焊接应力磁痕分析与识别

郭永良 段怡雄 袁丽华

摘  要：铁磁性材料工件内存在应力时，材料产生各向异性，而应力或应变状态的变化将会引起铁磁性材料磁导率或磁阻的变化，当磁导率或磁阻变化达到一定值时，磁粉检测会出现磁痕显示。为了确定现场磁粉检测时发现的支座夹板中间磁痕形成原因，而开展一系列的试验，分析和明确磁痕形成原因。通过优化焊接工艺可从源头避免磁痕出现，同时介绍了现场鉴别应力磁痕方法和处理方法。

关键词：应力磁痕；金相检测；应力检测；磁粉检测；超声检测

中图分类号：TN39；TG441  文献标识码：A  文章编号：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

对焊接构件支座进行磁粉检测时，发现批量支座夹板中部出现线状磁痕，打磨后抛光后磁粉检测时磁痕依然存在且基本保持原状。为了确定磁痕的性质和形成的原因，采用了多种无损检测方法并结合金相检测以及工艺复现等试验方法分析、验证，最终确定出现的磁痕是由于焊接残余应力引起的。当铁磁性材料工件内存在应力时，会使磁畴的移动和转向均受阻而使磁化率减小，材料产生各向异性，而应力或应变状态的变化将会引起铁磁性材料磁导率或磁阻的变化[1-4]。当磁导率或磁阻变化达到一定值时，即在应力集中区域会出现磁异常，从而形成漏磁场[5]，进而在磁粉检测出现磁痕显示。

对于焊接产品而言，残余应力是最常见的；然而焊接产生的焊接残余应力是焊接产品出现疲劳失效的原因之一。特别是焊缝区和近缝区在内部残余应力和外部载荷的双重作用最容易导致裂纹的产生。因此明确产生磁痕的原因，进而采取有效措施（改进和优化焊接工艺），从源头处减少焊接残余应力的产生或者现场释放残余应力，从而避免该类应力磁痕的出现是非常有必要的。

1  磁痕情況

在对一批支座（组焊件）进行磁粉检测时，发现大部分支座的夹板中间处有磁痕显示，如图1所示；为确定该处磁痕是否为浅表面磁痕，对该处打磨抛光后再次进行磁粉检测，磁痕未消失，且长度基本没有变化，如图2所示。通过目视检查发现该处无明显可见开裂现象。为排除该处磁痕是由表面粗糙引起的，对该座进行干法磁粉检测，磁痕依然存在且磁痕比较宽松、浅淡，长度与湿法检测结果基本一致，结果如图3所示。因此可以确定该磁痕不是由表面粗糙引起的非相关显示。

2  试验验证分析

为分析夹板处磁痕出现的缘由，将从无损检测（渗透检测、超声检测）、理化检验、应力测试三个方向进行试验分析及验证。

2.1  渗透检测

渗透检测是一种表面检测方法，也是验证磁粉检测结果最直观最有效的一种检测方法。当工件表面具有开口缺陷时，通过在工件表面施涂（喷涂）含有颜色的渗透剂后，在毛细作用下，经过一定时间，渗透剂可以进入表面开口缺陷中，去除多余渗透剂，经干燥，再施涂（喷涂）显像剂，最终缺陷直观显像。若有缺陷显像，可以和磁粉检测结果直接对比，以验证磁粉检测结果的正确性。

为鉴别磁痕处是否为表面开口缺陷，首先对该支座夹板磁痕处进行渗透检测，按照渗透检测标准步骤进行操作，结果无渗透液痕迹显示，如图4所示，所以该处磁痕显示不是由表面开口缺陷引起的。

2.2  超声检测

由渗透检测可知该处缺陷为非表面开口缺陷引起，则有可能为内部缺陷延伸至前表面引起的磁痕显示。为确定是否为内部缺陷引起的表面磁痕显示，现场采用超声波探头（型号为：2.5P10Z）对有磁痕的夹板从厚度方向进行超声检测，看是否能发现异常波。最终超声检测结果无异常，表明该处内部无超标缺陷，故该磁痕不是由内部缺陷延伸至浅表面引起的磁痕显示。

因此从无损检测方向可知，该处磁痕为非材料的宏观不连续性引起的。

2.3  理化检验

理化检验包括化学分析、物理试验、金相检验等化学分析通常是分析材料的成分，物理试验一般是检验材料的硬度、强度、屈服、塑性等物理量，而金相检验通常是材料金相组织的宏观检验。

鉴于前面无损检测结果为支座无表面开口缺陷和内部缺陷，为分析是否由于焊接改变该处内部组织，从而造成该处内部组织不均匀而形成的磁痕显示。随机抽取一件有磁痕的支座进行理化分析，看是否可以从夹板内部组织分析磁痕显示的原因。

从夹板磁痕显示处取横截面进行金相检验，将样品打磨抛光后置于金相显微镜下观察，未见明显分层或者开裂等缺陷。为进一步分析，将样品经4%硝酸酒精溶液侵蚀后用金相显微镜放大100倍观察，结果如图5所示，组织均匀且完好，没有出现如图6所示的珠光体带状分布聚集现象（材料偏析的主要表现）。因此上述磁痕不是偏析引起的。可以考虑此磁痕为应力引起的。

2.4  应力检测

铁磁性材料工件内存在应力时，材料产生各向异性，而应力或应变状态的变化将会引起铁磁性材料磁导率或磁阻的变化[6，7]，当磁导率或磁阻变化达到一定值时，磁粉检测时会出现磁痕显示。

为验证是否为应力引起的磁痕，且磁痕处是否为应力最大值，将超声检测无内部缺陷且夹板带有磁痕的支座进行应力检测。

现阶段相对成熟的残余应力检测方法主要有盲孔法和X射线衍射法[8-10]，盲孔法属于有损的检测方法，在被测位置贴上应变花，根据应变片或应变花在钻孔过程中检测的形变量来计算残余应力值，这该方法对被测工件有破坏性，不利于后续的对比研究。X射线衍射法属于无损的检测方法，且公司刚好配有X射线应力测试设备，所以选用X射线衍射法测试应力。因夹板中间平行焊缝方向出现磁痕，因此以垂直磁痕方向，分别在焊缝与底板连接处、焊缝中部以及夹板处取7个应力测试点点，具体见残余应力测试点分布图，如图7所示。根据GB/T 7704—2017《无损检测 X射线应力测定方法》要求对各点进行应力测试，测试结果如表1所示，所有测试点结果值都为负数，表示各点应力为残余应力，且为拉应力，正好符合夹板两侧焊缝情形。由表1可见磁痕处残余应力值最大达到-18.4 MPa，由图7可知该应力点最大值正好在夹板中间处，而该处正好是磁痕出现的位置。

2.5  工艺复现试验

为确定支座夹板处磁痕是焊接产生的，对该焊接工艺进行复現试验。即随机抽取即将进行组焊的2组部件（4个夹板和2个底座），首先用超声检测方法从厚度方向对夹板进行检测，确定部件内部完好无分层等内部缺陷，超声检测结果显示无分层等内部缺陷，如图8所示。随后对这4个夹板用磁粉检测方法进行检测，确定表面无磁痕。最后对这4个夹板用与前面支座相同焊接方式方法进行组焊，待支座组焊件冷却至室温后，再次对这2件支座进行磁粉检测，结果这4个夹板中有3件在相同的位置出现了磁痕显示。

3  分析讨论

通过上述渗透检测、超声检测、磁粉检测、理化检验以及工艺复现可以证明该磁痕为非母材自身缺陷。并且由应力检测结果显示磁痕处残余应力值明显比周边其他几个测试点高，故可考虑磁痕为残余应力引起。

焊接是一个局部迅速加热和冷却的过程，它是两种或两种以上材料通过原子或分子的结合和扩散连接形成一体的工艺过程。在这个过程中，金属经历了快速的相变和热胀冷缩。焊缝处的金属在高温熔化时受热膨胀，由于温度在传递过程中有热量散失，焊件不会自由膨胀，在焊缝处被焊接金属约束焊缝金属产生热膨胀，最终对焊缝处的金属形成一个挤压的力。高温条件下，材料的屈服极限本身就很低，强大的挤压力非常容易使焊缝处金属超过屈服极限从而产生大的塑性变形。置于室温下的焊件，焊缝处的金属又会快速冷却，产生收缩现象，收缩的同时也会收到焊缝附近金属的一个约束，对焊缝处的金属产生一个大拉应力。由于残余塑性变形的存在，热应力就未能完全去除，会残余下应力，形成焊接残余应力[11]。

而残余应力引起的磁痕在现场可通过一定方法消除，批量现象可以通过改变工艺而从根本上消除其引起的磁痕。

3.1  现场磁痕消除试验

国内外对残余应力的消除有多种方法，例如机械拉伸、低应力无变形拉伸、滚压法、超载法、整体热处理法、局部热处理法、温差拉伸法、锤击法（敲击法）[12，13]。敲击法具有设备简单、操作方便、成本低等优点，基于现场条件采用了敲击的方式测试，即用带有圆头的铁锤，以铁锤圆头最顶处沿磁痕走向迅速均匀有序敲击，直到铁锤离开磁痕区域。对敲击部位抛光处理，最后进行磁粉检测检查验证磁痕是否还在。通过磁粉检测，磁痕消失，如图9所示。

3.2  焊接工艺优化

原焊接工艺以夹板一侧焊缝端头为焊接起点连续焊接，直到夹板另一端焊缝端头为止，夹板两端焊缝为一整条焊缝。经过前期试验验证，该工艺容易在该夹板中间平行焊缝方向出现磁痕，为避免再次出现该批量问题，经过多次试验验证，对焊接工艺进行改良和优化：即在夹板焊缝两端先等间距点焊，然后依次分段焊接，直到整条焊缝焊接完成。现场通过磁粉检测验证，此工艺后续未批量出现该类磁痕。

通过上述分析可知：本文中描述的支座夹板中间出现的磁痕为残余应力引起的磁痕，非板材原缺陷引起的磁痕；且通过优化焊接工艺，可以有效避免出现批量类似现象。

4  结  论

通过上述渗透检测、超声检测、金相分析、应力测试等及工艺复现等得出如下结论：

1）通过试验分析，支座夹板处的磁痕是由焊接产生的残余应力所引起的。

2）通过优化焊接工艺，可从源头减少焊接应力对焊接处磁筹的影响，从而消除应力磁痕。

3）应力磁痕也可现场消除，经渗透检测排除表面开口缺陷后，通过沿磁痕走向，铁锤与磁痕表面按一定倾角迅速均匀有序敲击磁痕，从而消除磁痕。

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作者简介：郭永良（1986—），男，汉族，湖南郴州人，工程师，硕士，研究方向：无损检测方面的研究和实际应用。