yàn)分析及驗(yàn)證。

2.1? 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)是一種表面檢測(cè)方法，也是驗(yàn)證磁粉檢測(cè)結(jié)果最直觀最有效的一種檢測(cè)方法。當(dāng)工件表面具有開(kāi)口缺陷時(shí)，通過(guò)在工件表面施涂（噴涂）含有顏色的滲透劑后，在毛細(xì)作用下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，滲透劑可以進(jìn)入表面開(kāi)口缺陷中，去除多余滲透劑，經(jīng)干燥，再施涂（噴涂）顯像劑，最終缺陷直觀顯像。若有缺陷顯像，可以和磁粉檢測(cè)結(jié)果直接對(duì)比，以驗(yàn)證磁粉檢測(cè)結(jié)果的正確性。

為鑒別磁痕處是否為表面開(kāi)口缺陷，首先對(duì)該支座夾板磁痕處進(jìn)行滲透檢測(cè)，按照滲透檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行操作，結(jié)果無(wú)滲透液痕跡顯示，如圖4所示，所以該處磁痕顯示不是由表面開(kāi)口缺陷引起的。

2.2? 超聲檢測(cè)

由滲透檢測(cè)可知該處缺陷為非表面開(kāi)口缺陷引起，則有可能為內(nèi)部缺陷延伸至前表面引起的磁痕顯示。為確定是否為內(nèi)部缺陷引起的表面磁痕顯示，現(xiàn)場(chǎng)采用超聲波探頭（型號(hào)為：2.5P10Z）對(duì)有磁痕的夾板從厚度方向進(jìn)行超聲檢測(cè)，看是否能發(fā)現(xiàn)異常波。最終超聲檢測(cè)結(jié)果無(wú)異常，表明該處內(nèi)部無(wú)超標(biāo)缺陷，故該磁痕不是由內(nèi)部缺陷延伸至淺表面引起的磁痕顯示。

因此從無(wú)損檢測(cè)方向可知，該處磁痕為非材料的宏觀不連續(xù)性引起的。

2.3? 理化檢驗(yàn)

理化檢驗(yàn)包括化學(xué)分析、物理試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)等化學(xué)分析通常是分析材料的成分，物理試驗(yàn)一般是檢驗(yàn)材料的硬度、強(qiáng)度、屈服、塑性等物理量，而金相檢驗(yàn)通常是材料金相組織的宏觀檢驗(yàn)。

鑒于前面無(wú)損檢測(cè)結(jié)果為支座無(wú)表面開(kāi)口缺陷和內(nèi)部缺陷，為分析是否由于焊接改變?cè)撎巸?nèi)部組織，從而造成該處內(nèi)部組織不均勻而形成的磁痕顯示。隨機(jī)抽取一件有磁痕的支座進(jìn)行理化分析，看是否可以從夾板內(nèi)部組織分析磁痕顯示的原因。

從夾板磁痕顯示處取橫截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)，將樣品打磨拋光后置于金相顯微鏡下觀察，未見(jiàn)明顯分層或者開(kāi)裂等缺陷。為進(jìn)一步分析，將樣品經(jīng)4%硝酸酒精溶液侵蝕后用金相顯微鏡放大100倍觀察，結(jié)果如圖5所示，組織均勻且完好，沒(méi)有出現(xiàn)如圖6所示的珠光體帶狀分布聚集現(xiàn)象（材料偏析的主要表現(xiàn)）。因此上述磁痕不是偏析引起的?？梢钥紤]此磁痕為應(yīng)力引起的。

2.4? 應(yīng)力檢測(cè)

鐵磁性材料工件內(nèi)存在應(yīng)力時(shí)，材料產(chǎn)生各向異性，而應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)的變化將會(huì)引起鐵磁性材料磁導(dǎo)率或磁阻的變化[6，7]，當(dāng)磁導(dǎo)率或磁阻變化達(dá)到一定值時(shí)，磁粉檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)磁痕顯示。

為驗(yàn)證是否為應(yīng)力引起的磁痕，且磁痕處是否為應(yīng)力最大值，將超聲檢測(cè)無(wú)內(nèi)部缺陷且?jiàn)A板帶有磁痕的支座進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。

現(xiàn)階段相對(duì)成熟的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法主要有盲孔法和X射線衍射法[8-10]，盲孔法屬于有損的檢測(cè)方法，在被測(cè)位置貼上應(yīng)變花，根據(jù)應(yīng)變片或應(yīng)變花在鉆孔過(guò)程中檢測(cè)的形變量來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力值，這該方法對(duì)被測(cè)工件有破壞性，不利于后續(xù)的對(duì)比研究。X射線衍射法屬于無(wú)損的檢測(cè)方法，且公司剛好配有X射線應(yīng)力測(cè)試設(shè)備，所以選用X射線衍射法測(cè)試應(yīng)力。因夾板中間平行焊縫方向出現(xiàn)磁痕，因此以垂直磁痕方向，分別在焊縫與底板連接處、焊縫中部以及夾板處取7個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)點(diǎn)，具體見(jiàn)殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)分布圖，如圖7所示。根據(jù)GB/T 7704—2017《無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法》要求對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示，所有測(cè)試點(diǎn)結(jié)果值都為負(fù)數(shù)，表示各點(diǎn)應(yīng)力為殘余應(yīng)力，且為拉應(yīng)力，正好符合夾板兩側(cè)焊縫情形。由表1可見(jiàn)磁痕處殘余應(yīng)力值最大達(dá)到-18.4 MPa，由圖7可知該應(yīng)力點(diǎn)最大值正好在夾板中間處，而該處正好是磁痕出現(xiàn)的位置。

2.5? 工藝復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

為確定支座夾板處磁痕是焊接產(chǎn)生的，對(duì)該焊接工藝進(jìn)行復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)。即隨機(jī)抽取即將進(jìn)行組焊的2組部件（4個(gè)夾板和2個(gè)底座），首先用超聲檢測(cè)方法從厚度方向?qū)A板進(jìn)行檢測(cè)，確定部件內(nèi)部完好無(wú)分層等內(nèi)部缺陷，超聲檢測(cè)結(jié)果顯示無(wú)分層等內(nèi)部缺陷，如圖8所示。隨后對(duì)這4個(gè)夾板用磁粉檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)，確定表面無(wú)磁痕。最后對(duì)這4個(gè)夾板用與前面支座相同焊接方式方法進(jìn)行組焊，待支座組焊件冷卻至室溫后，再次對(duì)這2件支座進(jìn)行磁粉檢測(cè)，結(jié)果這4個(gè)夾板中有3件在相同的位置出現(xiàn)了磁痕顯示。

3? 分析討論

通過(guò)上述滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、理化檢驗(yàn)以及工藝復(fù)現(xiàn)可以證明該磁痕為非母材自身缺陷。并且由應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果顯示磁痕處殘余應(yīng)力值明顯比周邊其他幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)高，故可考慮磁痕為殘余應(yīng)力引起。

焊接是一個(gè)局部迅速加熱和冷卻的過(guò)程，它是兩種或兩種以上材料通過(guò)原子或分子的結(jié)合和擴(kuò)散連接形成一體的工藝過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，金屬經(jīng)歷了快速的相變和熱脹冷縮。焊縫處的金屬在高溫熔化時(shí)受熱膨脹，由于溫度在傳遞過(guò)程中有熱量散失，焊件不會(huì)自由膨脹，在焊縫處被焊接金屬約束焊縫金屬產(chǎn)生熱膨脹，最終對(duì)焊縫處的金屬形成一個(gè)擠壓的力。高溫條件下，材料的屈服極限本身就很低，強(qiáng)大的擠壓力非常容易使焊縫處金屬超過(guò)屈服極限從而產(chǎn)生大的塑性變形。置于室溫下的焊件，焊縫處的金屬又會(huì)快速冷卻，產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，收縮的同時(shí)也會(huì)收到焊縫附近金屬的一個(gè)約束，對(duì)焊縫處的金屬產(chǎn)生一個(gè)大拉應(yīng)力。由于殘余塑性變形的存在，熱應(yīng)力就未能完全去除，會(huì)殘余下應(yīng)力，形成焊接殘余應(yīng)力[11]。

而殘余應(yīng)力引起的磁痕在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)一定方法消除，批量現(xiàn)象可以通過(guò)改變工藝而從根本上消除其引起的磁痕。

3.1? 現(xiàn)場(chǎng)磁痕消除試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)殘余應(yīng)力的消除有多種方法，例如機(jī)械拉伸、低應(yīng)力無(wú)變形拉伸、滾壓法、超載法、整體熱處理法、局部熱處理法、溫差拉伸法、錘擊法（敲擊法）[12，13]。敲擊法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，基于現(xiàn)場(chǎng)條件采用了敲擊的方式測(cè)試，即用帶有圓頭的鐵錘，以鐵錘圓頭最頂處沿磁痕走向迅速均勻有序敲擊，直到鐵錘離開(kāi)磁痕區(qū)域。對(duì)敲擊部位拋光處理，最后進(jìn)行磁粉檢測(cè)檢查驗(yàn)證磁痕是否還在。通過(guò)磁粉檢測(cè)，磁痕消失，如圖9所示。

3.2? 焊接工藝優(yōu)化

原焊接工藝以?shī)A板一側(cè)焊縫端頭為焊接起點(diǎn)連續(xù)焊接，直到夾板另一端焊縫端頭為止，夾板兩端焊縫為一整條焊縫。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)驗(yàn)證，該工藝容易在該夾板中間平行焊縫方向出現(xiàn)磁痕，為避免再次出現(xiàn)該批量問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)焊接工藝進(jìn)行改良和優(yōu)化：即在夾板焊縫兩端先等間距點(diǎn)焊，然后依次分段焊接，直到整條焊縫焊接完成。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)磁粉檢測(cè)驗(yàn)證，此工藝后續(xù)未批量出現(xiàn)該類磁痕。

通過(guò)上述分析可知：本文中描述的支座夾板中間出現(xiàn)的磁痕為殘余應(yīng)力引起的磁痕，非板材原缺陷引起的磁痕；且通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，可以有效避免出現(xiàn)批量類似現(xiàn)象。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)上述滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)、金相分析、應(yīng)力測(cè)試等及工藝復(fù)現(xiàn)等得出如下結(jié)論：

1）通過(guò)試驗(yàn)分析，支座夾板處的磁痕是由焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力所引起的。

2）通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，可從源頭減少焊接應(yīng)力對(duì)焊接處磁籌的影響，從而消除應(yīng)力磁痕。

3）應(yīng)力磁痕也可現(xiàn)場(chǎng)消除，經(jīng)滲透檢測(cè)排除表面開(kāi)口缺陷后，通過(guò)沿磁痕走向，鐵錘與磁痕表面按一定傾角迅速均勻有序敲擊磁痕，從而消除磁痕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王威，王社良，蘇三慶，等.磁致伸縮材料的應(yīng)力感知機(jī)理 [J].工業(yè)建筑，2004（9）：51-53+69.

[2] 文西芹，劉成文.基于逆磁致伸縮效應(yīng)的殘余應(yīng)力檢測(cè)方法 [J].傳感器技術(shù)，2002（3）：42-44.

[3] 趙洲，陳平，丁克勤.平面焊接殘余應(yīng)力磁應(yīng)變算法研究進(jìn)展 [J].石油化工設(shè)備，2012，41（3）：42-46.

[4] 王海濤，殷少華，丁克勤，等.平面焊接殘余應(yīng)力九極磁測(cè)探頭仿真分析 [J].無(wú)損檢測(cè)，2011，33（11）：52-54+57.

[5] 鄧永貢，王強(qiáng)，胡斌，等.焊接殘余應(yīng)力磁記憶信號(hào)特征的研究 [J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，27（1）：52-57.

[6] 萬(wàn)升云.磁粉檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[7] 萬(wàn)升云.磁粉檢測(cè) [M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

[8] 路浩，張世平，劉雪松，等.雙絲焊鋁合金平板殘余應(yīng)力梯度超聲波法建立 [J].焊接學(xué)報(bào)，2008（2）：61-64+116.

[9] 秦飛虎，劉勇，楊金，等.破壞性測(cè)量焊接殘余應(yīng)力的方法及應(yīng)用 [J].石油和化工設(shè)備，2020，23（7）：40-41.

[10] 張振國(guó)，馮強(qiáng)，史軍梅.焊接殘余應(yīng)力磁彈性法測(cè)試研究 [J].焊接，2007（1）：31-33+62.

[11] 宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除：第2版 [M].北京：中國(guó)石化出版社，2010.

[12] 陳曉冬.壓力容器中焊接殘余應(yīng)力的消除對(duì)策 [J].材料工程，2003（6）：15-17.

[13] 張江濤.關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討 [J].南方農(nóng)機(jī)，2021，52（9）：142-143.

作者簡(jiǎn)介：郭永良（1986—），男，漢族，湖南郴州人，工程師，碩士，研究方向：無(wú)損檢測(cè)方面的研究和實(shí)際應(yīng)用。