鎳銅合金棒材裂紋的弱磁檢測(cè)

胡 誠，于潤橋，胡 博，王焱祥，肖 楠

(無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

鎳銅合金棒材裂紋的弱磁檢測(cè)

胡 誠，于潤橋*，胡 博，王焱祥，肖 楠

(無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

針對(duì)現(xiàn)有無損檢測(cè)技術(shù)難以滿足鎳銅合金棒材裂紋檢測(cè)需求的現(xiàn)狀，提出一種地磁場(chǎng)環(huán)境下的弱磁無損檢測(cè)方法。首先理論分析鎳銅合金棒材的弱磁檢測(cè)原理和缺陷處磁異常分布特征，其次對(duì)含自然缺陷的鎳銅棒材進(jìn)行弱磁檢測(cè)。采用包絡(luò)分析法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并通過金相顯微鏡、掃描電鏡分析，驗(yàn)證弱磁檢測(cè)鎳銅合金棒材的可行性。結(jié)果表明：通過對(duì)棒材表面磁異常分布特征分析，并結(jié)合磁梯度信號(hào)的閾值處理和包絡(luò)分析法處理的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了鎳銅合金棒材內(nèi)部裂紋缺陷的有效檢出，并且裂紋檢測(cè)精度達(dá)到了微米級(jí)。

鎳銅合金棒材；裂紋；弱磁；無損檢測(cè)；地磁場(chǎng)

0 引言

鎳銅合金具有力學(xué)性能優(yōu)良、耐蝕性高、耐磨性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域[1]。目前國內(nèi)生產(chǎn)使用的鎳銅合金棒材多采用鑄棒，鑄棒中心部位常存在縮孔、夾渣、晶間裂紋等缺陷，且棒材塑性較差，致使零件在加工過程中容易發(fā)生斷裂[2]。因此，在鎳銅棒材的制造、在役階段，采用無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)棒材的診斷具有重要意義。

現(xiàn)階段用于棒材的無損檢測(cè)技術(shù)有超聲、滲透、渦流、漏磁等幾種，而針對(duì)鎳銅合金棒材無損檢測(cè)的研究不多。浙江大學(xué)研發(fā)的水浸式棒材超聲檢測(cè)系統(tǒng)解決了手工超聲檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度高、檢測(cè)效率低、對(duì)工人的經(jīng)驗(yàn)要求高等缺點(diǎn)，且適用一些圓柱度較差彎曲度較大的金屬棒材[3-4]。超聲檢測(cè)缺陷回波具有一定的指向性，易導(dǎo)致微小缺陷的漏檢。西安航空動(dòng)力控制科技有限公司在對(duì)鎳銅合金棒料滲透檢測(cè)前采用三氯化鐵溶液進(jìn)行腐蝕預(yù)處理，解決了表面開口缺陷被堵塞造成的漏檢問題，卻損壞了工件且不能檢測(cè)內(nèi)部缺陷[5]。傳統(tǒng)渦流檢測(cè)棒材多采用通過式線圈渦流探傷，無法獲得圓周方向缺陷的具體位置。而陣列渦流檢測(cè)技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)單次掃查同時(shí)檢測(cè)出橫向和縱向缺陷提高了檢測(cè)效率，但對(duì)內(nèi)部缺陷不敏感[6]。漏磁檢測(cè)在棒材自動(dòng)化檢測(cè)中應(yīng)用較廣，但由于趨膚效應(yīng)和磁化機(jī)理的限制僅適用于檢測(cè)鐵磁性材料的表面及近表面缺陷[7]。Dubov于20世紀(jì)90年代初提出了金屬磁記憶法，通過測(cè)量鐵磁性工件表面磁場(chǎng)確定工件的表面缺陷和應(yīng)力集中部位[8-9]。南昌航空大學(xué)通過研發(fā)高精度磁傳感器實(shí)現(xiàn)了非鐵磁性材料的磁性檢測(cè)[10]。國內(nèi)外研發(fā)了將超聲、渦流和漏磁等方法綜合應(yīng)用的設(shè)備，彌補(bǔ)了單一方法的不足，但是同時(shí)提高了檢測(cè)成本、降低了檢測(cè)效率[11-12]。

綜上所述，鎳銅合金屬于非鐵磁性材料，現(xiàn)有無損檢測(cè)技術(shù)在鎳銅合金棒材上的應(yīng)用均存在不足。本文提出了一種基于地磁場(chǎng)環(huán)境下的鎳銅棒材弱磁檢測(cè)方法，能夠檢測(cè)出表面和一定深度的內(nèi)部缺陷。該檢測(cè)方法無需耦合,且能同時(shí)檢測(cè)內(nèi)外部缺陷，提高了檢測(cè)效率。

1 材料和檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)材料

檢測(cè)試樣為一直徑22 mm、長度160 mm的鎳銅合金棒材，其化學(xué)成分如表1所示。該合金屬于固溶強(qiáng)化型鎳銅合金，具有中等強(qiáng)度、耐蝕、耐高溫等特點(diǎn)。在室溫下，鎳銅棒材表現(xiàn)非鐵磁性。

表1 合金成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Nominal composition of alloys (mass fraction /%)

1.2 檢測(cè)原理及方法

任何宏觀物質(zhì)在地磁場(chǎng)作用下，都會(huì)對(duì)外表現(xiàn)出磁性。根據(jù)其反應(yīng)，將物質(zhì)大致分為強(qiáng)磁性物質(zhì)和弱磁性物質(zhì)。弱磁性物質(zhì)在一定磁場(chǎng)和溫度范圍內(nèi)靜態(tài)磁化時(shí)，磁化強(qiáng)度和外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，磁化過程中材料的磁導(dǎo)率基本不變[13]。試件置于地磁場(chǎng)環(huán)境中，若材質(zhì)磁導(dǎo)率一致，試件內(nèi)部磁力線將以原方向通過；若材質(zhì)磁導(dǎo)率發(fā)生變化，磁力線將在磁導(dǎo)率變化處改變方向(圖1所示)，磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化。這種變化必須滿足恒定磁場(chǎng)邊界條件[14]：

圖1 磁介質(zhì)μr2>μr1的界面磁感應(yīng)線折射Fig.1 Magnetic flux refraction model

α1、α2為磁力線與界面的夾角，故式(2)等效為：

由式(3)知，若母材的相對(duì)磁導(dǎo)率大于缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率，磁力線在母材中的入射角大于缺陷中的折射角，試件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度要減小，磁感應(yīng)曲線在缺陷處下凹。若母材的相對(duì)磁導(dǎo)率小于缺陷的相對(duì)磁導(dǎo)率，磁力線在母材中的入射角小于缺陷中的折射角，試件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，磁感應(yīng)曲線在缺陷處上凸。

弱磁檢測(cè)技術(shù)是一種基于天然地磁場(chǎng)環(huán)境使用測(cè)磁傳感器采集工件表面磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析工件表面各區(qū)域磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而對(duì)其無損檢測(cè)的技術(shù)。由于天然地磁場(chǎng)的總磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5，且鎳銅合金屬于弱磁性材料，缺陷導(dǎo)致的磁異常變化是細(xì)微的，需用高精度的傳感器測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的弱磁探傷儀，儀器主要由高精度單分量磁通門傳感器、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集板、工控機(jī)組成(圖2)。該檢測(cè)儀器測(cè)量范圍為±250 000 nT，分辨率為1 nT。檢測(cè)前使用標(biāo)定軟件，對(duì)測(cè)磁探頭進(jìn)行標(biāo)定，使得測(cè)量數(shù)據(jù)與環(huán)境磁場(chǎng)理論值接近，減少測(cè)量誤差。針對(duì)棒材弱磁檢測(cè)采用軸向掃查方式，避免周向掃查時(shí)探頭方位角變化導(dǎo)致的信號(hào)變化掩蓋了缺陷的微弱磁信號(hào)。掃查時(shí)探頭緊貼棒材表面，沿著棒材軸向勻速掃查，避免檢測(cè)信號(hào)因探頭提離抖動(dòng)產(chǎn)生提離效應(yīng)而受干擾；探頭移動(dòng)過程中采集棒材沿著軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，可檢測(cè)出缺陷引起的微弱磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷導(dǎo)致的磁異常區(qū)域的定位。

圖2 弱磁檢測(cè)儀器Fig.2 Weak magnetic detector

2 結(jié)果與分析

2.1 檢測(cè)結(jié)果

在試件表面沿軸向掃查。由于探頭有效測(cè)量范圍為探頭直徑的1.5倍，在棒材表面等分為6條軸向掃查路徑，實(shí)現(xiàn)棒材的全覆蓋檢測(cè)。每條路徑掃查兩遍，以確保檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性和避免檢測(cè)結(jié)果受到探頭提離、工件不平整影響。圖3a中data1和data2數(shù)據(jù)曲線為第一條路徑的兩次掃查數(shù)據(jù)，圖中可見明顯磁異常信號(hào)。其余5組試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線無明顯磁異常且平滑，如圖3b所示。圖3b中的數(shù)據(jù)曲線表示第一條路徑相鄰一側(cè)路徑的測(cè)磁數(shù)據(jù)。圖3橫坐標(biāo)為掃查長度，縱坐標(biāo)為試件表面的法向磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2.2 結(jié)果分析及評(píng)定

圖3a所示的檢測(cè)結(jié)果，data1在數(shù)值上整體大于data2，是由檢測(cè)環(huán)境及背景場(chǎng)導(dǎo)致的，兩條曲線形態(tài)具有較好的重復(fù)性，說明檢測(cè)結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。由于檢測(cè)過程是人工推動(dòng)測(cè)磁探頭沿一定方向前進(jìn)，存在一定人工測(cè)量誤差。但圖3a中兩條曲線均在9～15、40～56、120～140 mm處相對(duì)整體磁場(chǎng)呈下凹狀。9～15 mm磁信號(hào)區(qū)域處于棒材端頭，該處異常由端頭效應(yīng)引起。40～56、120～140 mm磁異常信號(hào)下凹狀兩次掃查均出現(xiàn)，排除掃查抖動(dòng)的影響。40～56、120～140 mm的磁信號(hào)幅值低，易被環(huán)境磁場(chǎng)淹沒，根據(jù)原始信號(hào)難以進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖3 試件檢測(cè)信號(hào)Fig.3 Detcted signal of specimen

為突出磁信號(hào)特征，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理和分析。根據(jù)原始磁場(chǎng)信號(hào)計(jì)算各點(diǎn)的磁梯度信號(hào)，結(jié)果如圖4a所示。磁梯度表示的是兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)測(cè)得的磁信號(hào)差值與測(cè)點(diǎn)間距的比值ΔB/Δx磁梯度信號(hào)屬隨機(jī)信號(hào)，服從正態(tài)分布。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理可知，隨機(jī)信號(hào)強(qiáng)度在[μ-Zσ,μ+Zσ]區(qū)間時(shí)，其概率為

式中以磁梯度信號(hào)的平均值為期望μ，σ為方差。工程檢測(cè)中以ξ的極大極小值為閾值，認(rèn)為超過閾值線的磁梯度信號(hào)為異常信號(hào)[15]。根據(jù)重磁異常解釋理論和磁張量理論，磁梯度異常反映磁異常體邊界。針對(duì)非鐵磁性材料檢測(cè)，選擇μ±1.28σ作為閾值線，衡定隨機(jī)信號(hào)正常率為79.9%。圖4a是對(duì)圖3a中的data2數(shù)據(jù)計(jì)算得到的磁梯度信號(hào)，并作出對(duì)應(yīng)的閾值線，對(duì)超出閾值線部分的磁梯度異常信號(hào)使用橢圓標(biāo)注。數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示在0～8、30～40、56～60、156～160 mm區(qū)域內(nèi)的磁梯度異常。由漏磁學(xué)理論知0～8 mm和156～160 mm磁異常的屬于端頭效應(yīng)。因此，結(jié)合原始磁信號(hào)和磁梯度信號(hào)，評(píng)定40～56 mm磁場(chǎng)分布呈下凹是棒材存在不連續(xù)性缺陷導(dǎo)致。

進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，采用包絡(luò)分析法對(duì)磁梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該算法的基本原理是分別根據(jù)磁梯度數(shù)據(jù)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)進(jìn)行3次樣條插值擬合得到磁梯度數(shù)據(jù)的上包絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)e1和下包絡(luò)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)e2，然后將兩組預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作差得S。差值S反映了磁梯度數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，差值越大說明磁梯度變化越劇烈。圖4b是磁梯度數(shù)據(jù)做包絡(luò)分析，處理結(jié)果曲線顯示棒材46 mm處的磁梯度波動(dòng)性最大。結(jié)合上述信號(hào)分析，表明40～56 mm磁場(chǎng)分布呈下凹是棒材存在不連續(xù)性缺陷導(dǎo)致。

圖4 磁梯度信號(hào)處理結(jié)果Fig.4 Signal of magnetic gradient

2.3 微觀組織分析

按照檢測(cè)結(jié)果，在對(duì)應(yīng)棒材40、46、56 mm位置進(jìn)行切割取樣，得棒材40～46 mm段的試樣a和棒材46～56 mm段的試樣b。結(jié)果顯示：試樣a的46 mm端面在金相顯微鏡200倍放大倍數(shù)下觀察到的部分金相組織如圖5a所示。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行電鏡掃描，在放大500倍的條件下，獲得如圖5b所示的檢測(cè)結(jié)果。經(jīng)測(cè)量裂紋寬度約13.3 mm，深度約0.6 mm，裂紋末端約位于棒材中心，如圖6所示。

圖5 試樣解剖結(jié)果Fig.5 Desected results of the sample

圖6 裂紋位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of crack location

金相觀察和電鏡掃描結(jié)果均驗(yàn)證了在棒材46 mm處的切面存在裂紋，缺陷內(nèi)的介質(zhì)視為空氣，鎳銅合金屬弱磁性材料，兩者的磁導(dǎo)率相差細(xì)微。根據(jù)前述的弱磁檢測(cè)原理知，棒材磁導(dǎo)率和缺陷磁導(dǎo)率接近，磁力線在棒材中入射角和缺陷中折射角的相差值小，棒材與缺陷的磁力線密度差異小。因此，實(shí)測(cè)磁場(chǎng)曲線缺陷處磁場(chǎng)分布與棒材整體磁場(chǎng)分布相似，缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)易被母材自身的磁場(chǎng)信號(hào)掩蓋，如圖3a所示。同時(shí)結(jié)合裂紋位置和測(cè)磁探頭的掃查路徑的關(guān)系分析，當(dāng)棒材轉(zhuǎn)到圖3a路徑的對(duì)稱方向時(shí)，由于缺陷相對(duì)測(cè)量點(diǎn)的埋深增大，并且鎳銅棒材屬于弱磁性材料，測(cè)磁信號(hào)屬于漏磁場(chǎng)的某一分量，導(dǎo)致其實(shí)測(cè)信號(hào)比理論值小，磁異常信號(hào)變?nèi)酢Ｒ虼耍?組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只出現(xiàn)一組缺陷磁異常信號(hào)明顯，如圖3所示。綜上，驗(yàn)證了棒材弱磁檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及鎳銅棒材弱磁檢測(cè)的可行性。

3 結(jié)論

1)弱磁檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，在地磁場(chǎng)作用下弱磁性材料內(nèi)部缺陷會(huì)導(dǎo)致工件表面磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，且在缺陷邊界磁場(chǎng)變化劇烈。

2)針對(duì)原始信號(hào)計(jì)算磁梯度數(shù)據(jù)和對(duì)磁梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析，可突出缺陷信號(hào)特征，提高弱磁檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)金相觀察和掃描電鏡結(jié)果驗(yàn)證了弱磁檢測(cè)技術(shù)的可靠性，表明弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鎳銅合金無損檢測(cè)適用，同時(shí)為其他一些具有類似磁特性的材料提供一種新的檢測(cè)方法。

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Weak-magnetic Nondestructive Testing for Crack Defect in Nickel-copper Alloy Bar

HU Cheng，YU Run-qiao*，HU Bo，WANG Yan-xiang，XIAO Nan

(KeyLaboratoryofNondestructiveTesting(MinistryofEducation),NanchangHangkongUnverstiy,Nanchang330063,China)

Aiming at the present situation that the existing nondestructive testing technology can not meet the requirement of crack detection of nickel-copper alloy bar,a weak-magnetic nondestructive testing method in the geomagnetic field is proposed.In this paper,the theory of weak magnetic detection of nickel-copper alloy bars and the distribution of magnetic anomalies at defects are firstly analyzed,and then the weak-magnetic testing was carried out on the Ni-Cu alloy bar with natural defects.The envelope analysis method was used to process the signals,and the feasibility of the weak magnetic detection of nickel-copper alloy bars was verified by metallographic microscope and scanning electron microscopy. The results show that the effective detection of cracks in Ni-Cu alloy bar is achieved by analyzing the distribution of magnetic anomalies on the surface of bar and combining with the results of threshold processing and envelope analysis of magnetic gradient signals, and the precision of crack detection can achieve micron-level.

Ni-Cu alloy bar；crack；weak magnetic；nondestructive testing；geomagnetic field

2016年11月16日

2017年1月13日

國家自然科學(xué)基金(51565043)；江西省青年科學(xué)基金(20151BAB216016)

于潤橋(1963年-)，男，教授，主要從電磁無損檢測(cè)及弱磁儀器開發(fā)等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.005

1673-6214(2017)01-0023-05