焊接應力磁痕分析與識別

郭永良 段怡雄 袁麗華

摘? 要：鐵磁性材料工件內存在應力時，材料產生各向異性，而應力或應變狀態(tài)的變化將會引起鐵磁性材料磁導率或磁阻的變化，當磁導率或磁阻變化達到一定值時，磁粉檢測會出現磁痕顯示。為了確定現場磁粉檢測時發(fā)現的支座夾板中間磁痕形成原因，而開展一系列的試驗，分析和明確磁痕形成原因。通過優(yōu)化焊接工藝可從源頭避免磁痕出現，同時介紹了現場鑒別應力磁痕方法和處理方法。

關鍵詞：應力磁痕；金相檢測；應力檢測；磁粉檢測；超聲檢測

中圖分類號：TN39；TG441? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）10-0140-04

Abstract： When there is a stress in the ferromagnetic material artifact， the material produces anisotropy， and the change of the stress or strain state will cause changes in the magnetic conductivity or magnetic resistance of the ferromagnetic material. when the magnetic conductivity or magnetic resistance change reaches a certain value， the Magnetic Particle Testing will appear magnetic mark display. In order to determine the cause of the formation of the support splint found in the field Magnetic Particle Testing， a series of tests are carried out to analyze and clarify the cause of magnetic trace formation. Through optimizing the welding process， it can avoid magnetic marks from the source. And the identification and processing methods of stress magnetic mark on field are introduced at the same time.

Keywords： stress magnetic mark; metallography testing; stress testing; Magnetic Particle Testing; UT

0? 引? 言

對焊接構件支座進行磁粉檢測時，發(fā)現批量支座夾板中部出現線狀磁痕，打磨后拋光后磁粉檢測時磁痕依然存在且基本保持原狀。為了確定磁痕的性質和形成的原因，采用了多種無損檢測方法并結合金相檢測以及工藝復現等試驗方法分析、驗證，最終確定出現的磁痕是由于焊接殘余應力引起的。當鐵磁性材料工件內存在應力時，會使磁疇的移動和轉向均受阻而使磁化率減小，材料產生各向異性，而應力或應變狀態(tài)的變化將會引起鐵磁性材料磁導率或磁阻的變化[1-4]。當磁導率或磁阻變化達到一定值時，即在應力集中區(qū)域會出現磁異常，從而形成漏磁場[5]，進而在磁粉檢測出現磁痕顯示。

對于焊接產品而言，殘余應力是最常見的；然而焊接產生的焊接殘余應力是焊接產品出現疲勞失效的原因之一。特別是焊縫區(qū)和近縫區(qū)在內部殘余應力和外部載荷的雙重作用最容易導致裂紋的產生。因此明確產生磁痕的原因，進而采取有效措施（改進和優(yōu)化焊接工藝），從源頭處減少焊接殘余應力的產生或者現場釋放殘余應力，從而避免該類應力磁痕的出現是非常有必要的。

1? 磁痕情況

在對一批支座（組焊件）進行磁粉檢測時，發(fā)現大部分支座的夾板中間處有磁痕顯示，如圖1所示；為確定該處磁痕是否為淺表面磁痕，對該處打磨拋光后再次進行磁粉檢測，磁痕未消失，且長度基本沒有變化，如圖2所示。通過目視檢查發(fā)現該處無明顯可見開裂現象。為排除該處磁痕是由表面粗糙引起的，對該座進行干法磁粉檢測，磁痕依然存在且磁痕比較寬松、淺淡，長度與濕法檢測結果基本一致，結果如圖3所示。因此可以確定該磁痕不是由表面粗糙引起的非相關顯示。

2? 試驗驗證分析

為分析夾板處磁痕出現的緣由，將從無損檢測（滲透檢測、超聲檢測）、理化檢驗、應力測試三個方向進行試驗分析及驗證。

2.1? 滲透檢測

滲透檢測是一種表面檢測方法，也是驗證磁粉檢測結果最直觀最有效的一種檢測方法。當工件表面具有開口缺陷時，通過在工件表面施涂（噴涂）含有顏色的滲透劑后，在毛細作用下，經過一定時間，滲透劑可以進入表面開口缺陷中，去除多余滲透劑，經干燥，再施涂（噴涂）顯像劑，最終缺陷直觀顯像。若有缺陷顯像，可以和磁粉檢測結果直接對比，以驗證磁粉檢測結果的正確性。

為鑒別磁痕處是否為表面開口缺陷，首先對該支座夾板磁痕處進行滲透檢測，按照滲透檢測標準步驟進行操作，結果無滲透液痕跡顯示，如圖4所示，所以該處磁痕顯示不是由表面開口缺陷引起的。

2.2? 超聲檢測

由滲透檢測可知該處缺陷為非表面開口缺陷引起，則有可能為內部缺陷延伸至前表面引起的磁痕顯示。為確定是否為內部缺陷引起的表面磁痕顯示，現場采用超聲波探頭（型號為：2.5P10Z）對有磁痕的夾板從厚度方向進行超聲檢測，看是否能發(fā)現異常波。最終超聲檢測結果無異常，表明該處內部無超標缺陷，故該磁痕不是由內部缺陷延伸至淺表面引起的磁痕顯示。

因此從無損檢測方向可知，該處磁痕為非材料的宏觀不連續(xù)性引起的。

2.3? 理化檢驗

理化檢驗包括化學分析、物理試驗、金相檢驗等化學分析通常是分析材料的成分，物理試驗一般是檢驗材料的硬度、強度、屈服、塑性等物理量，而金相檢驗通常是材料金相組織的宏觀檢驗。

鑒于前面無損檢測結果為支座無表面開口缺陷和內部缺陷，為分析是否由于焊接改變該處內部組織，從而造成該處內部組織不均勻而形成的磁痕顯示。隨機抽取一件有磁痕的支座進行理化分析，看是否可以從夾板內部組織分析磁痕顯示的原因。

從夾板磁痕顯示處取橫截面進行金相檢驗，將樣品打磨拋光后置于金相顯微鏡下觀察，未見明顯分層或者開裂等缺陷。為進一步分析，將樣品經4%硝酸酒精溶液侵蝕后用金相顯微鏡放大100倍觀察，結果如圖5所示，組織均勻且完好，沒有出現如圖6所示的珠光體帶狀分布聚集現象（材料偏析的主要表現）。因此上述磁痕不是偏析引起的?？梢钥紤]此磁痕為應力引起的。

2.4? 應力檢測

鐵磁性材料工件內存在應力時，材料產生各向異性，而應力或應變狀態(tài)的變化將會引起鐵磁性材料磁導率或磁阻的變化[6，7]，當磁導率或磁阻變化達到一定值時，磁粉檢測時會出現磁痕顯示。

為驗證是否為應力引起的磁痕，且磁痕處是否為應力最大值，將超聲檢測無內部缺陷且夾板帶有磁痕的支座進行應力檢測。

現階段相對成熟的殘余應力檢測方法主要有盲孔法和X射線衍射法[8-10]，盲孔法屬于有損的檢測方法，在被測位置貼上應變花，根據應變片或應變花在鉆孔過程中檢測的形變量來計算殘余應力值，這該方法對被測工件有破壞性，不利于后續(xù)的對比研究。X射線衍射法屬于無損的檢測方法，且公司剛好配有X射線應力測試設備，所以選用X射線衍射法測試應力。因夾板中間平行焊縫方向出現磁痕，因此以垂直磁痕方向，分別在焊縫與底板連接處、焊縫中部以及夾板處取7個應力測試點點，具體見殘余應力測試點分布圖，如圖7所示。根據GB/T 7704—2017《無損檢測 X射線應力測定方法》要求對各點進行應力測試，測試結果如表1所示，所有測試點結果值都為負數，表示各點應力為殘余應力，且為拉應力，正好符合夾板兩側焊縫情形。由表1可見磁痕處殘余應力值最大達到-18.4 MPa，由圖7可知該應力點最大值正好在夾板中間處，而該處正好是磁痕出現的位置。

2.5? 工藝復現試驗

為確定支座夾板處磁痕是焊接產生的，對該焊接工藝進行復現試驗。即隨機抽取即將進行組焊的2組部件（4個夾板和2個底座），首先用超聲檢測方法從厚度方向對夾板進行檢測，確定部件內部完好無分層等內部缺陷，超聲檢測結果顯示無分層等內部缺陷，如圖8所示。隨后對這4個夾板用磁粉檢測方法進行檢測，確定表面無磁痕。最后對這4個夾板用與前面支座相同焊接方式方法進行組焊，待支座組焊件冷卻至室溫后，再次對這2件支座進行磁粉檢測，結果這4個夾板中有3件在相同的位置出現了磁痕顯示。

3? 分析討論

通過上述滲透檢測、超聲檢測、磁粉檢測、理化檢驗以及工藝復現可以證明該磁痕為非母材自身缺陷。并且由應力檢測結果顯示磁痕處殘余應力值明顯比周邊其他幾個測試點高，故可考慮磁痕為殘余應力引起。

焊接是一個局部迅速加熱和冷卻的過程，它是兩種或兩種以上材料通過原子或分子的結合和擴散連接形成一體的工藝過程。在這個過程中，金屬經歷了快速的相變和熱脹冷縮。焊縫處的金屬在高溫熔化時受熱膨脹，由于溫度在傳遞過程中有熱量散失，焊件不會自由膨脹，在焊縫處被焊接金屬約束焊縫金屬產生熱膨脹，最終對焊縫處的金屬形成一個擠壓的力。高溫條件下，材料的屈服極限本身就很低，強大的擠壓力非常容易使焊縫處金屬超過屈服極限從而產生大的塑性變形。置于室溫下的焊件，焊縫處的金屬又會快速冷卻，產生收縮現象，收縮的同時也會收到焊縫附近金屬的一個約束，對焊縫處的金屬產生一個大拉應力。由于殘余塑性變形的存在，熱應力就未能完全去除，會殘余下應力，形成焊接殘余應力[11]。

而殘余應力引起的磁痕在現場可通過一定方法消除，批量現象可以通過改變工藝而從根本上消除其引起的磁痕。

3.1? 現場磁痕消除試驗

國內外對殘余應力的消除有多種方法，例如機械拉伸、低應力無變形拉伸、滾壓法、超載法、整體熱處理法、局部熱處理法、溫差拉伸法、錘擊法（敲擊法）[12，13]。敲擊法具有設備簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點，基于現場條件采用了敲擊的方式測試，即用帶有圓頭的鐵錘，以鐵錘圓頭最頂處沿磁痕走向迅速均勻有序敲擊，直到鐵錘離開磁痕區(qū)域。對敲擊部位拋光處理，最后進行磁粉檢測檢查驗證磁痕是否還在。通過磁粉檢測，磁痕消失，如圖9所示。

3.2? 焊接工藝優(yōu)化

原焊接工藝以夾板一側焊縫端頭為焊接起點連續(xù)焊接，直到夾板另一端焊縫端頭為止，夾板兩端焊縫為一整條焊縫。經過前期試驗驗證，該工藝容易在該夾板中間平行焊縫方向出現磁痕，為避免再次出現該批量問題，經過多次試驗驗證，對焊接工藝進行改良和優(yōu)化：即在夾板焊縫兩端先等間距點焊，然后依次分段焊接，直到整條焊縫焊接完成。現場通過磁粉檢測驗證，此工藝后續(xù)未批量出現該類磁痕。

通過上述分析可知：本文中描述的支座夾板中間出現的磁痕為殘余應力引起的磁痕，非板材原缺陷引起的磁痕；且通過優(yōu)化焊接工藝，可以有效避免出現批量類似現象。

4? 結? 論

通過上述滲透檢測、超聲檢測、金相分析、應力測試等及工藝復現等得出如下結論：

1）通過試驗分析，支座夾板處的磁痕是由焊接產生的殘余應力所引起的。

2）通過優(yōu)化焊接工藝，可從源頭減少焊接應力對焊接處磁籌的影響，從而消除應力磁痕。

3）應力磁痕也可現場消除，經滲透檢測排除表面開口缺陷后，通過沿磁痕走向，鐵錘與磁痕表面按一定傾角迅速均勻有序敲擊磁痕，從而消除磁痕。

參考文獻：

[1] 王威，王社良，蘇三慶，等.磁致伸縮材料的應力感知機理 [J].工業(yè)建筑，2004（9）：51-53+69.

[2] 文西芹，劉成文.基于逆磁致伸縮效應的殘余應力檢測方法 [J].傳感器技術，2002（3）：42-44.

[3] 趙洲，陳平，丁克勤.平面焊接殘余應力磁應變算法研究進展 [J].石油化工設備，2012，41（3）：42-46.

[4] 王海濤，殷少華，丁克勤，等.平面焊接殘余應力九極磁測探頭仿真分析 [J].無損檢測，2011，33（11）：52-54+57.

[5] 鄧永貢，王強，胡斌，等.焊接殘余應力磁記憶信號特征的研究 [J].中國計量學院學報，2016，27（1）：52-57.

[6] 萬升云.磁粉檢測技術及應用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[7] 萬升云.磁粉檢測 [M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[8] 路浩，張世平，劉雪松，等.雙絲焊鋁合金平板殘余應力梯度超聲波法建立 [J].焊接學報，2008（2）：61-64+116.

[9] 秦飛虎，劉勇，楊金，等.破壞性測量焊接殘余應力的方法及應用 [J].石油和化工設備，2020，23（7）：40-41.

[10] 張振國，馮強，史軍梅.焊接殘余應力磁彈性法測試研究 [J].焊接，2007（1）：31-33+62.

[11] 宋天民.焊接殘余應力的產生與消除：第2版 [M].北京：中國石化出版社，2010.

[12] 陳曉冬.壓力容器中焊接殘余應力的消除對策 [J].材料工程，2003（6）：15-17.

[13] 張江濤.關于焊接殘余應力消除原理的探討 [J].南方農機，2021，52（9）：142-143.

作者簡介：郭永良（1986—），男，漢族，湖南郴州人，工程師，碩士，研究方向：無損檢測方面的研究和實際應用。