基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于應(yīng)力無損測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接 殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法。該方法利用焊接殘余應(yīng)力對鐵磁性材料磁致伸縮系數(shù)曲線的影 響，采用磁致伸縮橫波測試方法，測取焊接區(qū)域的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線，提取特征參量對 焊接區(qū)域的拉、壓殘余應(yīng)力大小進(jìn)行表征。
【背景技術(shù)】：
[0002] 焊接過程是一個(gè)對焊件局部加熱繼而逐漸冷卻的過程，不均勻的溫度場將使焊件 各部分產(chǎn)生不均勻變形，從而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、 抗脆斷和抗應(yīng)力腐蝕開裂等能力，殘余應(yīng)力的無損測試是評價(jià)焊接質(zhì)量的重要技術(shù)手段。
[0003] 超聲波法是焊接殘余應(yīng)力無損測量的重要方法之一。當(dāng)前主要基于聲彈效應(yīng)，采 用超聲波在焊接區(qū)域內(nèi)的聲速變化反映殘余應(yīng)力大小。由于聲彈效應(yīng)較為微弱，聲速對應(yīng) 力的靈敏度不高，采用該方法進(jìn)行檢測時(shí)，對信號采集硬件要求較高，且檢測結(jié)果易受噪聲 干擾。因此，有必要探索基于不同檢測機(jī)理的應(yīng)力測量新方法，并提高方法的檢測靈敏度和 抗干擾能力。
[0004] 本發(fā)明公布的基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法，采用超 聲波幅值隨勵(lì)磁場強(qiáng)度的變化曲線中的多項(xiàng)特征參數(shù)，對焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行表征，屬于新 的應(yīng)力無損測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明是一種基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法，目的在 于提供一種可實(shí)現(xiàn)高效、便捷、準(zhǔn)確的焊接殘余應(yīng)力測量新方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本 發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：
[0006] 基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法，其原理涉及鐵磁性材 料的固有磁-彈特性，即鐵磁性材料的應(yīng)力狀態(tài)不同時(shí)磁致伸縮系數(shù)曲線將發(fā)生改變，進(jìn)而 影響磁致伸縮橫波傳感器的磁-聲轉(zhuǎn)換效率;不同勵(lì)磁場強(qiáng)度作用下，磁致伸縮橫波探頭的 超聲激勵(lì)與接收效率能夠間接反映材料磁致伸縮系數(shù)曲線的變化，致伸縮橫波探頭的超聲 激勵(lì)與接收效率以橫波在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)的反射信號幅值表示，將橫波反射信號幅值隨材料表 面切向磁場強(qiáng)度的變化曲線，即動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線，經(jīng)移動(dòng)平均處理后，提取出任意表 面切向磁場強(qiáng)度下的幅值或動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線的斜率;記錄各焊接殘余應(yīng)力水平下的 任意表面切向磁場強(qiáng)度下的幅值或動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線的斜率并擬合得到標(biāo)定方程，對 焊接區(qū)域拉、壓殘余應(yīng)力大小進(jìn)行表征。
[0007] 當(dāng)磁致伸縮橫波傳感器沿焊接區(qū)域進(jìn)行掃描時(shí)，可得到殘余應(yīng)力在掃描方向的變 化規(guī)律;磁致伸縮橫波傳感器的電磁鐵由U型磁芯與繞制于磁芯的勵(lì)磁線圈構(gòu)成，單點(diǎn)檢測 過程中，磁致伸縮橫波傳感器的電磁鐵提供磁場對焊接區(qū)域進(jìn)行磁化，平面矩形線圈中通 入脈沖交流信號以激勵(lì)產(chǎn)生沿焊接結(jié)構(gòu)厚度方向傳播的橫波，反射回波被矩形平面線圈接 收;布置于平面矩形線圈中心位置的霍爾元件測量焊接區(qū)域的表面切向磁場;通過調(diào)控電 磁鐵勵(lì)磁電流幅值及周期，實(shí)現(xiàn)橫波信號的多次(>2kHz)等幅激勵(lì)與接收，測得橫波反射信 號幅值隨表面切向磁場強(qiáng)度的變化曲線，即動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線。
[0008] 基于動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)測量的焊接殘余應(yīng)力超聲評價(jià)方法的具體實(shí)現(xiàn)過程包括 測量過程和標(biāo)定過程兩部分：
[0009] 測量過程的實(shí)現(xiàn)方式是:將磁致伸縮橫波傳感器放置在焊縫7的表面，使磁致伸縮 橫波傳感器與被測焊接件8緊密貼合。利用雙通道任意函數(shù)發(fā)生器1產(chǎn)生脈沖交流信號和低 頻正弦勵(lì)磁信號。低頻正弦勵(lì)磁信號輸入至雙極性電源2進(jìn)行放大后，通入繞制于磁芯4上 的勵(lì)磁線圈3,以提供偏置磁場Hs對焊接區(qū)域進(jìn)行磁化。脈沖交流信號經(jīng)脈沖功率放大器9 放大后接入平面矩形線圈6,產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場Hd。材料在偏置磁場與動(dòng)態(tài)磁場共同作用下，受 磁致伸縮機(jī)制控制產(chǎn)生沿焊縫7厚度方向傳播的橫波。在平面矩形線圈6的中心位置安裝一 霍爾元件5,來測量材料表面的切向磁場強(qiáng)度H。磁致伸縮橫波傳感器采用自激自收方式，檢 測橫波反射信號。當(dāng)動(dòng)態(tài)磁場Hd保持不變時(shí)，磁致伸縮橫波傳感器的激發(fā)效率β近似表達(dá)式 為：
[0011] 其中λ為磁致伸縮系數(shù)，Μ為偏置磁場強(qiáng)度Hs作用下材料的磁化強(qiáng)度。磁致伸縮系 數(shù)與材料磁化強(qiáng)度的關(guān)系采用磁致伸縮系數(shù)曲線λ-M表示。上式表明，當(dāng)動(dòng)態(tài)磁場Hd保持不 變時(shí)，磁致伸縮傳感器的橫波激發(fā)效率與磁致伸縮系數(shù)曲線的斜率
相關(guān)。當(dāng)材料內(nèi)部 的殘余應(yīng)力σ不同時(shí)，
·取值不同，進(jìn)而磁致伸縮橫波傳感器的激發(fā)效率β發(fā)生改變， 即相同動(dòng)磁場Hd作用下，傳感器激勵(lì)的橫波能量不一致，用于檢測固定厚度試件時(shí)，反射回 波的信號幅值將相應(yīng)不同。即用于檢測固定厚度試件時(shí)，動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線中任意表 面切向磁場強(qiáng)度下的幅值均可以用來表征焊接殘余應(yīng)力。
[0012] 焊接殘余應(yīng)力標(biāo)定過程的實(shí)現(xiàn)方式是:通過調(diào)控電磁鐵勵(lì)磁電流幅值及周期，以 實(shí)現(xiàn)橫波信號的多次(>2kHz)等幅激勵(lì)與接收，最終繪制出橫波反射信號幅值隨表面切向 磁場強(qiáng)度Η的變化曲線，即動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線。對動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線進(jìn)行移動(dòng)平均 處理，以得到光滑的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線。提取出任意表面切向磁場強(qiáng)度(推薦表面切向 磁場強(qiáng)度為0，
下的橫波幅值或動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線的斜率。記錄各焊接 殘余應(yīng)力水平下的任意表面切向磁場強(qiáng)度下的幅值或動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)曲線的斜率并擬 合得到標(biāo)定方程，即可用來對焊接區(qū)域拉、壓殘余應(yīng)力大小進(jìn)行表征。
[0013] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，利用磁致伸縮橫波傳感器產(chǎn)生的超聲波幅值信息巧妙 地表示了焊接殘余應(yīng)力對磁致伸縮系數(shù)曲線的影響，從而建立起焊接殘余應(yīng)力與動(dòng)態(tài)磁致 伸縮系數(shù)曲線之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的無損測量。
【附圖說明】：
[0014] 圖1磁致伸縮橫波傳感器激勵(lì)電路及檢測元件示意圖；
[0015] 圖2