基于磁記憶機(jī)理的焊縫疲勞累積損傷特征

邢海燕，楊文光，黃保富，秦 萍

（1.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，大慶 163318；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

焊縫結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于壓力容器、鍋爐管道等設(shè)備中。由于焊縫在焊接過程中受焊接技術(shù)、溫度及母材與焊條材料的熱力學(xué)性能等因素影響，易產(chǎn)生咬邊、夾雜、未焊透等缺陷并導(dǎo)致較大的殘余應(yīng)力。服役后的設(shè)備若長期在高溫高壓的條件下工作，處在交變載荷下的工作表面，特別是焊縫處易發(fā)生疲勞斷裂，可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和災(zāi)難性的后果。因此，研究焊縫在交變應(yīng)力下的力學(xué)特征、焊縫疲勞損傷過程的無損監(jiān)測及壽命評(píng)估，對(duì)保障設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前針對(duì)焊縫疲勞損傷的研究大多集中在從宏觀角度利用焊縫在工作及試驗(yàn)中表現(xiàn)出來的性能，或者從顯微微觀角度觀察材料組織變化上。而被譽(yù)為21世紀(jì)最具潛力無損檢測技術(shù)的磁記憶檢測技術(shù)能夠從宏觀、微觀兩個(gè)角度出發(fā)，運(yùn)用鐵磁學(xué)機(jī)理對(duì)焊縫進(jìn)行探傷、在線監(jiān)測及剩余壽命預(yù)測。

處于地磁環(huán)境下的鐵磁性工件受到工作載荷的作用時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)發(fā)生具有逆磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向和不可逆的重新取向并在應(yīng)力與變形集中區(qū)形成漏磁場，當(dāng)外部應(yīng)力去除后，鐵磁性工件的這種漏磁場狀態(tài)會(huì)繼續(xù)保留下來［1－2］。綜合考慮漏磁場法向分量Hp（y）過零點(diǎn)、極值點(diǎn)、峰－峰值和梯度等特征，可以準(zhǔn)確地推斷工件的應(yīng)力集中及損傷缺陷［3］。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為20號(hào)鋼，主要用于制造汽輪機(jī)和鍋爐的管子、法蘭、聯(lián)箱及各種緊固件。利用線切割機(jī)加工尺寸為300mm×70mm×6mm板狀試件，并制作試件長度方向中線為標(biāo)準(zhǔn)的V形坡口對(duì)接焊縫，焊條型號(hào)為 GB／E4303，抗拉強(qiáng)度不低于420MPa。試驗(yàn)前在試件正面測試范圍內(nèi)畫好5×5條測試線，其中測試線1～5檢測方向?yàn)楹缚p橫向，測試線6～10檢測方向?yàn)楹缚p縱向，如圖1中箭頭所示。

圖1 試件形狀及測試線位置

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB 3075—1982《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)在QBG－300型高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，磁記憶信號(hào)測試設(shè)備選用俄羅斯動(dòng)力診斷公司生產(chǎn)的TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測儀，檢測步長為1mm。試驗(yàn)過程采用先進(jìn)行靜載模擬疲勞應(yīng)力的單周期試驗(yàn)，后進(jìn)行拉－拉疲勞試驗(yàn)。試件A端裝夾在上夾頭，B端裝夾在下夾頭。靜載模擬單周期試驗(yàn)的載荷級(jí)別由最小載荷10kN開始，每級(jí)增加10kN，直至60kN，再以同樣間隔從60kN減載至10kN作為一個(gè)周期。每級(jí)載荷保載10min后沿圖1所示測試線掃描磁記憶信號(hào)，重復(fù)上述周期三次。多周期拉－拉疲勞試驗(yàn)的靜載荷35kN，動(dòng)載荷25kN，應(yīng)力比R＝1／6，間隔100千周測量一次，直至試件斷裂。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 單周期磁記憶信號(hào)特征

圖2給出測試線7在不同周期載荷上升階段焊縫縱向磁記憶信號(hào)對(duì)比情況。

由圖2（a）可知，在初始階段，磁記憶信號(hào)的跨度較大，局部梯度大，表明試件內(nèi)部在焊接加工過程中熱影響區(qū)具有較大的殘余應(yīng)力。當(dāng)試件受不同載荷作用時(shí)，磁記憶信號(hào)發(fā)生較大的改變。試件內(nèi)部磁疇會(huì)在應(yīng)力的作用下被迫改變當(dāng)前方向以減小應(yīng)變能，這就導(dǎo)致在每次加載之后，磁信號(hào)改變很大。隨著載荷的繼續(xù)反復(fù)施加，磁記憶信號(hào)的無規(guī)律跳變消失，趨勢逐漸變得一致，見圖2（b）。最后信號(hào)基本保持相同的趨勢，隨載荷的增大，磁記憶曲線不斷向上移動(dòng)，見圖2（c）。拉伸載荷會(huì)使材料產(chǎn)生應(yīng)變，由于材料內(nèi)部的不均勻性，使得局部應(yīng)力陡增，從而使構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生位錯(cuò)等微觀缺陷。此時(shí)，為了使鐵磁構(gòu)件內(nèi)的總的自由能趨于最小，在磁機(jī)械效應(yīng)的作用下必將引起構(gòu)件內(nèi)部的磁疇在地球磁場中作疇壁的位移，甚至不可逆的重新取向排列，主要以增加磁彈性能的形式來抵消應(yīng)變能，從而在鐵磁構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生大大高于地球磁場強(qiáng)度的磁信號(hào)［4］。由于金屬內(nèi)部位錯(cuò)等內(nèi)耗效應(yīng)的保留，勢必造成載荷消除后應(yīng)力集中區(qū)的保留，在磁機(jī)械效應(yīng)的作用下引發(fā)的磁疇組織的重新取向排列也會(huì)保留下來，并在應(yīng)力集中區(qū)形成類似缺陷的漏磁場分布。載荷反復(fù)施加之后，試件內(nèi)部的磁飽和程度不斷增加，磁記憶信號(hào)分布趨于穩(wěn)定［5］。

圖2 測試線7在三個(gè)周期上升階段檢測信號(hào)

2.2 多周期磁記憶信號(hào)特征

圖3 焊縫橫向磁記憶檢測信號(hào)

圖3 給出試件在動(dòng)載試驗(yàn)加載前、斷裂前及斷裂后的焊縫橫向磁記憶信號(hào)。由圖3（a）可知，在多個(gè)循環(huán)周期結(jié)束后，橫向檢測信號(hào)基本趨于一致，可見1～5檢測線均在35～45mm處有過零點(diǎn)、極值等特征點(diǎn)，可判斷此時(shí)在焊縫處存在較大的應(yīng)力集中。在圖3（b）試件斷裂前即循環(huán)1 100千周時(shí)的測試信號(hào)中，測試線1發(fā)生了巨大的跳變，該信號(hào)在35mm處過零點(diǎn)并完全分為正負(fù)兩極，峰－峰值很大且梯度是其他測試線的5倍以上，此時(shí)測試線2未出現(xiàn)較大過零點(diǎn)波動(dòng)，說明裂紋在測試線1處在萌生形成，未擴(kuò)展到測試線2位置。隨著疲勞損傷的不斷累積，裂紋不斷擴(kuò)展，在圖3（c）試件斷裂后檢測信號(hào)中，測試線2發(fā)生了明顯的變化，在25～45mm內(nèi)出現(xiàn)過零點(diǎn)、極值點(diǎn)等特征，判斷此時(shí)裂紋已經(jīng)迅速擴(kuò)展到測試線2位置，該結(jié)論被圖3（d）焊縫裂紋照片驗(yàn)證。如此可見，磁記憶特征信號(hào)的變化準(zhǔn)確預(yù)測了裂紋位置及擴(kuò)展斷裂的程度［6］。

3 分析與討論

為進(jìn)一步研究焊縫在周期載荷下磁記憶信號(hào)隨加載次數(shù)與材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，現(xiàn)提取試件中不同測試點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行分析，并尋求磁記憶信號(hào)與損傷度關(guān)系模型。

3.1 循環(huán)應(yīng)力使自磁化增強(qiáng)

測試線7中點(diǎn)（焊縫中點(diǎn)）在三個(gè)周期中檢測信號(hào)的變化如圖4所示。由圖4可知，在三個(gè)循環(huán)周期應(yīng)力的波峰及波谷處，磁記憶信號(hào)隨著循環(huán)周次的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，在載荷上升過程中的磁記憶檢測信號(hào)的梯度較載荷下降過程中大，很好地反映了磁彈性效應(yīng)原理（圖5）。這表明在多周期循環(huán)應(yīng)力和外磁場的作用下，殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度和自磁化不斷增強(qiáng)，在逆磁致伸縮效應(yīng)的作用下，引起磁疇壁位移，并改變自發(fā)磁化方向。由于巴克豪森效應(yīng)，磁疇壁的這種遷移是不可逆的，導(dǎo)致了殘余磁感應(yīng)強(qiáng)度ΔBr和自磁化不斷增強(qiáng)［7］。

圖4 焊縫中點(diǎn)三個(gè)周期檢測信號(hào)變化

圖5 磁彈性效應(yīng)原理

3.2 疲勞累積損傷程度的磁記憶表征及模型

為尋求磁記憶信號(hào)與疲勞累積損傷程度的關(guān)系，將焊縫測試線8上距試件左端分別為2，8，20，30，50mm處的磁記憶信號(hào)與循環(huán)周次的變化關(guān)系繪成圖6?？梢钥闯?，5條曲線的前半段體現(xiàn)出很強(qiáng)的一致性，后半段稍有不同。前半段均表現(xiàn)為在初始階段信號(hào)有一定的起伏，隨著加載次數(shù)的增加，信號(hào)進(jìn)入一個(gè)平穩(wěn)的階段，在疲勞循環(huán)進(jìn)行500千次時(shí)，信號(hào)出現(xiàn)突然跳變。再次經(jīng)過一個(gè)平穩(wěn)期后，1 100千次成為裂紋產(chǎn)生的臨界點(diǎn)，磁記憶信號(hào)陡增隨后出現(xiàn)急劇下跳的情況。分析以上曲線變化的原因，初始階段信號(hào)強(qiáng)度較高是由于焊縫處存在加熱不均勻和缺陷等因素導(dǎo)致的較大的應(yīng)力集中，隨著加載次數(shù)的增加，試件內(nèi)部的應(yīng)力集中重新分布趨于穩(wěn)定［8］。伴隨著載荷次數(shù)的增加，材料晶格中開始出現(xiàn)位錯(cuò)和滑移，滑移帶高度集中到一定程度導(dǎo)致微裂紋萌生，磁記憶信號(hào)出現(xiàn)突然地跳變。隨著微裂紋互相匯合并擴(kuò)展到一定程度，試件的剩余截面積不能承受載荷而產(chǎn)生突然斷裂，磁記憶信號(hào)在臨界斷裂時(shí)出現(xiàn)巨大跳變［9－10］。由于磁記憶信號(hào)能夠反映疲勞累積損傷不斷加劇的過程，因此可以在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立磁記憶信號(hào)與疲勞累積損傷度的關(guān)系模型。

圖6 焊縫上各點(diǎn)磁信號(hào)

依據(jù)線性累計(jì)損傷 Miner理論，可依據(jù)式（1）的疲勞破壞判據(jù)，確定在不同循環(huán)周次下的損傷度：

式中D為損傷度；Nk為在應(yīng)力幅σk下的疲勞循環(huán)次數(shù)；Nfk為應(yīng)力幅σk下疲勞壽命。

為了建立磁記憶信號(hào)與疲勞損傷度的關(guān)系模型，定義ΔHp（y）i為不同循環(huán)周次下的磁記憶信號(hào)值與初始信號(hào)的差值，ΔHp（y）為磁記憶信號(hào)最大值與最小 值 之差，即 ΔHp（y）＝Hp（y）max－Hp（y）min。將磁記憶信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，則磁記憶信號(hào)變化率δHp（y）為：

由此繪出各點(diǎn)磁記憶信號(hào)歸一化變化率與循環(huán)周次關(guān)系如圖7所示，進(jìn)一步依據(jù)式（1），將不同循環(huán)周次換算為損傷度D，并對(duì)圖7中5條磁記憶信號(hào)歸一化曲線求平均值，得損傷度D與磁記憶信號(hào)歸一化變化率δHp（y）平均值對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表1。

圖7 磁記憶信號(hào)變化率

表1 損傷度與信號(hào)變化率對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到指數(shù)函數(shù)模型見圖8。

圖8 損傷度與信號(hào)歸一化變化率關(guān)系及擬合函數(shù)

由于疲勞損傷是一個(gè)累積的過程，而構(gòu)件的磁場強(qiáng)度也是一個(gè)累積的過程，在反復(fù)的加載過程中，伴隨著構(gòu)件內(nèi)部位錯(cuò)的發(fā)生，磁疇疇壁的位移也在繼續(xù)增加，磁場強(qiáng)度隨著位錯(cuò)的數(shù)量增多呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性。當(dāng)位錯(cuò)的數(shù)量足夠大，位錯(cuò)相互連通繼而形成裂紋時(shí)，疇壁的移動(dòng)更加劇烈，導(dǎo)致磁場強(qiáng)度的變化率加大。當(dāng)構(gòu)件斷裂時(shí)，磁場強(qiáng)度達(dá)到頂峰。由表1和圖8可以看出，當(dāng)磁記憶歸一化變化率δHp（y）在0.21～0.27之間變化時(shí)，疲勞損傷度最高為0.46，平均疲勞壽命已近30%，應(yīng)該引起警示；當(dāng)δHp（y）在0.3～0.5之間變化時(shí)，疲勞損傷度最高達(dá)0.85；當(dāng)δHp（y）為0.5時(shí)，疲勞壽命近90%，處于臨界斷裂狀態(tài)。由此可見，磁記憶信號(hào)的歸一化變化率可以很好地表征疲勞累積損傷程度，反映構(gòu)件疲勞損傷演化過程并能夠預(yù)測焊縫的剩余壽命，為防止焊縫斷裂等安全生產(chǎn)提供保障。

4 結(jié)論

（1）在單周期加載過程中，焊縫初始?xì)堄鄳?yīng)力較大，磁記憶信號(hào)無規(guī)律跳變。隨著拉伸載荷的不斷增加，試件內(nèi)部的磁飽和程度不斷增加，焊縫縱向磁記憶曲線整體不斷向上移動(dòng)，分布趨于穩(wěn)定。

（2）在多周期循環(huán)加載過程中，焊縫的磁記憶信號(hào)隨著循環(huán)周次的增加，呈現(xiàn)螺旋上升的趨勢，很好地驗(yàn)證了磁彈性效應(yīng)理論。

（3）焊縫橫向磁記憶信號(hào)在應(yīng)力集中區(qū)有局部極值、拐點(diǎn)或過零點(diǎn)等信號(hào)特征，并在裂紋形成的臨界點(diǎn)出現(xiàn)巨大的過零點(diǎn)跳變峰－峰值，而裂紋未擴(kuò)展處無此特征信號(hào)，磁記憶特征信號(hào)的變化能準(zhǔn)確反映裂紋位置及擴(kuò)展斷裂的程度。

（4）通過觀察磁信號(hào)的變化趨勢，綜合分析采集到的信號(hào)特征點(diǎn)，建立損傷度與磁記憶信號(hào)函數(shù)模型，判斷試件內(nèi)部損傷狀態(tài)預(yù)測焊縫剩余壽命，對(duì)保障安全生產(chǎn)有重要意義。

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