某型低磁钢材拉压处理及焊接前后对周围空间磁场影响

刘月林　周国华　吴轲娜

摘 要：对某型低磁钢材进行拉/压实验及焊接处理以后对周围空间磁场进行了初步研究。通过实验发现在弹性形变的范围内，进行拉压处理或焊接处理后的低磁钢材在其周围空间产生的磁场相比处理前都发生了一定变化，结合铁磁学理论定性解释应力作用对低磁钢材在周围空间磁场发生变化的原因。

关键词：拉压处理；焊接处理；低磁材料；磁场

中图分类号：U674 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0017-04

Abstract： After the tension/compression test and welding treatment of a certain type of low magnetic steel， the magnetic field of the surrounding space has been studied. It is found that within the range of elastic deformation， the magnetic field of the low magnetic steel， after tension and compression treatment or welding treatment， has a certain alternation in the surrounding space， compared with that before the treatment. Based on the Ferromagnetic Theory， the reason for the change of the magnetic field of the low magnetic steel in the surrounding space caused by the stress is explained qualitatively.

Keywords： tension/compression treatment； welding treatment； low magnetic material； magnetic field

1 概述

低磁钢材是对铁磁性无感应的钢材，具有组织稳定、力学性能优良、磁导率低而电阻率高的特点，是建造猎扫雷舰壳体、潜艇磁罗经围壁和消磁码头结构件的重要组成部分。在消磁场站建设过程中，为营造良好的磁场环境，一定要求使用低磁钢材作为场站建设的地桩材料。而低磁材料在使用过程中会受到打桩机的巨大冲击力才能使之深入地下，那么在巨大冲击力作用下，对低磁钢材在外部产生的空间磁场是否造成影响是需要关注的重点。因此，需要选取某型低磁钢材制成样品工件，探究受拉/压力过程中和卸载后对空间磁场的影响。

低磁钢材作为地桩材料时，除受到巨大压力以外，必然进行焊接处理，焊接后低磁钢材能否保持低磁特性，对周围磁场是否存在影响都需要探究。因此，使用低磁钢材制成一定尺寸的样品，测量焊接前后周围磁场的特征。以上两种情况属于通过不同方式改变低磁钢材受到的应力，因此分别设计两组实验探究低磁钢材受到拉/压力过程中和卸载后以及对同种低磁钢材进行焊接处理前后对其周围空间磁场的影响，分析解释应力作用对低磁钢材在周围空间磁场发生变化的原因。

2 低磁钢材拉/压力过程中和卸载后对空间磁场的影响

2.1 低磁钢材拉力与卸载实验及分析

使用低磁钢材按如下图1尺寸制作拉伸作用时的工件，将制作好的工件夹于拉伸仪器中，为更准确的磁场数据，在距离工件需拉伸部分附近20mm的位置放置三分量磁探头（如图2所示），测量在弹性形变范围内在不同拉力（5kN、10kN）施加和卸载过程中的周围磁场变化。

设定最大拉力值为5kN，拉伸力与位移曲线关系如图3所示，在拉力施加开始的同时开始记录磁场的变化情况，拉力施加开始到突然卸载过程中对周围磁感应强度中y分量的影响最大，其随时间的变化如图4所示。

在未施加拉力阶段地磁场By约为670nT，随着外部拉力的逐渐增加By逐渐减小，当拉力保持5kN时，By保持减小后的值600nT，较原来的地磁场变化了70nT。当拉力突然卸载时，By也出现突变，其值约为653nT，虽然较未施加拉力前的地磁场分量变化很小，但无法恢复到原来未施加拉力前的地磁场分量值。说明即使是在弹性形变内的应力施加也使得低磁材料内部结构发生了变化，使得其在拉力施加卸载后，其产生的磁场仍然无法回到初始状态。

对磁探头做了适当位置调整以后，设定最大拉力值为10kN，拉力逐步增加与位移曲线关系如图5所示，在弹性形变范围内拉力施加开始到突然卸载过程中，周围磁场的磁感应强度y分量随时间的变化如图6所示。

在未施加拉力阶段地磁场By约为4000nT，随着外部拉力的逐渐均匀增加By逐渐减小，当拉力保持10kN时，By保持减小后的值3900nT，较原来的地磁场变化了100nT，比施加5kN拉力时产生的磁场变化大。当拉力突然卸载时，By也出现突变，其值约为3960nT，虽然较未施加拉力前的地磁场分量变化较小为40nT，但无法恢复到原来未施加拉力前的地磁場分量值，同时比施加5kN拉力时产生的磁场变化大。对于低磁钢材而言，其中掺杂有较多的非铁磁性材料，这些杂质的存在使材料中磁晶各项异性[1]减小，而此时的磁畴结构主要决定于应力分布，如果对低磁钢材施加很强的外力，使畴壁发生移动，将对低磁材料的磁畴结构产生极大的影响，因而使得其在外部空间产生的磁场发生变化。

2.2 低磁钢材压力与卸载实验及分析

使用同型号低磁钢材直径20mm，长度为30mm的圆柱形测试工件2个。将工件放于压力测试仪器中，在工件附近30mm处放置磁探头（如图7所示），测试在弹性形变范围内不同压力（10kN，30kN）施加和快速卸载过程中的周围磁场变化。

由于低磁钢材对地磁环境的影响较小，为了更好的获得压力作用低磁钢材过程中对其周围磁场的影响，需要将探头靠近低磁工件放置，因此将工件放置于压力设备边缘，压力同样能均匀的施加于两个样品工件，压力作用对工件周围磁场z分量的影响最为明显。设定最大压力为30kN，压力与位移曲线关系如图8所示，在弹性形变范围内压力从均匀施加开始到突然卸载过程中，周围磁感应强度z分量随时间的变化如图9所示。在地磁场中存在一个稳定频率的信号，但仍然可以看出Bz随着压力逐渐增大产生的变化，当压力达到30kN时，Bz增加了约400nT，在压力突然卸载的瞬间，Bz产生一个突变，其变化相比于未施加压力约为600nT。压力突然卸载，与打桩过程正好是一个反作用，说明一个突然冲击力也会对低磁材料周围产生磁场造成影响。

为了保证实验的安全进行，压力实验中的样品尺寸相比于拉力试验中的样品尺寸长度小、直径大，因此在同样的弹性形变范围内，样品能承受的压力比拉力大的多，因而压力施加和卸载所导致的周围磁场变化要大一些，而且应力施加的方向不同，使得其内部应力分布出现了不同的分布，因此由此导致对外部磁场影响最大的方向也出现了不一样的变化。

综上，在低磁钢材的拉/压试验中，不论是施加拉力还是压力都对其在周围空间产生的磁场造成了影响，而且拉/压力越大，对周围磁场的影响越明显。即使在弹性形变的范围内，拉压力卸载以后，依然会对周围地磁场产生不可恢复的影响。

3 低磁钢材焊接处理后对空间磁场的影响

首先将一段240mm低磁钢材截为两段120mm的工件，在接口处用胶带连接，将工件放于移动小车上，小车置于正地理南北的轨道上，磁探头中心位置距离工件中间位置正下方为36mm，置于轨道中间。使用三分量磁探头逐点（测量点间隔10mm）测量其3倍棒长范围内南北方向上的磁场（探头布置如图10）。然后将两段120mm的低磁钢材进行焊接，放置于未焊接前钢棒所处位置，同样进行逐点（测量点间隔10mm）测量其3倍棒长范围内南北方向上的磁场（探头布置同上）。

对样品工件焊接前后在周围产生的磁场进行測量，测量结果如图11所示。从图中可以看出，去除背景磁场以后，在焊接前低磁材料几乎对周围的地磁场没有影响，其最大峰峰值为80nT。但焊接后的低磁材料对周围空间磁场有较大的影响，最大峰值为150nT，且磁场变大的范围有明显增加。

在焊接过程中，低磁材料受到高温的影响，在加热和冷却过程中，材料内部会存在温度梯度，由于这种不均匀加热和冷却会造成不均匀的热胀冷缩，从而造成热应力[2]使得内部应力发生变化，相应磁畴结构也会产生相应变化使得样品工件在周围空间产生的磁场也有一定变化。而且在焊接过程中，除了温度，焊接工艺、材料本身属性、焊条选取等等都对其内部应力有较大的影响，怎样消除此类残余应力[3]还要继续探讨，焊接作用对低磁材料空间产生磁场的影响还需进一步深入研究。

4 结论

在低磁钢材的拉压试验中，虽然地磁环境中存在一定频段地磁信号的干扰，但不论是施加拉力还是压力都对其在周围空间产生的磁场造成了影响，而且拉/压力越大，对周围磁场的影响越明显。即使在弹性形变的范围内，拉压力卸载以后，依然会对周围地磁场产生不可恢复的影响。在低磁钢材的焊接试验中，由于焊接过程中的高温、焊条质量、焊接工艺等多方面的影响，使得焊接后的钢材在周围空间产生的磁场有所增加，但仍能保持低磁材料的低磁性能。

下一步将进一步实验获取低磁材料拉/压力施加和卸载过程中，通过软件拟合分析应力变化与周围磁场之间的定量关系，并且同时对焊接后的低磁材料进行拉/压实验，分析两种因素同时作用时，低磁材料在空间产生磁场的变化。

参考文献：

[1]周国华，肖昌汉.铁磁学[M].武汉：海军工程大学出版社，2014.

[2]宋天民.焊接残余应力的产生与消除[M].北京：中国石化出版社，2005.

[3]侯海量.爆炸消除潜艇耐压壳环焊缝焊接残余应力[D].海军工程大学，2003.