基于巴克豪森噪声的高强钢快速无损检测研究

摘要

随着排放标准的日益严苛，车身结构轻量化作为实现减排指标的重要手段，被各大汽车企业日益重视，使用新型轻质材料是汽车轻量化的最有效手段。先进高强钢和热冲压高强钢作为兼顾经济性、安全性和轻量化的两大材料，是目前使用最广的两类汽车车身结构件金属材料。为了保证汽车结构件的力学性能合格，需要进行现场在线检测，而目前传统检测方法（如金相观察、硬度计测量）不仅仅对耗时长，而且对零件产生不可逆损伤。为实现对热冲压高强钢汽车结构件力学性能的快速高效检测以及先进高强钢的成形强化过程的无损检测，本文提出了基于巴克豪森噪声（Magnetic Barkhausen Noise，MBN）的无损检测方法。
　　巴克豪森噪声是指铁磁性材料在交变磁场作用下，其内部磁畴以多种形式进行翻转，而在内部如位错、晶界等多种钉扎的阻碍下，磁畴以阶跃形式翻转，由检测装置捕捉到的电压信号类似于周期性噪声。为实现基于巴克豪森噪声的无损检测，需要探究材料应力状态、微观组织与MBN信号特征值的关系，因此本文从宏观角度探究了MBN信号时域特征值和频域特征值与材料变形过程、硬度和微观组织等方面的变化关系。
　　根据巴克豪森噪声的产生机理及信号特征，开发了 MBN无损检测系统。针对MBN信号的包含大量复杂频率成分和易受多因素影响的特性，提出采用叠加平均降噪和基于AR模型的功率谱密度的计算方法，为信号的时频分析提供技术基础。
　　本文首先对典型先进高强钢TRIP钢的拉伸过程进行了MBN信号检测，对比低碳钢DC钢，可明显发现TRIP钢变形弹塑性变形过程中的TRIP效应对MBN信号的影响，为从宏观上连续观察TRIP效应提供了新的电磁无损检测手段。
　　针对热冲压高强钢的力学性能检测，对其硬度与MBN信号的时频特征值进行了研究。研究发现随着硬度的增加，MBN信号逐渐减弱，包括反应信号最大脉冲的峰值和平均能量的均方根均减小，低频对应峰值减小，高频对应峰值增加，这是本质上是磁畴翻转难度增加，巴克豪森效应释放困难。
　　最后设计了基于MBN的硬度检测方法并开发了可用于生产现场的便携式MBN检测仪，集成基于MBN的硬度检测系统和工业机器人，开发了基于MBN的硬度检测系统，可有效提高热冲压零件的质检效率和拓宽应用场景。

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2高强钢力学性能传统检测技术

1.3 巴克豪森效应机理

1.4 巴克豪森无损检测研究现状

1.5 论文主要研究内容

2 巴克豪森无损检测系统开发

2.1 引言

2.1 硬件部分开发

2.2 软件部分开发

2.3 MBN无损检测系统总成

2.4 本章小结

3 先进高强钢TRIP800拉伸过程中巴克豪森信号特征

3.1 引言

3.2 TRIP800 MBN信号检测方案

3.3 TRIP800拉伸过程信号特征分析

3.4 TRIP800与DC07信号特征对比

3.5 本章小结

4热冲压高强钢的巴克豪森无损检测

4.1 引言

4.2 高强钢变强度分布热冲压工艺

4.3 高强钢变强度分布热冲压零件的MBN无损检测

4.4 本章小结

5 巴克豪森无损检测的自动化

5.1 引言

5.2 基于巴克豪森噪声的机器人自动检测系统

5.3 热冲压零件的机器人自动检测

5.4 本章小结

6 全文总结

6.1 本文主要工作

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间所发表的论文或专利