基于磁各向異性方法的鐵磁材料應(yīng)力檢測(cè)研究

李立新，邱忠超,2，高 強(qiáng)，韓智明，洪 利

(1.防災(zāi)科技學(xué)院電子科學(xué)與控制工程學(xué)院，河北廊坊 101601；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

應(yīng)力和殘余應(yīng)力的測(cè)量至今已發(fā)展形成數(shù)十種傳統(tǒng)測(cè)量方法，大致可分為2類，即具有一定損傷性的機(jī)械釋放測(cè)量法和非破壞性無(wú)損傷的物理測(cè)量法。機(jī)械測(cè)量法包括分割全釋放法、逐層剝層法、盲孔法、套取芯棒法、內(nèi)孔直接貼片法以及釋放管孔周應(yīng)變測(cè)量法。物理測(cè)量法主要包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法以及固有應(yīng)變法。目前機(jī)械釋放法已經(jīng)比較成熟，測(cè)量的結(jié)果也比較準(zhǔn)確，但對(duì)測(cè)試對(duì)象有不同程度的破壞。因此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，成為各國(guó)工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的標(biāo)志之一，其中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中目前發(fā)展最引人注目的是磁性方法[1-3]。

應(yīng)力致磁各向異性(SMA)是指應(yīng)力或殘余應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致材料的磁導(dǎo)率在各個(gè)方向的分布變化，使得某些材料的磁導(dǎo)率分布狀態(tài)由理想狀態(tài)的磁各向同性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋誀顟B(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)方法，磁各向異性法具有較高的測(cè)量速度且使用方便，并且對(duì)一些特定金屬構(gòu)件的早期損傷具有較好的評(píng)估效果[4，5]。

Tanner Isono等利用研制九足傳感器可以在不用旋轉(zhuǎn)的情況下一次性測(cè)量出某一點(diǎn)的主應(yīng)力之差以及主應(yīng)力對(duì)應(yīng)方向[6]。Hiroto Yamada等利用磁場(chǎng)理論中的磁路原理分析，得出磁測(cè)信號(hào)和應(yīng)力在-200 ～ +200 MPa范圍內(nèi)具有較好的線性關(guān)系[7]。在國(guó)內(nèi)，謝大吉等利用研制的二極磁測(cè)傳感器探頭對(duì)不同材料進(jìn)行單向和雙向拉壓試驗(yàn)以及焊接試件，提出了沿測(cè)量方向和垂直方向的應(yīng)變與磁測(cè)輸出信號(hào)之間的線性關(guān)系，并建立了相關(guān)的數(shù)學(xué)模型來(lái)驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果[8-9]。文西芹等研究了對(duì)20#鋼壓縮試件實(shí)施四極探頭殘余應(yīng)力檢測(cè)，得出不同方向的磁測(cè)輸出曲線，證實(shí)了材料的逆磁致伸縮效應(yīng)對(duì)于評(píng)估材料的殘余應(yīng)力是可行的[10]。

盡管不同研究者對(duì)應(yīng)力的磁性測(cè)試進(jìn)行了很多研究和實(shí)驗(yàn)，但材料的磁本質(zhì)目前還沒有完全搞清，因此，為了更好地推動(dòng)基于磁各向異性應(yīng)力測(cè)試技術(shù)的研究與改進(jìn)，有必要進(jìn)一步研究傳感器的輸出信號(hào)，建立它與應(yīng)力的定性、定量關(guān)系，更進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展。

1 磁各向異性檢測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)力的磁性測(cè)試系統(tǒng)由勵(lì)磁系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和待測(cè)試件等幾部分組成，測(cè)試原理框圖如圖1所示。其中，加載系統(tǒng)對(duì)試件施加載荷；勵(lì)磁系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生穩(wěn)定的激勵(lì)磁場(chǎng)；信號(hào)采集系統(tǒng)主要用來(lái)接收由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)隨外加載荷的變化；信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理，得到需要的數(shù)據(jù)，并顯示出來(lái)。

圖1 應(yīng)力磁性測(cè)量框圖

1.1 探頭設(shè)計(jì)和制作

磁各向異性檢測(cè)探頭一般由激勵(lì)線圈、檢測(cè)線圈、導(dǎo)磁磁芯組成，原理示意圖如圖2(a)所示。探頭結(jié)構(gòu)由鋁質(zhì)外殼、鐵氧體磁環(huán)、鐵氧體磁芯及尼龍定位薄片構(gòu)成，如圖2(b)所示。激勵(lì)線圈和檢測(cè)線圈成對(duì)出現(xiàn)，所對(duì)應(yīng)的引出線通過(guò)磁環(huán)中間的小孔引出，最后在外殼的尾部集中引出所有的信號(hào)線。外殼采用非導(dǎo)磁性材料，即起到支撐防護(hù)作用又不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生不利影響。

(a)探頭基本原理示意圖

(b)探頭結(jié)構(gòu)組成圖2 探頭的基本原理示意圖及探頭結(jié)構(gòu)組成

考慮到工作頻率下具有較高的磁導(dǎo)率，并且市場(chǎng)上已有成型的用于制作電感或小型變壓器的鐵氧體磁棒、磁環(huán)，這樣可根據(jù)需要設(shè)計(jì)和調(diào)整探頭的形式。如圖3所示，采用錳鋅鐵氧體磁化和磁棒分別制作了三足探頭、四足探頭和六足探頭。圖中E表示激勵(lì)線圈，P表示檢測(cè)線圈。

(a)探頭線圈分布示意圖

(b)探頭實(shí)物圖圖3 磁各向異性檢測(cè)探頭

由圖3可知，三足探頭1個(gè)激勵(lì)足，2個(gè)接收足，E-P1連線垂直于E-P2連線，感應(yīng)電壓極性線圈方向反接，這表示電勢(shì)相差；四足探頭一對(duì)激勵(lì)垂直于一對(duì)感應(yīng)線圈，各自同向相加；六足探頭P1-P2垂直于P3-P4，一對(duì)激勵(lì)線圈E1-E2處于激勵(lì)線圈中間位置45°處，激勵(lì)線圈同向串接，檢測(cè)線圈一對(duì)之間同向串接，整體兩對(duì)激勵(lì)線圈之間整體反向串接；每個(gè)探頭接收與激勵(lì)各2條信號(hào)線?？紤]到檢測(cè)線圈的尺寸及鐵氧體磁芯的大小，選用直徑為0.20 mm和0.05 mm 的漆包線繞制激勵(lì)線圈與檢測(cè)線圈，且激勵(lì)線圈為150匝，檢測(cè)線圈400匝。

1.2 檢測(cè)電路

圖4為信號(hào)發(fā)生器以及功率放大器電路板實(shí)物圖，左上角是基于ICL8038的正弦信號(hào)發(fā)生器模塊，輸出信號(hào)頻率可通過(guò)滑動(dòng)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后經(jīng)過(guò)功率放大器TDA2030提供較大功率電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭的激勵(lì)線圈。

圖4 信號(hào)發(fā)生及功率放大電路板

為了得到穩(wěn)定、清晰的輸出信號(hào)，在輸入端采用二階低通濾波器，濾掉高頻噪聲和諧波干擾信號(hào)。利用UA741放大器進(jìn)行信號(hào)放大后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集到計(jì)算機(jī)中，最后對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 磁各向異性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)16MnR鋼試件進(jìn)行靜拉伸實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。為了消除材料內(nèi)部存在的不均勻性或殘余應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)前對(duì)試件進(jìn)行退火處理。

圖5 等寬與變寬拉伸試件測(cè)量位置示意

圖6所示為拉伸實(shí)驗(yàn)使用的靜態(tài)加載裝置，最大拉力為100 kN。為了減少測(cè)量誤差，測(cè)量時(shí)將探頭固定在試件的相應(yīng)位置并緊貼試件，盡量減小空氣間隙。對(duì)于周向測(cè)量，即對(duì)于某一點(diǎn)的探頭，用刻有角度的紙板作標(biāo)識(shí)，以每間隔15°為一個(gè)單位進(jìn)行360°測(cè)量。測(cè)量結(jié)果通過(guò)示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。

(a)16MnR鋼試件靜拉伸

(b)探頭檢測(cè)圖6 試件拉伸及探頭檢測(cè)實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

三足探頭是利用2個(gè)激勵(lì)線圈與1個(gè)檢測(cè)線圈形成的2個(gè)分支磁路的感應(yīng)電壓之差來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的，2個(gè)檢測(cè)足都參與了主要磁通的環(huán)路，因此三足檢測(cè)探頭具有較大的感應(yīng)電壓，所輸出電壓不需要經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，只進(jìn)行濾波處理即可。四足探頭是利用2個(gè)成對(duì)檢測(cè)足間的磁勢(shì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，當(dāng)試件處于磁各向異性時(shí)，激勵(lì)線圈的左右磁導(dǎo)率或磁阻不對(duì)稱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致主磁路中的磁通不對(duì)稱，在應(yīng)力位置出現(xiàn)磁勢(shì)失穩(wěn)；這時(shí)2個(gè)檢測(cè)足間的橋壁有磁通經(jīng)過(guò)。因此，四足探頭檢測(cè)的電壓是由磁勢(shì)差產(chǎn)生的，比較微弱，實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了13倍放大。六足探頭則是采用了2組測(cè)量線圈差動(dòng)連接，其原理類似于四足探頭，但是其靈敏度有所增加。

3種不同結(jié)構(gòu)探頭的測(cè)量結(jié)果如圖7所示。檢測(cè)頻率為10 kHz，線圈激勵(lì)電壓為6 V。右側(cè)為測(cè)量時(shí)探頭的周向位置，上下方向?yàn)槔旆较?。由于探頭本身制作的不對(duì)稱性等系列原因，在空氣中探頭自身就存在檢測(cè)電壓幅值。因此測(cè)量結(jié)果只作為定性分析。

三足探頭的變拉力測(cè)量結(jié)果顯示，位置1比位置2隨拉力的變化結(jié)果要小，由于試件沿長(zhǎng)度方向(拉伸)檢測(cè)線圈相對(duì)激勵(lì)線圈對(duì)稱，試件在拉力作用下具有各向異性，雖然磁阻變化理論上對(duì)稱，但是這種磁勢(shì)相對(duì)于位置2的磁勢(shì)來(lái)說(shuō)要小很多。位置2為橫向和縱向磁勢(shì)，比位置1對(duì)稱磁勢(shì)大，拉伸縱向磁阻減小，橫向磁阻增大，所以位置2變化更大。當(dāng)拉力值在25 kN以上時(shí)，檢測(cè)電壓值不再變化，說(shuō)明鐵磁性材料內(nèi)部磁性參數(shù)不再發(fā)生變化。因此磁各向異性方法測(cè)量這種平均應(yīng)力效應(yīng)也有限制。

(a)三足探頭

(b)四足探頭

(c)六足探頭圖7 3種探頭不同拉力作用下測(cè)量結(jié)果

四足探頭分別使用了垂直和水平2種測(cè)量角度。測(cè)量開始階段，測(cè)量結(jié)果幾乎相等，隨著拉力的變大，出現(xiàn)了相反的走勢(shì)，且相對(duì)于初始測(cè)量值基本對(duì)稱，超過(guò)25 kN后，趨于平衡；說(shuō)明拉伸前未受力的鐵磁試件磁各向同性狀態(tài)較好，隨著單軸拉力作用，這種狀態(tài)逐漸向各向異性狀態(tài)轉(zhuǎn)變且逐步增大。六足探頭具有更高的靈敏度，且在一定范圍內(nèi)整體上具有較好的線性度。3種探頭測(cè)量結(jié)果均在25 kN左右出現(xiàn)平衡，拉力繼續(xù)加大到一定值以后，測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)回縮現(xiàn)象。

3 結(jié)論

針對(duì)鐵磁材料應(yīng)力至今仍難以有效檢測(cè)的問(wèn)題，提出采用磁各向異性方法對(duì)鐵磁材料應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)。基于磁各向異性方法的檢測(cè)原理，研制不同類型的錳鋅鐵氧體檢測(cè)探頭，搭建由加載系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)組成的磁各向異性檢測(cè)系統(tǒng)，并在不同應(yīng)力、頻率與激勵(lì)電壓下對(duì)不同形狀試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，探頭對(duì)于試件處于不同應(yīng)力、激勵(lì)頻率與不同激勵(lì)電壓下均具有較好的檢測(cè)效果，3種不同類型探頭之間具有不同的檢測(cè)現(xiàn)象和特征。