基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方法

摘要

本发明公开了一种基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方法，基本原理是铁磁性材料的磁致伸缩系数对应力敏感，铁磁性材料的应力状态不同时磁致伸缩系数曲线将发生改变，进而影响磁致伸缩横波传感器的磁-声转换效率。通过测取不同励磁场强度作用下，磁致伸缩横波传感器在焊缝区域接收到的横波反射信号幅值变化曲线，即可动态地反映出材料磁致伸缩系数曲线随应力的变化规律。通过调控电磁铁励磁电流幅值及周期，可以实现横波信号的多次等幅激励与接收，绘制出横波反射信号幅值随表面切向磁场强度的变化曲线，即动态磁致伸缩系数曲线。任意表面切向磁场强度下的横波幅值或动态磁致伸缩系数曲线的斜率参量表征焊接区域的残余应力大小。

说明书

技术领域：

本发明属于应力无损测量技术领域，涉及一种基于动态磁致伸缩系数测 量的焊接残余应力超声评价方法。该方法利用焊接残余应力对铁磁性材料磁 致伸缩系数曲线的影响，采用磁致伸缩横波测试方法，测取焊接区域的动态 磁致伸缩系数曲线，提取特征参量对焊接区域的拉、压残余应力大小进行表 征。

背景技术：

焊接过程是一个对焊件局部加热继而逐渐冷却的过程，不均匀的温度场 将使焊件各部分产生不均匀变形，从而产生焊接残余应力。焊接残余应力严 重影响结构的疲劳强度、抗脆断和抗应力腐蚀开裂等能力，残余应力的无损 测试是评价焊接质量的重要技术手段。

超声波法是焊接残余应力无损测量的重要方法之一。当前主要基于声弹 效应，采用超声波在焊接区域内的声速变化反映残余应力大小。由于声弹效 应较为微弱，声速对应力的灵敏度不高，采用该方法进行检测时，对信号采 集硬件要求较高，且检测结果易受噪声干扰。因此，有必要探索基于不同检 测机理的应力测量新方法，并提高方法的检测灵敏度和抗干扰能力。

本发明公布的基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方 法，采用超声波幅值随励磁场强度的变化曲线中的多项特征参数，对焊接残 余应力进行表征，属于新的应力无损测量方法。

发明内容：

本发明是一种基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方 法，目的在于提供一种可实现高效、便捷、准确的焊接残余应力测量新方法。 为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方法，其原理涉及 铁磁性材料的固有磁-弹特性，即铁磁性材料的应力状态不同时磁致伸缩系数 曲线将发生改变，进而影响磁致伸缩横波传感器的磁-声转换效率；不同励磁 场强度作用下，磁致伸缩横波探头的超声激励与接收效率能够间接反映材料 磁致伸缩系数曲线的变化，致伸缩横波探头的超声激励与接收效率以横波在 焊接结构内的反射信号幅值表示，将横波反射信号幅值随材料表面切向磁场 强度的变化曲线，即动态磁致伸缩系数曲线，经移动平均处理后，提取出任 意表面切向磁场强度下的幅值或动态磁致伸缩系数曲线的斜率；记录各焊接 残余应力水平下的任意表面切向磁场强度下的幅值或动态磁致伸缩系数曲线 的斜率并拟合得到标定方程，对焊接区域拉、压残余应力大小进行表征。

当磁致伸缩横波传感器沿焊接区域进行扫描时，可得到残余应力在扫描 方向的变化规律；磁致伸缩横波传感器的电磁铁由U型磁芯与绕制于磁芯的 励磁线圈构成，单点检测过程中，磁致伸缩横波传感器的电磁铁提供磁场对 焊接区域进行磁化，平面矩形线圈中通入脉冲交流信号以激励产生沿焊接结 构厚度方向传播的横波，反射回波被矩形平面线圈接收；布置于平面矩形线 圈中心位置的霍尔元件测量焊接区域的表面切向磁场；通过调控电磁铁励磁 电流幅值及周期，实现横波信号的多次(>2kHz)等幅激励与接收，测得横波 反射信号幅值随表面切向磁场强度的变化曲线，即动态磁致伸缩系数曲线。

基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价方法的具体实现过 程包括测量过程和标定过程两部分：

测量过程的实现方式是：将磁致伸缩横波传感器放置在焊缝7的表面， 使磁致伸缩横波传感器与被测焊接件8紧密贴合。利用双通道任意函数发生 器1产生脉冲交流信号和低频正弦励磁信号。低频正弦励磁信号输入至双极 性电源2进行放大后，通入绕制于磁芯4上的励磁线圈3，以提供偏置磁场 H_S对焊接区域进行磁化。脉冲交流信号经脉冲功率放大器9放大后接入平面 矩形线圈6，产生动态磁场H_D。材料在偏置磁场与动态磁场共同作用下，受 磁致伸缩机制控制产生沿焊缝7厚度方向传播的横波。在平面矩形线圈6的 中心位置安装一霍尔元件5，来测量材料表面的切向磁场强度H。磁致伸缩横 波传感器采用自激自收方式，检测横波反射信号。当动态磁场H_D保持不变时， 磁致伸缩横波传感器的激发效率β近似表达式为：

$\beta \propto \frac{\partial \lambda }{\partial M}$

其中λ为磁致伸缩系数，M为偏置磁场强度H_S作用下材料的磁化强度。 磁致伸缩系数与材料磁化强度的关系采用磁致伸缩系数曲线λ-M表示。上式 表明，当动态磁场H_D保持不变时，磁致伸缩传感器的横波激发效率与磁致伸 缩系数曲线的斜率相关。当材料内部的残余应力σ不同时，斜率取值 不同，进而磁致伸缩横波传感器的激发效率β发生改变，即相同动磁场H_D作 用下，传感器激励的横波能量不一致，用于检测固定厚度试件时，反射回波 的信号幅值将相应不同。即用于检测固定厚度试件时，动态磁致伸缩系数曲 线中任意表面切向磁场强度下的幅值均可以用来表征焊接残余应力。

焊接残余应力标定过程的实现方式是：通过调控电磁铁励磁电流幅值及 周期，以实现横波信号的多次(>2kHz)等幅激励与接收，最终绘制出横波反 射信号幅值随表面切向磁场强度H的变化曲线，即动态磁致伸缩系数曲线。 对动态磁致伸缩系数曲线进行移动平均处理，以得到光滑的动态磁致伸缩系 数曲线。提取出任意表面切向磁场强度(推荐表面切向磁场强度为0，或H_MAX)下的横波幅值或动态磁致伸缩系数曲线的斜率。记录各焊接残余应 力水平下的任意表面切向磁场强度下的幅值或动态磁致伸缩系数曲线的斜率 并拟合得到标定方程，即可用来对焊接区域拉、压残余应力大小进行表征。

本发明采用以上技术方案，利用磁致伸缩横波传感器产生的超声波幅值 信息巧妙地表示了焊接残余应力对磁致伸缩系数曲线的影响，从而建立起焊 接残余应力与动态磁致伸缩系数曲线之间的关系，实现焊接残余应力的无损 测量。

附图说明：

图1磁致伸缩横波传感器激励电路及检测元件示意图；

图2磁致伸缩横波传感器激励信号与横波检测信号波形示意图；

图3磁致伸缩横波传感器工作原理图；

图4应力对磁致伸缩系数曲线的影响规律示意图；

图5不同应力状态下的动态磁致伸缩系数曲线测量结果示意图。

图中：1-双通道任意函数发生器2-双极性电源3-励磁线圈4-铁氧体磁芯 5-霍尔元件6-平面矩形线圈7-焊缝8-焊接件9-脉冲功率放大器

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图 对本发明实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种基于动态磁致伸缩系数测量的焊接残余应力超声评价 方法，所述测量方法包括以下几个步骤：

1、如图1所示，将磁致伸缩横波传感器放置在焊缝7的表面，使磁致伸 缩横波传感器与被测焊接件8紧密贴合。

2、利用双通道任意函数发生器1产生脉冲交流信号(>2kHz)和低频正 弦励磁信号(1-100Hz)。低频正弦励磁信号输入至双极性电源2进行放大后， 通入绕制于磁芯4上的励磁线圈3，以提供偏置磁场H_S对焊接区域进行磁化。 脉冲交流信号经脉冲功率放大器9放大后接入平面矩形线圈6，产生动态磁场 H_D。图2展示了脉冲交流信号和低频正弦励磁信号的时域波形，在低频正弦 励磁信号工作的正半周期内，平面矩形线圈6中通入多次脉冲交流信号，以 完成横波信号的激励与接收；在低频正弦励磁信号工作的负半周期，同样重 复上述过程，以测试得到幅值随低频正弦励磁信号幅值变化的横波信号波形。

3、图3示出了磁致伸缩横波传感器提供的偏置磁场H_S与动态磁场H_D的 方向，材料在两个磁场共同作用下，受磁致伸缩机制控制产生沿焊缝7厚度 方向传播的横波。采用自激自收方式，平面矩形线圈6可接收到横波反射回 波。

4、在进行横波信号检测过程中，利用放置在平面矩形线圈6中心位置的 霍尔元件5对材料表面的切向磁场强度时变信号H进行测量。

5、图4示出了不同应力状态下材料的磁致伸缩系数曲线。当材料处于同 一磁化状态M时，由于应力σ的不同，将导致磁致伸缩系数曲线各点的斜率 发生变化，也即不同(如图中标注的1、2、3三个位置，它们的磁化强度 M一样，但它们因应力不同而导致存在差异)。通过采用图2所示激励信 号对磁致伸缩横波传感器进行激励，接收到的横波检测信号幅值可以代表磁 致伸缩系数曲线上不同位置处的斜率变化。而应力对曲线上不同位置处斜率 的影响可以通过标定实验获取。

6、图5为依据图2所示激励与接收信号绘制的动态磁致伸缩系数曲线， 进行移动平均处理后，提取出任意表面切向磁场强度下的横波幅值E或动态 磁致伸缩系数曲线的斜率K参量，记录各焊接残余应力水平下的任意表面切 向磁场强度(推荐表面切向磁场强度为0，或H_MAX但不局限于这几个 表面切向磁场强度，选择多个后可以从其中选择误差较小的进行表征残余应 力σ的大小)下的幅值或动态磁致伸缩系数曲线的斜率并拟合得到标定方程， 即可用来表征焊接残余应力σ的大小。

7、沿焊缝7表面移动磁致伸缩横波传感器，重复上述步骤，即可获取不 同部位的动态磁致伸缩系数曲线，提取出任意表面切向磁场强度下的横波幅 值E或动态磁致伸缩系数曲线的斜率K参量，带入标定方程，以对残余应力 σ的分布情况进行评价。