基于磁记忆的船机零件损伤检测

李俊健，杨舸帆，张笑颖，李瑞强，梁财源

（大连海事大学，辽宁 大连 116000）

为了保证船舶及其动力装置运转的安全性与可靠性，船舶机械在制造与修理过程中均需进行严格的质量检测。不少船机零件在修造中均通过无损检测来控制质量，超声波检测、磁粉检测和渗透检测是常见的技术措施，但是这些检测技术都有其局限性，具有预处理、后处理繁琐、操作复杂等缺点。经俄罗斯Doubov教授20多年来的研究和开发，金属磁记忆技术，不仅在其物理原理上有了较深入的研究，还开发出专门的检测仪器，制定了检测方法。磁记忆检测可以快速获取构件信号特征，待测构件无需表面处理和磁化，便于实现多通道自动化检测，是一种有效的非接触式测量手段。本工作的目的是对Q235金属试件进行实验，检测其在无内应力下裂纹的深度与宽度对其Hp(y)的影响，并与实际的损伤工件表面的Hp(y)变化进行对比。为磁记忆无损检测技术的在船机零件的修造应用提供理论依据。

1 实验材料及装置

试验材料为有疲劳裂纹的气阀杆及Q235(GB/T 3075—2008) 钢试件，Q235钢试件均由切割加工，并四面打磨抛光，试件的尺寸为80×40×20；切割仪器为DK7725电火花数控线切割机床，可对试件进行裂纹制造，避免内应力对Hp(y)的影响；切割前，均用HD123手持式平面退磁器进行退磁处理。实验检测设备为TD8650特斯拉计；显示位数：4位；分辨率：10μT；精准度：0.5%；本实验选取30mT量程，直流磁场测量模式。

2 实验方法

实验前利用HD123退磁器对试件进行退磁处理，以消除表面初始剩磁的干扰；检测提离值均采用1mm；探头固定于试验台且不移动，每次测量前均对特斯拉计进行清零处理，避免空间干扰磁场对实验检测结果的影响。裂纹深度实验：对5块同一批次试件进行相同切割，裂纹宽度固定为0.25mm，深度依次为1mm、2mm、3mm、4mm；裂纹宽度实验：对5块同一批次试件进行相同切割，裂纹深度固定为2cm，每块试件上加工3条不同宽度的裂纹，依次为0.5mm、1mm、1.5mm；气阀杆疲劳裂纹的检测实验：在气阀杆裂纹处画3条检测线，分别为裂纹中间、裂纹右侧及裂纹左侧边缘；检测路径为裂纹前后10mm。每条检测线反复检测5次，记录数据。检测时均提取裂纹前后10mm路径的Hp(y)值，检测点间隔0.5mm。

3 实验结果及分析

提离值为1mm时，采用高斯计对裂纹宽度恒为0.25mm，深度分别为1mm,2mm,3mm,4mm的切割金属块进行裂纹处Hp(y)检测，将检测得到的信号进行收集并汇总制图，检测到的Hp(y)导数汇总如图1所示。

图1 平均深度导数汇总图

由图1和分析其检测到的数据可见，试件裂纹处的Hp(y)变化遵循以下规律：在裂纹处的Hp(y)会发生突变，并具有过零现象，随着裂纹深度的不断增加，裂纹两端的信号峰值幅值不断增大，特征现象也越来越明显。表明铁磁材料在无内应力作用下的形貌改变，会引起其缺陷处Hp(y)产生规律性变化，裂纹深度越深，其Hp(y)变化的幅度越大，即其Hp(y)梯度峰值越大。

对深度分别为0.5mm、1mm、1.5mm的切割金属块进行裂纹处Hp(y)检测，得到的裂纹宽度导数汇总如图2所示。

图2 裂纹宽度导数汇总

由其强度数据及图2可见，各裂纹宽度处法向磁场强度均有突变，强度大小存在差异，但是其变化幅值大致相同，都在250～300μT之间。故无内应力下裂纹的宽度会使其法向磁场强度发生突变，但宽度的大小并不影响其法向磁场的变化幅度及梯度峰值。

对气阀杆疲劳裂纹的中间，裂纹右侧，裂纹左侧边缘，3个路径上的Hp(y)进行检测，得出在实际的应用过程中，由内应力作用下产生的裂纹前后1cm的Hp(y)图，并作出其梯度变化图像。

图3 气阀杆导数汇总图

由气阀杆导数汇总图可知，3条测量线上的Hp(y)强度相差较大，分布也大不相同，但是其在裂纹处均会发生突变，由磁荷体系的磁性自由能最低原则可知，其磁荷会向裂纹的中间聚集。故其在裂纹中间的Hp(y)幅值，和变化梯度比右侧和左侧大。结合气阀杆的工作环境，其受反复的拉压应力，且制造过程均使其表面具有初始Hp(y)，故我们可采用其Hp(y)的梯度变化，可较容易判断疲劳裂纹对Hp(y)的分布影响。可见3条测量路径上的Hp(y)梯度变化趋势大致相同，均在裂纹处产生突变，且裂纹中间的变化幅度大于裂纹右侧，裂纹右侧大于裂纹左侧。结合3条测量路径所对应疲劳裂纹的深度可得：Hp(y)梯度峰值可反映疲劳裂纹的深度大小。

将切割裂纹宽度0.25mm，深度1mm与气阀杆中间裂纹进行对比分析可知：由于两者裂纹的宽度与深度近似相等，但两者的Hp(y)变化幅值与梯度变化幅值相差巨大，可见由内应力产生的疲劳裂纹对Hp(y)的影响，远大于无内应力下的切割裂纹对Hp(y)的影响。由此可见，应力的变化是影响金属表面Hp(y)大小及变化梯度的主要因素。

4 结语

在明确Hp(y)检测技术原理，以实现对不同类型的裂纹检测中，本文总结如下。

（1）铁磁性材料在无内应力下的形貌改变会影响其表面的Hp(y)强度。无内应力下裂纹的深度越深，其Hp(y)变化的幅值越大，梯度峰值越高。裂纹宽度会使其法向磁场强度发生突变，但宽度的大小并不影响其法向磁场的变化幅度及梯度峰值。

（2）由气阀杆疲劳裂纹检测实验得出：Hp(y)梯度峰值可反映疲劳裂纹的深度大小，利用梯度峰值评估疲劳裂纹，可排除试件生产加工及工作环境对检测结果的影响，可对实际损伤的船机零件进行有效的评估监测。

（3）由内应力产生的疲劳裂纹，对Hp(y)的影响远大于无内应力下的切割裂纹对Hp(y)的影响。由此可见，应力的变化是影响金属表面Hp(y)大小及变化梯度的主要因素。