励磁条件对Q235钢磁声发射信号的影响

何孝兴，李志农，吴明涛， 沈功田

(1.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，南昌 330063；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

铁磁性金属材料的使用性能和工艺性能优异，广泛应用于铁路轨道、游乐设施、桥梁等工程领域。其在长期使用过程中受重复载荷作用，容易发生疲劳失效，进而引发重大事故。疲劳失效是铁磁性金属构件的主要失效方式之一，许多文献和著作都表明疲劳引起的结构失效占铁磁性金属材料机械失效的50%～90%[1]。由于疲劳失效是突发性的，铁磁性金属材料在疲劳失效之前的物理特征常不会出现明显变化，疲劳失效引发的事故往往是突发性的、致命性的、灾难性。因此，为了防止铁磁性金属材料因疲劳而损坏，对其早期疲劳状态进行无损检测和评估是非常重要的。

目前常规的无损检测方法有许多种，其中超声检测方法对于物体内部的面积型缺陷较为敏感，陈振华等[2]利用超声检测技术对微小型片层缺陷进行研究，提出使用超声非线性区域技术进行检测的方法，获得较好的检测效果。射线检测对物体内部的体积型缺陷较为敏感。冯鸣[3]利用数字X射线成像系统对圆柱形铝合金铸件的内部缺陷进行检测，其改进了一种图像算法，使得评片人员能更好地分析铸件内部缺陷的信息，提升了工作效率和评片质量。涡流和渗透两种方法是对物体表面及近表面损伤进行检测的方法。曹俊平等[4]利用涡流检测技术对高压电缆铅封裂纹缺陷进行研究，通过仿真技术验证了涡流检测技术对高压电缆接头铅封状态下宏观裂纹的检测可行性。王齐胜等[5]基于声发射检测方法，对非熔化极惰性气体保护电弧焊焊缝的熔透状态进行识别，有效区分了未熔透、临界熔透和过熔透3种状态。江海军等[6]基于红外检测技术，研究设计了一套系统对碳纤维蜂窝结构内部的宏观缺陷进行检测，并取得一定成效；张金等[7]应用电磁超声检测方法对大口径火炮管内膛裂纹进行检测，克服了一些传统方法要求被检表面清洁度高的缺点，可以远距离对表面及近表面缺陷进行高效检测。常俊杰等[8]利用空气耦合超声检测方法对金属/非金属结构的脱黏缺陷进行检测，实现了缺陷的快速定位，获得了较好的检测效果。

上述几种传统及新兴无损检测方法都是对被检物体存在的宏观缺陷进行检测，而无法对被检物体内部结构组织的细微变化进行检测，更不能对被检物体的早期疲劳状态进行无损检测与质量评估。文章利用磁声发射检测方法对铁磁性金属材料的早期疲劳状态进行检测，研究了励磁条件对磁声发射检测信号的影响。

1 磁声发射检测方法简介

磁声发射(MAE)检测技术是结合巴克豪森效应(MBN)和声发射(AE)检测技术的一种无损评价方法[9]。在无磁场状态下，铁磁性金属材料内部存在各个方向的磁畴，使得材料对外不表现磁性，对其施加外部磁场时，在外加磁场的作用下，被激励材料内部杂乱无章的磁畴发生偏转，导致内部磁畴壁发生湮灭现象，这种现象发生的同时释放出一种弹性波，该弹性波就是试验收集的超声波信号，即MAE信号[10-12]。JILES[9]对铁磁性金属材料的MAE检测信号进行研究，证明了铁磁性金属材料的应力变形及其微观组织的变化均能用MAE信号的强度表征。

徐约黄等[13]对45钢、硅钢以及不同材料的纯铁进行了磁声发射研究，发现磁声发射对材料所受的应力极为敏感；穆向荣等[14]、王威等[15]、王金凤等[16]研究了铁磁性材料的应力状态和塑性变形对磁声发射的影响，发现应力状态和塑性变形的改变会导致磁声发射信号呈现一定规律的改变；杜凤牧等[17]研究了几种材料的硅钢在不同形变量下MAE信号的变化情况，发现MAE信号强度随形变量的增大而减弱；侯炳麟等[18]对轨钢样品进行MAE检测，发现可根据MAE信号来估测材料的损伤程度与剩余寿命。

相较于几种传统的只能检测宏观缺陷的无损检测方法，MAE技术在铁磁性金属材料的疲劳损伤、塑性变形及应力检测等方面展现出极大的潜力。

由于对MAE检测法的研究较晚，其并不如传统无损检测方法成熟。MAE信号的幅值较低，在工程应用中，容易受到现场环境干扰。因此，寻找合适的MAE信号对材料进行检测是非常有必要的。MAE信号的影响因素众多，如励磁波形、频率以及电压等。为使MAE检测方法对材料的检测更加有效、可信，文章以Q235钢为例，对影响MAE信号的励磁频率、电压以及波形等3个影响因素进行研究，以确定合适的MAE检测参数。

2 MAE检测试验

试验采用课题组自行设计研制的MAE信号检测装置[19]，其结构如图1所示。Q235钢试样的结构如图2所示，试样厚度为8 mm。试验所用声发射仪的主要参数设置如表1所示。试验通过导磁胶把磁轭两极和Q235试样紧紧相连。

图1 MAE信号检测装置结构示意

图2 Q235钢试样结构示意

表1 声发射仪的主要参数设置

2.1 励磁电压对MAE信号的影响

试验采用单一变量法研究励磁电压对MAE信号的影响。采用励磁频率为10 Hz，波形为正弦波的励磁信号对图2所示的Q235钢试样进行励磁，得到不同励磁电压下的MAE信号波形及频谱(见图3)。励磁电压与滤波后时域波形面积的关系如图4所示；励磁电压与信号均方根值的关系如图5所示。

图3 不同励磁电压下Q235钢试样的MAE信号波形及频谱

图4 励磁电压与滤波后时域波形面积的关系

图5 励磁电压与电压均方根的关系

分析试验结果可知，在励磁电压不断增加的情况下，MAE信号幅值和电压的均方根等MAE信号特征均呈现逐渐增大的趋势。分析认为励磁电压的变化导致被检材料内部的磁畴发生变化，在励磁电压较小的情况下，材料内部磁畴转动导致磁畴壁发生移动，随着励磁电压不断增大，材料内部发生移动的磁畴壁数量也会逐渐增加，由此产生的MAE信号也就不断增强。仅在励磁电压改变的情况下，MAE信号的变化趋势总是同励磁电压的变化趋势一致，即励磁电压增大，MAE信号也增强。在一个励磁周期内，若磁感应强度快速变化，则意味着单位时间内材料内部磁畴的偏转剧烈，使得磁畴壁移动的数量增加，产生的MAE信号也增强。

对于铁磁性金属材料Q235钢而言，在励磁电压不断增大的情况下，磁场强度也会逐渐增大，材料内部磁畴偏转的数量就越多，同时磁畴壁的产生和湮灭现象增多，使得MAE信号强度不断增大。

2.2 励磁频率对MAE信号的影响

试验研究在励磁电压为1.0，2.0，3.0 V时，不同励磁频率下MAE信号的变化。不同电压下励磁频率与滤波后时域波形面积的关系如图6所示；不同电压下励磁频率与电压均方根的关系如图7所示。

图6 不同电压下励磁频率与滤波后时域波形面积的关系

图7 不同电压下励磁频率与电压均方根的关系

分析试验结果可知，在励磁频率不断变大的情况下，材料内部各个方向发生偏转的磁畴数量增加，即在单位时间内磁畴壁的产生或湮灭增多，MAE信号得到增强，但由于励磁器中励磁线圈的存在，频率增大时其感抗增大，励磁电流减小，磁化强度减弱，参与磁畴结构变化的磁畴数量减少，MAE信号也就减弱。上述两种因素共同作用，一增一减，最终导致MAE信号强度、单位时间内包络的面积等信号特征呈先增大后减小的趋势。这表明励磁频率的大小与MAE信号关系密切，是MAE信号的重要影响因素。

2.3 励磁波形对MAE信号的影响

由前文对两个因素的研究可以发现，励磁电压和频率都是MAE信号的影响因素，其关系着MAE信号的信噪比和强度，而励磁电压与励磁频率相互制约，在线圈的作用下频率增大励磁强度减小。若以上升速率和下降速率不对称的波形进行励磁，由于磁感应强度连续变化，能够获得同时满足高磁感应强度和高励磁频率的信号。因此，分别用不同对称性(S)的三角波和不同占空比(D)的方波(见图8,9)作为Q235钢试样的激励源，分析不同激励源波形对MAE信号特征的影响。

图8 三角波波形示意

图9 方波波形示意

图10 不同三角波及方波励磁所得的MAE信号波形及其频谱

试验选定励磁频率为10 Hz，励磁电压为3.0 V。不同三角波及方波励磁所得的MAE信号波形及其频谱如图10所示。采集到的MAE信号经20～500 kHz带通滤波后，得到波形的对称性(或占空比)与时域波形面积的关系如图11所示，波形的对称性(或占空比)与电压均方根的关系如图12所示。

图11 波形的对称性(或占空比)与时域波形面积的关系

由图10可知，选用S为50%的三角波和D为50%的方波作为励磁源时，在励磁周期内出现两个周期为半个励磁周期的MAE信号，且这两个信号的幅值及包络形状均较为相似。当选用S为25%和75%的三角波作为励磁源时，在励磁周期内也同样出现两个MAE信号，但这两个信号的幅度和包络形状是不完全相同的。用不同占空比的方波作激励源时，在励磁周期内同样可以得到两个MAE信号，并且这两个信号的波形特征基本相同，二者出现在时间轴上的位置与占空比相对应。对比不同对称性和不同占空比的方波所得到的结果可以发现，相同励磁条件下，不同对称性的三角波波形作激励源对MAE信号滤波后的时域波形面积和电压均方根的影响要远远小于方波波形作激励源对MAE信号滤波后的时域波形面积和电压均方根的影响，并且由三角波激励产生的MAE信号分布较广泛，主要频段为20～500 kHz，而方波激励产生的MAE信号就比较集中地分布于20～200 kHz，且在某几个点特别集中。

由图12，13可以看出，采用三角波波形进行励磁时，无论其占空比如何，实际检测的MAE信号滤波后的时域波形面积以及电压均方根均变化不大，即可以认为三角波波形对MAE信号几乎没有影响。不同占空比的方波波形作激励源会影响MAE信号的电压均方根以及滤波后时域波形的面积，当方波的占空比为50%时，MAE信号滤波后的时域波形面积和电压均方根均处于最大值。

图12 波形的对称性(或占空比)与电压均方根的关系

由上述分析可知，在其他励磁条件相同的条件下，选用方波作为激励源比选用三角波作为激励源产生的MAE信号更明显，而对不同占空比的方波而言，选用D为50%的方波波形进行励磁所得的MAE信号特征更明显。

3 结论

(1) 从MAE信号产生机理及试验验证分析，励磁电压不断增大的情况下，MAE信号的幅值和电压均方根等信号特征逐渐增大，且材料的磁感应强度增大，材料内部磁畴偏转的数量及幅度增大，即发生移动的磁畴壁增多，产生的MAE信号也增强。

(2) 励磁频率不断增大导致线圈感抗增大，使励磁电流不断减小，材料磁化强度减弱，而在单位时间内材料内部偏转的磁畴数目增大，即移动、产生或湮灭的磁畴壁增多，使MAE信号增强。这两种效果共同作用，使得产生的MAE信号的强度、单位时间内包络面积等信号特征呈现出先增大后减小的趋势。

(3) 不同对称性的三角波波形作激励源对MAE信号的产生几乎没有影响；而采用不同占空比的方波波形作激励源时，MAE信号会有明显的变化，占空比为50%的方波波形作为激励源时，MAE信号的特征更明显。