薄壁零件残余应力的涡流法检测

陈继平

（山西省水利职业技术学院，太原030027）



薄壁零件残余应力的涡流法检测

陈继平

（山西省水利职业技术学院，太原030027）

摘要：薄壁零件目前广泛应用于航天、航空领域，且在机械加工、使用性能方面都有一定要求。要使薄壁零件具有一定的高温承载能力，就需要注意机械加工过程所产生的应力对薄壁零件性能的影响。涡流检测具有肌肤效应，通过涡流检测方法来检测薄壁零件的加工残余应力，其结果能更好地反映其内部应力值大小。

关键词：薄壁零件残余应力涡流

目前，通过利用检测磁信号进行无损检测是比较常用的方法。进行残余应力检测时，需要较强的磁信号才能反映出材料的内部结构变化。所以，对于主要依靠的磁场的金属磁记忆检测方法便不再适用，而巴克豪森检测受材料显微组织（硬度等）的影响较大。涡流检测受肌肤效应的影响，在较高激励频率下，渗透深度较浅，能较好反应薄壁零件的内部应力分布情况，因而本论文选择涡流检测法薄壁零件进行对残余应力检测。

1 薄壁零件应力分析

由于强度低，薄壁零件在外力作用下容易发生弯曲变形。这里主要分析纯弯曲和剪切弯曲两种变形情况。

（1）纯弯曲试件残余应力分析。在试件中间施加拉力，如图1所示，在材料下表面产生拉应力，上表面产生压应力。有研究证明，对材料施加拉力，在拉伸侧表层发生塑性伸展，卸载后存在残余压应力［1］；而压缩侧发生塑性压缩，卸载后为残余拉应力。为了得到其所对应的残余应力值的大小，在试件卸载后，要对该试件进行重新加载。二次加载方式为缓慢加载，同时对试件表面的磁特性进行实时测量。当磁特性信号与初时值相同时，施加的拉力值大小即反映了试件表面残余应力值的大小［2］。

图1 纯弯曲试件残余应力分析示意图

（2）剪切弯曲试件残余应力分析。选用如图2所示的悬臂梁模型，在端部施加载荷P。在载荷P作用下，梁上部受拉，下部受压。拉力释放后，由于塑性变形的作用，分别在上部产生残余压应力，在下部产生残余拉应力。这里，可以通过选择测量悬臂梁中间位置的磁来检测该截面的残余应力分布［3-4］。

2 涡流检测过程及结果

试验中，由于一定大小的残余应力场较难控制，因此选择对薄壁零件施加一大小固定、分布均匀的应力场进行测试。要获得薄壁零件内部残余应力分布情况，可以通过改变涡流探头激励频率来检测其变化，也可以尝试通过改变检测时涡流探头的提离高度来分析其变化。检测过程如下：

（1）选择一初始应力状态，将涡流检测信号归零；

图2 悬臂梁模型残余应力分析示意图

（2）在应力状态不变的情况下，通过改变涡流探头激励频率进行信号采集；

（3）改变应力状态，重复（5）过程；

（4）在同一应力状态、同一激励频率下，通过改变涡流探头提离高度进行信号采集；

（5）改变探头激励频率，重复（4）过程。

图3 有效电压随激励频率变化情况

通过对检测结果进行分析，可以发现：

（1）涡流探头激励频率过低，涡流检测信号对应力的变化辨识度不高；激励频率过高时，受肌肤效应影响，涡流检测信号只能够反映出试件表面应力值的变化，不能够反映其内部应力分布情况，因而涡流检测信号随激励频率变化不大（见图3）。

（2）在相同的应力状态和激励频率下，涡流检测信号随探头提离高度的增大变化比较明显。当提离高度过大时，涡流检测信号主要受外部环境影响比较大，在探头激励频率作用下变化不明显，不能反映试件内部应力分布情况（见图4）。

图4 有效电压随提离高度变化情况

可见，在使用涡流检测方法对薄壁零件进行应力检测时，涡流检测探头应该在较低的提离高度下进行信号采集，同时应该选择中频检测探头进行检测。要注意，探头激励频率不能过低，也不能过高。

参考文献

［1］张定栓，何家文.材料中残余应力的X射线分析和作用［M］.西安：西安交通大学出版社，1999.

［2］A.Pulnikov.Investigation of Residual Stresses By Means of Local Magnetic Measurement［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2004，（1）：2303-2304.

［3］V.Moorthy，B．A．Shaw，P．Hopkins.Surface and Subsurface Stress Evaluation in Case-carburised Steel Using and Low Frequency Magnetic Barkhausen Emission Measurements［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2006，（1）：362-375.

［4］V.Moorthy，B.A.Shaw，S.Day.Evaluation of Applied and Residual Stresses in Case-carburised En36 Steel Subjected to Bending Using the Magnetic Barkhausen Emission Technique［J］.Acta Materialia，2004，（1）：1927-1936.

Detection of Residual Stress of The Thin-walled Parts of the Eddy Current Method

CHEN Jiping
（Shanxi Provincial Water Conservancy Career Technical College, Taiyuan 030027）

Abstract:Thin wall parts are widely used in aviation and space flight, it no matter in the mechanical processing, the use of performance have certain requirements, to make thin walled parts with high temperature bearing capacity needs to pay attention to mechanical processing stress of thin-walled parts. The eddy current inspection has the skin effect, the eddy current testing method to detect the residual stress of the thin-walled parts processing, the result can better reflect its internal stress value.

Key words:thin-walled parts, residual stress, eddy current