面向驅(qū)動(dòng)橋殼再制造的磁記憶無(wú)損檢測(cè)

黃海鴻 劉儒軍 張 曦 劉志峰

合肥工業(yè)大學(xué)，合肥，230009

0 引言

中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年中國(guó)汽車產(chǎn)銷量迅猛增加，雙雙突破1800萬(wàn)輛。目前，市場(chǎng)上沖壓焊接式橋殼因其制造工藝簡(jiǎn)單、材料利用率高、廢品率低及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。受汽車使用年限的限制，報(bào)廢量與日俱增，巨大的再制造價(jià)值引起人們極大關(guān)注。再制造檢測(cè)是決定零部件能否再制造的關(guān)鍵步驟，金屬磁記憶檢測(cè)作為一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［1］，因?qū)?gòu)件失效和疲勞損傷具有早期診斷的能力而受到了極大關(guān)注。鐵磁性物質(zhì)在地磁場(chǎng)與外應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力和變形集中區(qū)磁疇狀態(tài)發(fā)生不可逆變化，在材料表面突變的漏磁信號(hào)以“磁記憶”的形式記錄下來(lái)，可通過磁記憶信號(hào)的法向分量Hp（y）和切向分量Hp（x）以及磁記憶信號(hào)法向分量梯度K來(lái)表征材料的損傷程度。

為探討磁記憶現(xiàn)象的本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)磁記憶檢測(cè)工業(yè)化應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用研究。文獻(xiàn)［2-6］研究了不同材料的光滑及缺口拉伸試樣在不同載荷下彈性階段及塑性變形階段磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律，采用磁記憶信號(hào)法向分量Hp（y）及其梯度K來(lái)表征拉伸不同階段材料應(yīng)力集中和損傷狀況；張衛(wèi)民等［7］研究了螺紋連接在拉伸載荷過程中的磁記憶信號(hào)變化規(guī)律，結(jié)合有限元方法探討了磁記憶信號(hào)與彈塑性變形之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［8-9］將磁記憶檢測(cè)應(yīng)用于壓力容器、曲軸、儲(chǔ)氣罐等設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)。雖然眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但都是圍繞著具體材料或結(jié)構(gòu)件進(jìn)行的單一檢測(cè)。不同材料的內(nèi)部組織、熱處理方法、性能，以及結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、加載及檢測(cè)環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，因此，需要建立一個(gè)從材料評(píng)估到結(jié)構(gòu)件檢測(cè)的復(fù)合流程。

汽車驅(qū)動(dòng)橋殼材料510L鋼（原16MnL鋼）韌性較好，經(jīng)過一定服役期后出現(xiàn)局部應(yīng)力集中及小損傷，隨著塑性變形會(huì)發(fā)生微裂紋和微孔洞的形核和進(jìn)一步擴(kuò)展［10］，因此橋殼損傷區(qū)及變形量的檢測(cè)是決定其能否再制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文通過對(duì)510L鋼材料的拉伸試樣進(jìn)行磁記憶檢測(cè)，揭示試樣不同拉伸階段材料應(yīng)變量與磁記憶信號(hào)法向分量Hp（y）及其梯度K的變化規(guī)律；在結(jié)合拉伸試樣應(yīng)變量與磁記憶信號(hào)特征量關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究磁記憶信號(hào)特征量與橋殼結(jié)構(gòu)件變形量的關(guān)系，為評(píng)估橋殼損傷提供依據(jù)，建立從材料評(píng)估到結(jié)構(gòu)件檢測(cè)一體化的廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼再制造檢測(cè)方法。

1 510L鋼的拉伸磁記憶檢測(cè)

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

510L鋼的化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)取樣按照GB2975-1998及GB／T3273-2005標(biāo)準(zhǔn)，板材沿垂直于軋制方向采用線切割截取，并按GB／T228-2002加工標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，試樣形狀尺寸見圖1。在試樣中央檢測(cè)區(qū)沿試樣長(zhǎng)度方向標(biāo)記1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三條平行檢測(cè)線，線間距為4.5mm，檢測(cè)沿這三條線從左到右進(jìn)行。在MTS810型液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其載荷傳感器精度高于0.5%，靜態(tài)載荷誤差為±0.5%；采用EMS2000＋型智能磁記憶檢測(cè)儀檢測(cè)試樣表面的磁記憶信號(hào)，兩通道筆式探頭裝夾在非鐵磁性電控移動(dòng)臺(tái)上，檢測(cè)步距為1mm，背景磁場(chǎng)抑制，大地磁場(chǎng)校準(zhǔn)。

表1 試樣的化學(xué)成分

圖1 試樣及檢測(cè)線

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB／T228-2002《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗(yàn)方法》測(cè)定510L鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖2，測(cè)得屈服強(qiáng)度σs＝485MPa、抗拉強(qiáng)度σb＝552MPa。參照應(yīng)力-應(yīng)變曲線，另取2組試樣，每組6根，常溫下緩慢加載，當(dāng)達(dá)到規(guī)定應(yīng)變量時(shí)停止加載，取下試樣按南北方向水平放置，按照檢測(cè)線進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)探頭移動(dòng)方向保持一致，提離高度為1mm，移動(dòng)速度為8mm／s。拉伸試驗(yàn)前為消除試樣加工過程殘余應(yīng)力等造成的表面不均勻剩磁，采用TC-2退磁器對(duì)試樣進(jìn)行交流感應(yīng)退磁處理，以凈化初始磁信號(hào)。

圖2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.3 塑性區(qū)磁記憶信號(hào)的分析

由圖2可知，材料在拉伸過程中經(jīng)歷了彈性、屈服、強(qiáng)化和頸縮4個(gè)階段。在試樣進(jìn)入屈服階段以后，分別在應(yīng)變?chǔ)艦?.0%、3.7%、9.3%、14.3%、18.9%、22.1%后卸載，并按照標(biāo)定路線進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。對(duì)比兩組試樣檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第1組試樣的1號(hào)、2號(hào)檢測(cè)線在不同應(yīng)變下的磁記憶信號(hào)分布見圖3。由圖3可知，1號(hào)、2號(hào)檢測(cè)線在不同應(yīng)變量下磁記憶信號(hào)法向分量變化規(guī)律一致，這說明光滑試樣在拉伸載荷下為均勻塑性流動(dòng)。下面以1號(hào)檢測(cè)線為例，揭示不同應(yīng)變下磁記憶信號(hào)特征量變化規(guī)律。

圖3 試樣塑性階段不同應(yīng)變下磁記憶信號(hào)

試樣1～6在塑性變形的不同階段，其磁記憶法向分量表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。在塑性變形初期，Hp（y）為斜線，隨著應(yīng)變量的增大，Hp（y）有減小的趨勢(shì)；應(yīng)變達(dá)到18.9% 時(shí)，Hp（y）值發(fā)生落差性的減小，并在30mm位置出現(xiàn)過零點(diǎn)；應(yīng)變?yōu)?2.1% 時(shí)試樣出現(xiàn)頸縮，Hp（y）變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)。分析塑性變形初始階段磁信號(hào)規(guī)律：由于晶體在退磁狀態(tài)下的磁疇分布狀態(tài)強(qiáng)烈依賴于外應(yīng)力、磁場(chǎng)熱處理和退磁的方式［11］，常溫下材料經(jīng)交流退磁后，在塑性區(qū)發(fā)生了不可逆變形，磁疇壁擴(kuò)展合并，磁疇重新分布，在應(yīng)力作用下試樣內(nèi)部能量得到重新分配，磁疇有序化排列。在塑性變形初始階段，材料的塑性流動(dòng)呈均勻流動(dòng)狀態(tài)，光滑試樣各截面應(yīng)力差別不大，試樣沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)變量繼續(xù)增大到出現(xiàn)頸縮時(shí)，Hp（y）則出現(xiàn)了變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)、過零點(diǎn)及數(shù)值發(fā)生較大變化等現(xiàn)象，主要原因是光滑試樣內(nèi)在缺陷或夾雜物處在大載荷下最先出現(xiàn)了損傷，并以強(qiáng)烈的漏磁信號(hào)形式在試樣表面體現(xiàn)出來(lái)。

為進(jìn)一步研究磁記憶信號(hào)與應(yīng)變的關(guān)系，使應(yīng)力損傷量化，令磁記憶信號(hào)法向分量梯度K為

K是Hp（y）微分后的量化值，反映檢測(cè)線上每個(gè)點(diǎn)的磁記憶信號(hào)變化。提取試樣表面磁記憶信號(hào)法向分量梯度最大值Kmax，分析1號(hào)檢測(cè)線Kmax與應(yīng)變量的關(guān)系，見表2。在塑性變形初始階段，隨應(yīng)變量的增大，Kmax有增大的趨勢(shì)，但變化幅度較小；當(dāng)繼續(xù)加載到試樣出現(xiàn)頸縮時(shí)，梯度Kmax出現(xiàn)明顯的增大。

表2 塑性階段不同應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的梯度Kmax

分析Hp（y）的變化規(guī)律及Kmax值，發(fā)現(xiàn)兩者有共同的規(guī)律性。塑性變形初期Hp（y）為斜線，Kmax在波動(dòng)的基礎(chǔ)上有小幅度的增大，兩者變化都不顯著；當(dāng)出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時(shí)，Hp（y）變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)且出現(xiàn)過零點(diǎn)，Kmax出現(xiàn)突變，試樣表面的磁記憶信號(hào)強(qiáng)烈。Hp（y）的變化規(guī)律及Kmax都與拉伸試樣的應(yīng)變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且規(guī)律相同，由此證明了磁記憶方法用于檢測(cè)510L鋼拉伸試樣應(yīng)變損傷的可行性，為磁記憶方法應(yīng)用于510L鋼廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼檢測(cè)提供了依據(jù)。

2 驅(qū)動(dòng)橋殼的磁記憶檢測(cè)

2.1 橋殼危險(xiǎn)區(qū)判斷

根據(jù)某車橋公司的汽車驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)橋殼最易損壞的位置為半軸套管與橋殼本體焊縫處、彈簧座與殼體圓弧過渡處，在焊縫處熔池凝固是非平衡結(jié)晶，冷卻速度快，結(jié)晶時(shí)化學(xué)成分不能及時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致在焊接后極易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象［12-13］，在熔合區(qū)成分不均勻更為明顯；彈簧座與殼體圓弧過渡處則會(huì)在沖壓成形時(shí)出現(xiàn)材料的塑性變形，在車橋運(yùn)行過程中成為斷裂危險(xiǎn)區(qū)域，過渡弧外側(cè)受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力。汽車在運(yùn)行過程中，橋殼承受加載力、扭轉(zhuǎn)力，在疲勞載荷作用下兩處危險(xiǎn)區(qū)最易出現(xiàn)塑性變形、應(yīng)力集中甚至斷裂破壞現(xiàn)象。

2.2 橋殼檢測(cè)與分析

隨機(jī)抽取4根廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼，對(duì)半軸套管與橋殼本體焊縫處（檢測(cè)區(qū)A）、彈簧座與殼體圓弧過渡處（檢測(cè)區(qū)B）進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。檢測(cè)A區(qū)時(shí)，探頭垂直沿半軸套管母線方向在焊縫附近區(qū)域檢測(cè)；檢測(cè)B區(qū)時(shí)，探頭垂直沿橋殼軸向檢測(cè)。橋殼變形量的檢測(cè)通過測(cè)量橋殼高度差的方法測(cè)定，橋殼兩端半軸套管用支撐環(huán)支撐，旋轉(zhuǎn)橋殼，采用高度游標(biāo)卡尺測(cè)量加強(qiáng)環(huán)中心點(diǎn)a的上下偏差，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)橋殼檢測(cè)示意圖

檢測(cè)區(qū)A、B的Kmax測(cè)量結(jié)果見表3，1號(hào)～4號(hào)廢舊橋殼檢測(cè)區(qū)A沿橋殼母線檢測(cè)得到的梯度分布見圖5，檢測(cè)區(qū)B沿橋殼母線檢測(cè)得到的梯度分布見圖6。

表3 廢舊橋殼變形量與檢測(cè)區(qū)A、B磁場(chǎng)梯度Kmax對(duì)比

檢測(cè)顯示，3號(hào)廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼在檢測(cè)區(qū)A處，Hp（y）有較大變化，在熔合區(qū)有過零點(diǎn)，梯度Kmax最大（值為10.50×10-3A／mm2）；其他3個(gè)橋殼在檢測(cè)區(qū)A處的磁場(chǎng)強(qiáng)度有一定的波動(dòng)，但波動(dòng)范圍較小，變化平緩，K較小且沒有大的突變峰。檢測(cè)區(qū)B磁記憶檢測(cè)結(jié)果顯示，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)橋殼的梯度K沿檢測(cè)路徑表現(xiàn)出相似規(guī)律，即越靠近彈簧座磁記憶信號(hào)波形變化越大；而3號(hào)橋殼則沒有表現(xiàn)出大的跳躍性，在檢測(cè)過程中波形出現(xiàn)輕微的均勻跳動(dòng)。

結(jié)果表明，在同一檢測(cè)環(huán)境下，不同變形量的廢舊橋殼與磁記憶特征信號(hào)表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。3號(hào)廢舊橋殼在焊縫邊緣出現(xiàn)突變梯度Kmax（值為10.50×10-3A／mm2），而彈簧座附近磁信號(hào)變化平緩，表明該橋殼焊縫處最先出現(xiàn)了應(yīng)力集中，為橋殼的易損壞區(qū)域，在疲勞載荷下?lián)p傷加深并最終演變?yōu)榇蟮淖冃危ń?mm）。在疲勞載荷下彈簧座處塑性變形情況更加嚴(yán)重，這是由于彈簧座與殼體圓弧過渡處沖壓成形時(shí)即存在塑性變形。1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)廢舊橋殼梯度K的變化規(guī)律表明，越靠近彈簧座，應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，橋殼臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果也表明此處是橋殼最易發(fā)生損傷的區(qū)域之一。

圖5 1～4號(hào)橋殼檢測(cè)區(qū)A梯度K

圖6 1號(hào)～4號(hào)橋殼檢測(cè)區(qū)B梯度K

2.3 驅(qū)動(dòng)橋殼再制造的性能評(píng)估

對(duì)比光滑拉伸試樣與橋殼的磁記憶檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)變形量與磁記憶特征信號(hào)具有相關(guān)性。當(dāng)變形量較小時(shí)，材料均勻塑性變形，Hp（y）、K發(fā)生微小波動(dòng)，無(wú)應(yīng)力集中；當(dāng)發(fā)生大的塑性變形時(shí)，材料漏磁信號(hào)增強(qiáng)，磁場(chǎng)梯度出現(xiàn)大的突變。

廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼的變形量及局部損傷程度都決定了其再制造性能，通過分析變形量與磁記憶信號(hào)特征量的關(guān)系可以表征和評(píng)估橋殼的再制造性能。廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼檢測(cè)流程見圖7。使用磁記憶檢測(cè)儀，快速地對(duì)橋殼半軸套管與橋殼焊縫處、彈簧座與殼體圓弧過渡處等危險(xiǎn)部位進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)磁記憶信號(hào)法向分量Hp（y）變化平緩，梯度K在小范圍內(nèi)跳動(dòng)時(shí)，判定橋殼無(wú)損傷，直接進(jìn)入下一步再制造工序。當(dāng)Hp（y）出現(xiàn)明顯的波峰波谷，K發(fā)生劇烈跳動(dòng)（如 Kmax達(dá)到10.50×10-3A／mm2）時(shí)，判定橋殼出現(xiàn)損傷，并且還可能伴隨著橋殼的變形，可針對(duì)損傷區(qū)采用渦流等其他常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證，確定損傷程度，確定橋殼損傷的再制造修復(fù)與加工方案；同時(shí)對(duì)橋殼實(shí)行變形量檢測(cè)，根據(jù)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)對(duì)小變形橋殼進(jìn)行矯正。橋殼經(jīng)過檢測(cè)、再制造修復(fù)和加工后，再進(jìn)入測(cè)試程序，驗(yàn)證經(jīng)過再制造的新橋殼是否具備進(jìn)入下一個(gè)服役周期的性能。

圖7 驅(qū)動(dòng)橋殼再制造檢測(cè)流程圖

3 結(jié)論

（1）光滑拉伸試樣及驅(qū)動(dòng)橋殼的磁記憶信號(hào)特征量隨應(yīng)變量的變化表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。Hp（y）分布與K值的變化規(guī)律相同，光滑拉伸試樣塑性變形初期，Hp（y）為斜線，Kmax變化微弱，隨應(yīng)變量的增大有小幅增大；當(dāng)出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象時(shí)，頸縮位置出現(xiàn)不均勻塑性流動(dòng)，Hp（y）變化趨勢(shì)反轉(zhuǎn)且出現(xiàn)過零點(diǎn)，Kmax出現(xiàn)較大突變；驅(qū)動(dòng)橋殼變形量較小時(shí)Kmax較小，變形量較大時(shí)Kmax也相應(yīng)增大。從材料評(píng)估到結(jié)構(gòu)件檢測(cè)的一體化流程證明了磁記憶檢測(cè)方法用于廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼再制造檢測(cè)的可行性。

（2）通過Kmax可判別橋殼應(yīng)力集中情況，由Kmax也可推導(dǎo)橋殼的變形程度，從而判別橋殼的整體損傷程度，確定橋殼的再制造性能。

（3）磁記憶方法采集的是弱磁信號(hào)，而弱磁信號(hào)易受到各種環(huán)境的影響，廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼的結(jié)構(gòu)、載荷、工況、殘余應(yīng)力、變形量、環(huán)境磁場(chǎng)等因素非常復(fù)雜，目前還無(wú)法制訂統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定量分析工件損傷程度，所以還需要結(jié)合渦流、超聲等無(wú)損檢測(cè)手段進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼的再制造性能。

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