起重机械焊接结构残余应力电磁检测技术探讨

陈胜来 李继承

摘要：针对大型起重设备金属结构由于残余应力和局部应力集中导致的开裂失效问题，探讨了电磁检测技术在结构残余应力检测中的应用。综合分析了磁导率检测、电磁超声检测和微磁检测三种技术的检测原理和典型应用，为先进电磁无损检测技术在残余应力检测中的应用提供了借鉴。

关键词：起重机械;残余应力;电磁检测; 磁信号

中图分类号：TG115.28   文献标志码：A

起重机械加工制造过程中，焊接结构件大量应用于制造的各个工序，焊接接头作为焊接结构件的重要部分，加工后的残余应力将影响到腐蚀、开裂、疲劳强度等力学性能，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对结构强度造成很大危害。制造环节产生的残余应力如果不能及时得到消除，出厂后将对安装、使用环节造成危害，留下事故隐患。残余应力检测是起重机械焊接结构安全评估工作的重要内容。本文对三种常用的电磁无损检测技术在残余应力检测中的应用进行论述，分析了三种方法的检测原理、检测系统和结果评价等内容，并对上述技术在起重机行业的应用进行了探讨。

1. 基于磁导率检测技术

1.1 检测原理

基于磁导率变化检测残余应力的原理是：铁磁性材料的磁化状态受其残余应力的影响，表现为磁导率和磁感应强度的变化，使用传感器和相匹配的转化电路将磁导率的变化转变为电流或电压的变化，进而通过电量信号间接反映材料内应力的变化。

1.2 检测方法

根据被检测对象结构选择相应形状的检测探头，通常由激励线圈和接收线圈组成。在激励线圈中通入交变电流，该信号可以由信号源加上功率放大器输出。通过铁磁试件的磁场经外部环境形成闭合磁路。待测试件的应力集中引起磁导率变化，进而导致闭合磁路的磁阻和磁通发生变化。使用精密电压测量设备测量感应线圈的电压信号，与标定试样上测得的电压信号进行对比，可以得出测试件的残余应力大小。

加工与被检测材料相同牌号和热处理状态的标准拉伸试样。在开始标定试验前，用于标定的试样应经过消除应力处理，试样表面应无污垢、油膜和氧化层。不满足探头测量所需的表面公差等级时，应进行清理或打磨，非接触测量时，可以粘贴不同厚度的聚氟乙烯薄膜。

1.3 典型应用

2016年由中国特种设备检测研究院和西安交通大学等单位牵头起草了《GB/T 33210-2016 无损检测 残余应力的电磁检测方法》，从人员要求、检测系统、检测程序等方面对残余应力的检测进行了规定。该标准是基于磁导率变化原理进行的残余应力检测。检测探头分为四极探头和九极探头两种，四极探头对称设置4个脚，两个磁化线圈和两个输出线圈分别缠绕在对角线脚上。在磁化线圈内部通入交变电流，测量输出线圈两端的电压信号。当钢板中没有残余应力时，检测探头输出脚两端处于等磁位点，输出线圈的输出电压为零。当钢板有残余应力时，检测探头输出脚之间的磁位不同，随着磁化信号的周期性变化，输出线圈中将会产生输出电压信号。九极探头与四极探头近似，只是在得到主应力差及主应力角时，探头不需要旋转。

南昌航空大学的杨梅芳等[1]采用磁导率检测技术以Q235钢和45#钢为例，从试验上研究了接收线圈的电压信号随拉应力、拉力残余应力和疲劳损伤程度的变化关系。结果表明，依据磁导率检测技术，可以有效测量铁磁性材料试件所处的应力状态，根据应力作用后的残余应力测量构件曾经受到过的最大应力具有更高的检测灵敏度。

2.基于电磁超声检测技术

2.1检测原理

残余应力的电磁超声检测技术是电磁检测和超声检测相结合的方法，在洛伦兹力和磁致伸缩效应的共同作用下，铁磁性材料内部产生超声波信号，利用超声波信号完成残余应力检测。弹性介质内部应力状态的改变会引起声速或者频谱的变化，利用两者之间的线性关系可以达到定量检测残余应力的目的。

临界折射纵波（longitudinal critically refracted，LCR）是超声波应力检测中常用的检测信号。当超声纵波传播到声速不同的两种介质界面处时，将发生折射和波形转换现象，同时存在对应折射纵波和折射横波的两个入射角。当入射角接近第一临界角时，将会在声速较快介质表面激发出纵波场，该纵波场中包含折射纵波和头波，且两种波都以声速较快介质中纵波的波速传播。头波的能量随着传播距离的增大而急速衰減，折射纵波的衰减系数与体波接近，能传播到较远距离。首先在试验室状态下分别测得标准试验在零应力和特定加载应力状态下的波速变化，对声弹性系数进行标定。之后对实际工作部件进行声速测量和应力计算，同时考虑实际工作场合被测件的复杂应力场、微观结构状态以及织构取向对声弹性系数的影响，对检测结果进行适当修正。

2.2典型应用

南京航空航天大学的邹华章等[2]设计了一种基于磁致伸缩机理的电磁超声换能器应力检测系统。以应变片检测构件的应变作为参考值，选择A3钢作为检测对象，分析换能器接收的SH波幅值信号、静态磁场强度与应力的关系。研究表明，在压应力状态条件下，超声信号幅值-磁感应强度关系曲线会向右平移，并且随着应力增大呈现单调变化的现象。

浙江大学的徐烽等[3]采用电磁超声方法对Q345R钢板焊接接头残余应力的分布状态进行检测。借助拉伸试验对钢板焊接接头的声弹性系数进行标定，使用电磁超声方法测量出不同焊接区域声速大小，进而获得残余应力的分布曲线。将电磁超声的检测结果与盲孔法的测量结果进行对比，两种方法在母材、热影响区、焊缝部位测得的残余应力分布趋势基本一致，均表现为焊缝和热影响区附近的残余应力大，远离焊缝区域的残余应力数值明显减小。但两种测量方法所获得的残余应力具体数值存在一定的偏差，且盲孔法测得的数值偏大。其原因是两种方法所测得的残余应力值是电磁超声探头和盲孔覆盖范围内的平均值，电磁超声探头的尺寸大于盲孔，因而所测得的残余应力结果是更大面积范围内的平均值。

3.基于微磁检测技术

3.1检测原理

微磁检测技术是一种以地磁场为磁源的被动式检测技术。将构件放置于地磁场环境中，利用高精度磁矢量传感器对试样表面不同区域的地磁场感应强度变化情况进行检测，经过数据处理和分析，预测试样中残余应力的分布情况。应力集中会对试样所采集的磁感应强度产生不同程度的影响，在试样压应力集中区域磁感应强度信号会显示异常的向上凸起，在无应力集中部位，磁感应强度则会均匀分布。

基于微磁原理的检测技术也可以利用巴克豪森噪声技术实现残余应力检测。在外界磁场的极化作用下，铁磁性材料内部的磁畴壁发生移动，引起尺寸的压缩或涨大，进而导致整体磁感应强度的变化。磁畴壁的移动会在相邻检测线圈内部产生脉冲电流，多个脉冲电流的叠加形成一种可测的电噪声信号，即巴克豪森噪声。材料内部残余应力的大小和分布状态会影响磁畴的磁化方向，进而影响巴克豪森噪声信号的强度。在正磁性各向异性材料中，压应力会导致巴克豪森噪声强度减小，拉应力会导致巴克豪森噪声强度增大。根据巴克豪森噪声强度可以测量材料内部残余应力的状态和主应力方向。

3.2典型应用

中石油西南油气田公司的齐昌超等[4]将微磁检测技术应用到304不锈钢板的残余应力监测，实现了对应力和疲劳损伤的测定。为了精确测量试样的磁信号强度，他们研制了高灵敏度磁矢量探头试验平台，建立了检测信号与磁导率的关系算法。结果表明，应力集中区域会导致该区域的磁导率与周边不同，磁信号强度与应力大小变化存在一定的联系，即随着试样中所存在的残余应力增加，磁信号强度增大，且材料的微观应变也变大。

德国弗劳恩霍夫无损检测研究所的Madalina Rabung等利用巴克豪森噪声检测技术对Fe-Cu和Fe-Cu-Ni合金在拉伸加载条件下的应力增加过程进行了定量测量。研究表明，巴克豪森噪声的峰值幅度与材料内部的拉应力状态具有很好的函数对应关系。随着外加拉应力的增大，巴克豪森噪声的峰值曲线与残余应力的变化曲线具有很好的平行关系。该方法提供了一种残余应力定量检测技术，不需要诸如X射线衍射等方法作为辅助参考。

4.结语

金属材料的残余应力对起重机械设备的服役性能有着显著的影响，尤其是设备的疲劳寿命、强度和稳定性。利用磁导率检测、电磁超声和微磁等检测技术实现铁磁性材料内部残余应力的无损检测，对于保证起重机設备的长期稳定运行具有重要意义。在准确检测的基础上，进一步研发适用于现场环境的应力消除技术，对于延长设备的使用寿命具有积极意义。

参考文献：

[1]杨梅芳， 任尚坤. 基于磁导率检测技术的应力集中和疲劳损伤检测[J].钢铁研究学报. 2017，29 （7）：590-595.

[2]邹华章， 姚恩涛， 周静. 基于磁致伸缩原理的应力检测方法[J].机械制造. 2019，3：37-41.

[3]徐烽， 欧阳林婷， 王宏等. 基于电磁超声的焊接残余应力测量研究[J].压力容器. 2018，35（4）：17-24.

基金项目：本文系广东省市场监督管理局科技项目“基于微磁技术的起重机械焊接结构残余应力检测仪研发”，项目编号：2020ZT03。