基于强化磁记忆的铁磁构件应力检测方法研究

邱忠超 于瑞红 陈逊 谢维 石亚男

摘要：磁记忆检测方法可快速检测铁磁构件应力集中区域，对其早期损伤进行及时诊断。针对磁记忆信号为地磁场激励条件下的弱磁信号，容易受周围环境噪声干扰的问题，提出采用加强外磁场激励来强化有用磁记忆信号，抑制干扰因素的不利影响。实验结果表明，该方法可以有效突出磁信号，提高检测系统的灵敏度，为磁记忆检测技术的工程推广应用奠定了一定基础。

关键词：强化磁记忆;铁磁构件;早期损伤;灵敏度

0    引言

1997年，在美国旧金山举行的第50届国际焊接学术会议上，俄罗斯学者Doubov首次提出金属应力集中区的磁记忆效应，并形成一套无损检测与诊断方法——金属磁记忆检测技术[1]。磁记忆效应是指铁磁构件在使用过程中受地磁场和载荷的共同作用，由于铁磁材料内部应力分布的不均匀使材料表面磁场发生变化，导致泄漏磁场产生[2]。但是，磁记忆检测技术在实际工程推广应用时遇到了一些难以解决的瓶颈问题，如磁记忆检测属于地球弱磁场检测方法，输出磁信号比较微弱，易受外界环境因素干扰，导致检测结果失真[3-4]。

针对磁记忆信号为地磁场激励条件下的弱磁信号，容易受周围环境噪声干扰的问题，提出采用加强外磁场激励来强化有用磁记忆信号，抑制干扰因素的不利影响。本文通过搭建磁记忆检测系统对提出的强化磁记忆检测方法进行验证。

1    强化磁记忆检测实验

以Q235钢平板试件作为研究对象，试件厚度为4 mm，如图1所示。在铁磁试件表面用黑色笔画一条直线，每间隔5 mm标记一个点，共21个检测点。将试件设计成中部沿轴线逐渐变化的圆弧状形式，这样可以使得每个检测点都产生不同的应力。为了尽可能减小剩磁，通过TC-50退磁器对试件提前进行退磁处理。

图2为实验室已搭建的磁记忆检测系统框图，在地磁场与外加弱磁场激励下对铁磁试件进行静拉伸实验，同时采用TSC-1M-4磁检测仪沿试件自上而下在位采集试件表面各点处的法向磁场。

为了使励磁装置与铁磁试件在拉伸过程中始终保持紧密贴合，将励磁装置设计成可滑动结构。对励磁线圈通电流，从而在铁磁试件中产生弱激励磁场。实验时，对励磁线圈通0.01 A电流，结合线圈匝数可知，铁磁试件仍处于弱磁激励状态。

2    实验结果与分析

将每一个试件重复检测三次，取其平均值进行分析。以未施加载荷时在位测量的磁场为Hp0（y）基准，则拉伸载荷造成的磁场变化ΔHpi（y）=Hpi（y）-Hp0（y），其中，Hpi（y）为施加载荷时磁检测仪采集到的磁信号，结果如图3所示。

由图3可知，地磁场激励条件下磁信号Hp（y）变化幅度比较大，磁信号过零点位置跨度较大，难以判断铁磁试件的应力集中区域。当通过励磁装置施加外部激励磁场时，磁信号Hp（y）增加且规律性明显，磁信号过零点位置集中在-2～2 mm，与铁磁试件应力集中位置吻合较好。

由此可知，地磁场环境下，由于铁磁试件磁记忆检测属于在位检测，拉伸机与夹具产生的磁场都会对磁记忆信号产生干扰，使得传感器采集到的信号杂乱无章。通过施加外磁场激励，可以使得有用磁信号得以突出，而噪声干扰没有变化，进而改善检测效果。

3    结语

针对磁记忆信号为地磁场激励条件下的弱磁信号，容易受周围环境噪声干扰的问题，提出采用加强外磁场激励来强化有用磁记忆信号，抑制干扰因素的不利影响。对铁磁试件进行静拉伸实验，并分别在地磁场和弱磁场激励环境下采集铁磁试件表面的磁信号。结果表明，该方法可以有效突出磁信号，提高检测系统的灵敏度，为磁记忆检测技术的工程推广应用奠定了一定基础。

[参考文献]

[1] DUBOV A A.A study of metal properties using the method of magnetic memory[J].Metal Science & Heat Treatment，1997，39（9）：401-405.

[2] 张军，朱晟桢，毕贞法，等.基于金属磁记忆效应的高铁轮对早期故障检测[J].仪器仪表学报，2018，39（1）：162-170.

[3] ROSKOSZ M，BIENIEK M.Evaluation of residual stress in ferromagnetic steels based on residual magnetic field measurements[J].NDT & E International，2012，45（1）：55-62.

[4] 張卫民，邱忠超，于霞，等.利用强化磁激励场提高磁记忆检测灵敏度的可行性分析[J].中国机械工程，2015，26（24）：3375-3378.

收稿日期：2019-12-27

作者简介：邱忠超（1987—），男，山东济宁人，博士，讲师，研究方向：电磁无损检测、灾害监测技术与仪器。