15CrMoR鋼焊接冷裂紋的磁記憶特性

張 穎，李 彬，周俊鵬，2，張盛瑀，高 晗

（1.東北石油大學(xué)，大慶 163318；2.大慶油田工程建設(shè)公司石油石化設(shè)備廠，大慶 163000）

隨著過程工業(yè)的發(fā)展，壓力容器呈現(xiàn)出大型化的發(fā)展趨勢，高強(qiáng)鋼在壓力容器制造中的應(yīng)用也越來越廣泛［1］。高強(qiáng)鋼的冷裂敏感性會導(dǎo)致冷裂紋出現(xiàn)的可能性增加，而焊接冷裂紋的萌生與擴(kuò)展在時間上具有一定的延遲性，從而給安全帶來隱患，同時，也給檢測和預(yù)防帶來了困難。

傳統(tǒng)的無損檢測方法，只能對已經(jīng)形成的缺陷進(jìn)行檢測；對于焊接結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的早期損傷，尤其是尚未發(fā)展成形的不連續(xù)性變化，傳統(tǒng)的檢測方法很難對其進(jìn)行準(zhǔn)確、有效地檢測及評價，無法避免由此引發(fā)的各種事故［2］。磁記憶檢測技術(shù)作為一種新興的無損檢測方法，不僅能夠檢測出材料塑性變形及宏觀裂紋，還能對應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測和預(yù)報，因此在焊接冷裂紋的早期預(yù)測方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

筆者采用金屬磁記憶檢測技術(shù)，對15CrMoR鋼斜Y 型坡口焊接試件的冷裂紋進(jìn)行測試。通過分析焊接冷裂紋萌生與擴(kuò)展過程中焊縫表面磁記憶信號的變化，得到冷裂紋起裂位置和擴(kuò)展方向的磁記憶檢測及判別方法，初步揭示了冷裂紋磁記憶信號的變化規(guī)律。

1 冷裂紋磁記憶檢測的原理和分析方法

1.1 冷裂紋形成機(jī)理及磁記憶檢測原理

冷裂紋的產(chǎn)生一般由焊縫氫含量、焊接應(yīng)力水平和淬硬組織三個因素共同作用。其中，焊接應(yīng)力是冷裂紋萌生和擴(kuò)展的直接因素。在焊接應(yīng)力的作用下，焊縫中的氫向缺陷處聚集，使組織脆化，應(yīng)力進(jìn)一步累積；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到一個門檻值時，潛在裂紋源開裂。裂紋出現(xiàn)后，會在裂紋尖端應(yīng)力的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，最終形成宏觀裂紋［3］。

這種焊接應(yīng)力的聚集和移動可以利用金屬磁記憶方法檢測得到。金屬磁記憶檢測方法（Metal Magnetic Memory，MMM）是一種被動的無損檢測方法，可檢測出被測對象上以應(yīng)力集中區(qū)為特征的危險部位，是迄今為止對金屬部件進(jìn)行早期診斷的唯一行之有效的無損檢測方法［4］。因此，通過對焊縫及其熱影響區(qū)的磁記憶檢測，可以評定焊縫的應(yīng)力集中狀況［5］，了解整個焊接冷裂紋開裂過程應(yīng)力的變化情況，進(jìn)而判斷出冷裂紋的起裂位置和擴(kuò)展方向。圖1是焊接冷裂紋磁記憶檢測原理圖。

圖1 焊接冷裂紋磁記憶檢測原理

1.2 冷裂紋應(yīng)力集中度的“分段最大K 值判別法”

金屬磁記憶檢測是一種弱磁信號檢測方法，檢測信號易受干擾，焊接過程中較高的溫度以及缺口效應(yīng)等因素會對磁記憶信號產(chǎn)生較大的影響，所以傳統(tǒng)的具體某一點(diǎn)的漏磁場相關(guān)參數(shù)變化情況并不能準(zhǔn)確反映冷裂紋產(chǎn)生過程中磁記憶信號的變化規(guī)律。同時，冷裂紋磁記憶檢測針對的是應(yīng)力集中區(qū)，故以區(qū)域為研究對象，觀察區(qū)域的漏磁場變化能更好地反映磁記憶信號變化。因此，提出采用“分段最大K值法”，即將試驗焊縫平分為n段，分析每一小段焊縫表面漏磁場強(qiáng)度法向分量及其梯度K值的變化，進(jìn)而得到整條試驗焊縫漏磁場的變化規(guī)律。K值的大小反映了該處漏磁場強(qiáng)度的變化劇烈程度，K值越大，表面漏磁場強(qiáng)度變化越劇烈，應(yīng)力集中越明顯；K值越小，焊縫應(yīng)力集中水平越低。根據(jù)磁記憶檢測技術(shù)的基本原理可知，每段焊縫中最大應(yīng)力集中區(qū)對應(yīng)著漏磁場法向分量梯度值K的最大值。假設(shè)試驗焊縫長度為Lx，將其分為n段，每段N個點(diǎn)，則第i段j點(diǎn)的漏磁場法向分量梯度Kij和第i段焊縫最大漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度值Kmax，i分別為：

式中：Hpyij為第i段j點(diǎn)焊縫漏磁場強(qiáng)度法向分量；xi為第i段焊縫；Kmax，i為第i段焊縫最大漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度值。

2 斜Y型坡口焊接冷裂紋的磁記憶試驗

2.1 試驗方案

試驗?zāi)覆臑?5CrMoR 鋼，有著很強(qiáng)的淬硬傾向，焊接時易產(chǎn)生冷裂紋。按照GB4675.1－1984《斜Y 型坡口焊接裂紋試驗方法》的相關(guān)規(guī)定制作冷裂紋試驗試板，如圖2所示。

圖2 斜Y 坡口試件尺寸示意

試驗分為5組，每組2塊試件，共計10塊試件，組與組的試件之間取不同幾何參數(shù)（板厚、拘束焊縫長度等），具體的試件尺寸及拘束長度見表1所示。試件兩端各有一段事先焊接的拘束焊縫，構(gòu)成外加拘束力，中間部分為試驗焊縫。試件水平放置，用未經(jīng)烘干的R307C焊條進(jìn)行焊接，采用直流焊機(jī)反接接線方式，焊接電壓為24V，焊接電流為130A，從左至右進(jìn)行焊接。試驗選用TSC－1M－4型金屬磁記憶檢測儀，采用雙通道探頭，檢測步長設(shè)為1mm。

表1 五組試件的幾何尺寸 mm

2.2 試驗過程

由于磁記憶檢測探頭有使用溫度的限制，因此，需待焊縫表面溫度冷卻到55 ℃以下后才能進(jìn)行磁記憶檢測。根據(jù)試驗方案，主要完成如下測試：

（1）進(jìn)行不同板厚試件的冷裂紋磁記憶測試試驗，取1、2、3組試板，板厚依次為14、18、30mm，分別在焊后20、50、70、100、200、300、400、750、1000min時進(jìn)行檢測。

（2）進(jìn)行不同拘束長度試件的冷裂紋磁記憶測試試驗，取1、4、5組試板，板厚均為14mm，拘束長度分別為50、80、100 mm，分別在焊后25、50、70、100、200、300、400、750、1000min進(jìn)行檢測。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 磁記憶信號的小波分解和重構(gòu)

由于檢測過程或周圍環(huán)境的干擾，通常有一些附加噪聲疊加在檢測信號上，以致信號產(chǎn)生畸變，使得表征焊縫中焊接冷裂紋的特征信號淹沒其中，給信號的識別帶來困難。因此，需要采用一定的信號處理技術(shù)，將有效信號提取出來。而小波變換是一種常用的信號分解和重構(gòu)方法，對于信號降噪有著很好的效果，故應(yīng)用廣泛。小波分析方法消噪的效果主要取決于閾值選擇和所采用的小波函數(shù)［6］。筆者在對比分析不同小波分析方法的基礎(chǔ)上使用非線性方法，選擇db4小波基，分解層數(shù)為4層，閾值選擇最優(yōu)預(yù)測變量閾值Heursure閾值，對磁記憶信號進(jìn)行處理，使有用信號得以有效分離。

圖3是1號試件小波處理前后表面漏磁場信號的對比圖。圖3（a）中由于測量噪聲及試件表面光潔度的影響，原始信號峰值毛刺較多，曲線出現(xiàn)震蕩，易導(dǎo)致對焊縫應(yīng)力集中區(qū)的誤判。而經(jīng)過降噪處理后的圖3（b），短促干擾信號和無意義的孤立野值點(diǎn)被剔除，曲線更為圓滑、平穩(wěn)。同時，以1號試件50min時段采集的信號曲線為例，繪制降噪前后磁記憶信號曲線梯度值的變化趨勢（圖4）。圖4（a）中由于有噪聲干擾，曲線上有較多的毛刺，毛刺的存在使Hp值出現(xiàn)突然性的增加，這種增加并不是由于焊縫應(yīng)力集中區(qū)而產(chǎn)生的，而是來源于噪聲信號的干擾；Hp值的突然變化會改變該點(diǎn)附近梯度，使其發(fā)生失真，出現(xiàn)假值點(diǎn)，干擾應(yīng)力集中區(qū)的判斷。而圖4（b）中降噪后的曲線更加圓滑，野值點(diǎn)得到有效剔除，周圍的Hp值得到了很好的修正，此時由于Hp值發(fā)生變化，該點(diǎn)梯度值也必然會隨之發(fā)生變化；梯度值表征著焊縫的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其大小和位置的變化也就是應(yīng)力集中區(qū)的變化。因此，小波降噪前后x方向梯度的位置和大小發(fā)生變化的現(xiàn)象是合理的。

圖3 小波降噪前后試件表面Hpy 曲線

圖4 小波處理前后信號梯度

對比圖4（a）和（b）可看出，儀器自身配備的分析軟件能夠得到整條焊縫的Hp值和梯度值變化曲線，但對于焊接冷裂紋的前期預(yù)測而言，由于其本身檢測環(huán)境和冷裂紋產(chǎn)生機(jī)制的復(fù)雜性，使得其在檢測時易受噪聲信號的干擾，而導(dǎo)致信號局部失真；若使用原始信號進(jìn)行判斷，會造成應(yīng)力集中區(qū)的誤判，這也是筆者之所以采用小波降噪對磁記憶信號進(jìn)行簡單處理的原因。經(jīng)小波變換后，原始信號中的無效部分會被剔除，小波降噪前后，試件表面漏磁場梯度值有了明顯的變化，削弱了原始信號中由于毛刺而引起的梯度值變化，使結(jié)果更加貼近于真實(shí)信號。由此可見，小波降噪能夠較好地保留信號的基本特征，有效降低噪聲信號的干擾，為后續(xù)“分段最大K值法”的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 不同板厚試件冷裂紋磁記憶測試結(jié)果分析

圖5所示為經(jīng)過小波降噪處理后的不同板厚試件表面漏磁場強(qiáng)度法向分量變化曲線，其中圖5（a）、（b）、（c）分別對應(yīng)厚度為14、18、30 mm 的三組試件。對比這三組試件的磁記憶信號，發(fā)現(xiàn)盡管每組試件本身固有的應(yīng)力狀態(tài)、內(nèi)部組織等條件各不相同，但磁記憶信號的整體走向和變化趨勢基本相同。三幅圖中只有1號試件出現(xiàn)過零值的現(xiàn)象，因此利用傳統(tǒng)的“Hpy過零點(diǎn)”方法無法對應(yīng)力集中部位進(jìn)行判斷。

圖5 不同板厚試件表面漏磁場強(qiáng)度變化曲線

圖6是試驗焊縫分段最大漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度的變化曲線，橫坐標(biāo)表示將試驗焊縫均分為10個區(qū)段，每段長10 mm，縱坐標(biāo)為每個區(qū)段的最大漏磁場強(qiáng)度梯度值。對比發(fā)現(xiàn)，三組試件的曲線有著各自不同的特征。圖6（a）是1號試件的Kmax，i－xi曲線，從圖中能夠看出，試驗焊縫60～70 mm 段在20～50min內(nèi)漏磁場強(qiáng)度梯度值出現(xiàn)了較大的突變。根據(jù)磁記憶檢測的基本原理，漏磁場強(qiáng)度值出現(xiàn)突變的位置即為應(yīng)力集中較大的部位，也就是裂紋出現(xiàn)的位置。由此可以推斷，1號試件在20～50min開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂點(diǎn)位于60～70mm 范圍內(nèi)。同時，觀察不同檢測時間同一段試驗焊縫的漏磁場強(qiáng)度梯度值，可以發(fā)現(xiàn)在整個檢測過程中，隨著時間的變化，試驗焊縫的最大漏磁場強(qiáng)度梯度值Kmax，i在不斷地由60～70mm 段向左移動（向焊接起始端移動），整個變化過程與冷裂紋的開裂相吻合。由圖6（b）、（c）可以得到類似的結(jié)論，2號試件在20～50min時間段開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂位置位于60～70 mm段，3號試件在70～80mm 起裂。

圖6 不同板厚試件Kmax，i－xi 曲 線

3.3 不同拘束焊縫長度試件冷裂紋磁記憶測試結(jié)果分析

1、4、5號試件板厚均為14mm，拘束焊縫長度分別為50、80、100mm。分析如圖7中所示三組試件焊后不同冷卻時間漏磁場強(qiáng)度法向分量變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)：拘束長度的改變對于試件表面漏磁場相關(guān)參數(shù)的影響很大，試件的磁記憶信號發(fā)生了一定規(guī)律的變化。但僅憑圖7不能直觀地得到焊縫表面漏磁場的變化情況，同時傳統(tǒng)意義上“應(yīng)力集中部位Hpy過零點(diǎn)”的現(xiàn)象并未出現(xiàn)，因此，無法對應(yīng)力集中區(qū)作出有效識別。

圖7 不同拘束長度試板表面漏磁場強(qiáng)度變化曲線

對比分析三組試件在不同時刻的Kmax，i－xi曲線（圖8），可以發(fā)現(xiàn)，盡管試件兩端拘束焊縫長度有所不同，但三組試件磁記憶信號整體變化趨于一致。其中，圖8（b）是4號試件的Kmax，i－xi曲線，從圖中能夠看出，試驗焊縫60～70mm 段在25～50min內(nèi)漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度出現(xiàn)了較大的突變。由磁記憶效應(yīng)可以推斷，4號試件在25～50min開始出現(xiàn)冷裂紋，起裂點(diǎn)位于60～70 mm 范圍內(nèi)。同時，觀察不同檢測時間每段試驗焊縫的漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度，可以發(fā)現(xiàn)在整個檢測過程中，隨著時間的變化，試驗焊縫的最大漏磁場強(qiáng)度法向分量梯度Kmax，i在不斷地由60～70 mm 段向左移動，整個變化過程與冷裂紋的開裂擴(kuò)展過程相吻合。類似地，從圖8（c）可以判斷，5號試件在70～80mm 段最先出現(xiàn)漏磁場的劇烈變化，冷裂紋在此萌生并由此向左（焊接起始端）開始擴(kuò)展。

圖8 不同拘束長度試件Kmax，i－xi 曲線

采用“分段最大K值判別法”得到了如表2所示的五組試件磁記憶檢測結(jié)果，表中列出了試驗焊縫中焊接冷裂紋的起裂時間、起裂位置以及裂紋擴(kuò)展方向。由表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，五組試件焊接冷裂紋均在20～50min時間范圍內(nèi)開始出現(xiàn)，起裂位置位于60～80mm 區(qū)段，位于試件焊縫整體偏右的位置，即在焊縫末端開裂，這與焊接試板焊后的應(yīng)力分布狀況一致，即在焊縫末端應(yīng)力集中度較高。裂紋出現(xiàn)后，試驗焊縫中應(yīng)力集中區(qū)在不斷移動，對應(yīng)著拘束應(yīng)力作用下冷裂紋的擴(kuò)展，擴(kuò)展方向從右至左，此時大量的微裂紋開始匯聚，直至形成一條清晰的主裂紋。由于磁記憶檢測探頭的使用溫度限制以及冷裂紋出現(xiàn)的瞬時性，采用磁記憶檢測方法難以得到冷裂紋萌生的具體時刻，無法判斷各組試件的冷裂紋出現(xiàn)的先后順序，具有一定的局限性。

表2 不同試件焊接冷裂紋磁記憶分析結(jié)果

4 結(jié)語

（1）針對焊接冷裂紋磁記憶檢測的特點(diǎn)，采用小波變換對信號進(jìn)行了降噪處理，有效去除了噪聲信號的干擾，提出了“分段最大K值判別法”，并依此對磁記憶結(jié)果進(jìn)行分析和處理。

（2）使用“分段最大K值判別法”分析發(fā)現(xiàn)，隨著焊后時間的不斷增加，試驗焊縫的應(yīng)力狀況不斷變化。在試驗焊縫應(yīng)力集中最大的施焊終端最先出現(xiàn)磁記憶信號的突變，裂紋在此處萌生，萌生后的裂紋從右至左逐漸擴(kuò)展成一條宏觀裂紋。

（3）板厚及拘束焊縫長度對冷裂紋的磁記憶信號產(chǎn)生了一定的影響，但由于焊接過程的復(fù)雜性對于磁記憶信號的干擾，故其影響規(guī)律尚未明確，仍需要進(jìn)一步的試驗研究。

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