專利名稱：變磁激勵(lì)條件下金屬裂紋擴(kuò)展的磁性在位檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在改變磁激勵(lì)的條件下金屬裂紋擴(kuò)展的磁性在位檢測方法，屬于金屬損傷和疲勞過程無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
裂紋是金屬損傷的一種主要形式，它是導(dǎo)致金屬構(gòu)件失效的主要原因。金屬構(gòu)件失效有可能使整臺(tái)設(shè)備面臨失效、斷裂、爆炸等嚴(yán)重威脅，尤其是對(duì)航天航空、電力、交通設(shè)備等關(guān)系民生的重要領(lǐng)域，會(huì)造成災(zāi)難性的后果。為了保證設(shè)備有效運(yùn)行，就必須在構(gòu)件失效之前，對(duì)承受載荷的金屬構(gòu)件上易產(chǎn)生裂紋的潛在區(qū)域進(jìn)行可靠檢測。最近幾十年，無損檢測得到快速發(fā)展，多種檢測方法應(yīng)用于裂紋檢測。其中典型的有漏磁法、磁粉法、電渦流法，聲發(fā)射法等。其中前三種為離位檢測方法，聲發(fā)射為在位檢測方法。離位方法中，采用漏磁方法僅能對(duì)宏觀裂紋進(jìn)行檢測，對(duì)微裂紋萌生及裂紋早期擴(kuò)展則難以有效檢測；磁粉法實(shí)施起來比較繁瑣，且如被測構(gòu)件表面有涂層，必須先去除涂層， 這是很多設(shè)備不允許的；電渦流法因?yàn)樘犭x效應(yīng)大的原因，對(duì)探頭與檢測構(gòu)件之間的距離特別敏感，檢測結(jié)果并不精確。聲發(fā)射法雖然為在位檢測方法，但發(fā)射源的位置無法確定， 不能判斷裂紋產(chǎn)生的準(zhǔn)確位置。金屬磁記憶檢測是近年來提出的一種新型無損檢測方法，具有對(duì)被測試件表面質(zhì)量要求較低、對(duì)疲勞裂紋和微小損傷檢測靈敏度較高、提離效應(yīng)小等優(yōu)點(diǎn)。由于磁記憶檢測方法拾取的是地磁場環(huán)境下試件表面的弱磁信號(hào)，易受材料成分、熱處理狀態(tài)等因素影響而產(chǎn)生誤判，使得磁記憶檢測技術(shù)的可靠性受到影響，有時(shí)會(huì)造成檢測難以進(jìn)行。同時(shí)，現(xiàn)有的磁記憶檢測方法多為離位檢測，需要探頭掃描移動(dòng)。在裂紋擴(kuò)展拉伸實(shí)驗(yàn)過程中，往往需要多次掃描才能有效發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展過程，十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本發(fā)明提出了一種變激勵(lì)條件下鐵磁性金屬裂紋擴(kuò)展的磁記憶在位檢測方法，這種方法是對(duì)傳統(tǒng)磁記憶檢測方法的改進(jìn)。具有檢測效率高、簡單方便等特點(diǎn)。本發(fā)明的目的在于為研究鐵磁金屬材料構(gòu)件裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展而提供一種新型的便捷實(shí)用的在位檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容
本方法的實(shí)施由下列裝置完成框架式實(shí)驗(yàn)拉伸裝置(圖1)、陣列式磁記憶傳感器(圖幻、磁場可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁裝置(圖幻、磁記憶信號(hào)處理和采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)拉伸裝置采用剛性較好的框架式結(jié)構(gòu)(見圖1)，由千斤頂2施加推力，通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵嚰?的拉力，施加于試件上的拉力值由應(yīng)變式力傳感器1讀出。磁記憶傳感器采用12個(gè)微型霍爾器件，2X6的陣列式布局方式(圖2)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測試件易產(chǎn)生裂紋區(qū)域的覆蓋，在檢測過程中，無需對(duì)探頭移動(dòng)，就能在探頭覆蓋范圍內(nèi)判斷裂紋是否產(chǎn)生和擴(kuò)展。 勵(lì)磁裝置由鉸接結(jié)構(gòu)、園棒狀鐵芯、線圈和尼龍骨架等組成(圖3)，通過掛件2和拉伸裝置上固定試件8的穿銷1相連，鉸接板3的作用是允許勵(lì)磁裝置繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證上下極靴4、6和被測試件貼合，實(shí)現(xiàn)較好的磁化作用；兩個(gè)勵(lì)磁極靴設(shè)計(jì)成可在試件表面滑移的形式，避免了采用固定連接時(shí)，隨著試件拉伸過程的伸長而損壞極靴的情況發(fā)生； 當(dāng)勵(lì)磁裝置工作時(shí)，其產(chǎn)生的磁力能夠保證磁化裝置與試件實(shí)現(xiàn)較好的接觸。變磁激勵(lì)通過兩種方式實(shí)現(xiàn)第一種是通過調(diào)壓器改變勵(lì)磁線圈5中的電流，從而改變磁場強(qiáng)度；第二種是將線圈設(shè)計(jì)成兩段式結(jié)構(gòu)，當(dāng)不需要很強(qiáng)的磁化激勵(lì)時(shí)，只用其中的一段線圈工作，當(dāng)需要加強(qiáng)磁化激勵(lì)時(shí)，可以將兩部分線圈串連起來工作。磁記憶信號(hào)采集和信息處理系統(tǒng)由多路信號(hào)采集器和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件組成，此部分為標(biāo)準(zhǔn)配置，在此不作贅述。本發(fā)明有效解決了研究裂紋擴(kuò)展時(shí)，勵(lì)磁裝置難以隨試件一起移動(dòng)，從而無法有效進(jìn)行磁化的問題；通過施加強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的磁場，可以有效消除地磁場環(huán)境下，外界干擾因素對(duì)磁記憶檢測結(jié)果的影響，從而提高檢測結(jié)果的可靠性；提出了一種利用陣列式磁記憶傳感器對(duì)被測試件裂紋擴(kuò)展進(jìn)行在位檢測的方法，該方法無需移動(dòng)探頭對(duì)試件掃描，即可實(shí)現(xiàn)檢測。此方法通過判別裂紋擴(kuò)展處的法向磁場強(qiáng)度或法向磁場梯度值實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋擴(kuò)展的有效識(shí)別。本檢測方法的具體實(shí)施步驟如下步驟1，制作符合拉伸裝置夾持要求的拉伸試件，并預(yù)制可產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象的初始缺陷；步驟2，把被測試件、勵(lì)磁裝置固定在拉伸裝置上，把陣列式探頭安裝在移動(dòng)裝置上，并固定在試件需要檢測的位置，保證探頭陣列面和被測試件表面的距離不大于2mm ；步驟3，根據(jù)需要，調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置供電電源的電壓，調(diào)節(jié)勵(lì)磁場大??；通過千斤頂對(duì)試件施加所需要的拉力，并通過傳感器讀出相應(yīng)的載荷值；步驟4，可在加載過程不同階段，對(duì)被測試件進(jìn)行磁記憶信號(hào)采集。開啟裝置供電電源，采集的信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)由陣列式磁記憶傳感器的后續(xù)處理電路處理，并經(jīng)數(shù)據(jù)多路采集器被上位機(jī)接收。步驟5，在計(jì)算機(jī)上利用信號(hào)處理軟件對(duì)采集到的磁記憶信號(hào)進(jìn)行處理，可以按照磁記憶數(shù)據(jù)的幅值高低進(jìn)行彩色成像圖顯示，也可以將采集到的磁記憶檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行求梯度處理后進(jìn)行成像，則效果往往更佳。若檢測區(qū)域無缺陷，則采集數(shù)據(jù)成像結(jié)果為一個(gè)顏色均勻的平面；若存在缺陷，則磁化狀態(tài)下缺陷處會(huì)存在由于漏磁場效應(yīng)而出現(xiàn)的波峰、波谷，在彩色圖上會(huì)產(chǎn)生顏色的鮮明變化，從而顯現(xiàn)缺陷的存在；當(dāng)裂紋等缺陷產(chǎn)生擴(kuò)展時(shí)，則裂紋尖端的顏色分布狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化，根據(jù)缺陷成像結(jié)果的變化可以判斷裂紋的擴(kuò)展程度。本發(fā)明所述的勵(lì)磁裝置中，鉸接板3采用尼龍材料，防止了勵(lì)磁回路的磁泄漏；極靴4、6的寬度設(shè)計(jì)與被測試件的寬度要一致。極靴、鐵芯軸、勵(lì)磁線圈、被測試件形成一個(gè)閉合的勵(lì)磁回路。勵(lì)磁裝置的連接關(guān)系為掛架2通過鉸接板3與極靴4相連；兩個(gè)勵(lì)磁線圈5套在鐵芯軸7的中部；極靴4、6在勵(lì)磁線圈兩端分別穿套在鐵芯軸上；通過鐵芯軸兩端的螺紋連接把勵(lì)磁線圈和極靴固定，固定時(shí)，兩個(gè)極靴接觸被測試件的表面要在同一個(gè)平面上；勵(lì)磁裝置的線圈輸入端與直流可調(diào)電壓電源相連；線圈設(shè)計(jì)成兩段式結(jié)構(gòu)，當(dāng)不需要很強(qiáng)的磁化激勵(lì)時(shí)，只用其中的一段線圈工作，當(dāng)需要加強(qiáng)磁化激勵(lì)時(shí)，可以將兩部分線圈串連起來工作。
本發(fā)明所述的陣列式探頭外殼結(jié)構(gòu)為非鐵磁性材料制作，探頭頭部固定有矩形陣列式磁傳感器的電路板，電路板引出的導(dǎo)線在探頭外殼內(nèi)部穿出，導(dǎo)線通過AB膠與外殼固連，以防止在操作中，因?qū)Ь€被拉拽損壞傳感器。陣列式磁傳感器所用敏感元件為霍爾器件，它具有體積小、靈敏度高、線性度好等特點(diǎn)。多個(gè)霍爾器件在電路板上串聯(lián)連接，串聯(lián)的作用是使得每個(gè)元件上供電電流相同。
本發(fā)明所述的后續(xù)處理電路包括磁傳感器的供電電路、每通道的放大電路、每通道的濾波電路幾部分。供電電路的作用為給磁傳感器供電，使得磁傳感器能夠按照其原理工作；放大濾波電路是對(duì)每通道磁傳感器采集到的初始信號(hào)放大、去噪處理，提高信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)方便被采集卡采集。它們的連接關(guān)系為磁傳感器供電電路連接方形陣列式傳感器的輸入端，每通道磁傳感器的輸出端連接信號(hào)放大電路
本發(fā)明所述的數(shù)據(jù)采集卡為多通道多點(diǎn)采集卡，它的采集頻率在100HZ以上即可，通過軟件控制可以對(duì)多通道數(shù)據(jù)同步采集。
本發(fā)明所述的陣列式磁記憶信號(hào)處理軟件，指利用Matlab工具對(duì)采集的數(shù)據(jù)彩色成像，或?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)梯度成像，進(jìn)而判斷裂紋擴(kuò)展的過程。
勵(lì)磁裝置通過調(diào)節(jié)直流電源供電電壓，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)變磁激勵(lì)的條件。由于試件豎直固定在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在無電流時(shí)，勵(lì)磁裝置會(huì)完全靠自重與試件基本保持平行，此時(shí)極靴4、6與試件8之間存在空隙。當(dāng)輸入電流時(shí)，在磁場的作用下，鉸接板3根據(jù)連桿原理旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使得極靴4、6吸附在試件上，達(dá)到固定和勵(lì)磁的作用。 當(dāng)加載時(shí)，試件被拉長，此時(shí)極靴4、6會(huì)在試件表面摩擦移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了可滑移的勵(lì)磁方式。
有益效果
1.本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于霍爾器件的陣列式傳感器，實(shí)現(xiàn)了利用磁信號(hào)的金屬裂紋擴(kuò)展在位檢測，為金屬缺陷損傷的實(shí)驗(yàn)研究提供了一種新型檢測工具。
2、勵(lì)磁裝置采用獨(dú)特的懸掛式結(jié)構(gòu)，較好地解決了試件拉伸和磁化之間的矛盾， 實(shí)現(xiàn)了試件拉伸滑移過程中依靠摩擦接觸進(jìn)行勵(lì)磁的目的，從而為變磁激勵(lì)條件下的裂紋擴(kuò)展檢測提供了可行性基礎(chǔ)。
3.通過采用陣列式布局，使得磁傳感器敏感區(qū)覆蓋在需要檢測的裂紋擴(kuò)展部位， 無需移動(dòng)傳感器對(duì)試件進(jìn)行掃描，就可把被測試件表面的裂紋擴(kuò)展信息采集到，減少了移動(dòng)掃描帶來的時(shí)間耗費(fèi)和檢測誤差，提高了檢測效率和精度。


圖1為框架式拉伸實(shí)驗(yàn)裝置；
圖中1-應(yīng)力式傳感器、2-千斤頂、3-移動(dòng)機(jī)構(gòu)、4-試件。
圖2為陣列式磁記憶傳感器；
圖中1-探頭實(shí)物圖、2-探頭局部放大。
圖3為可實(shí)現(xiàn)變磁激勵(lì)的勵(lì)磁裝置；
圖中1-穿銷、2-掛架、3-鉸接板、4-極靴1、5_線圈、6-極靴2、7_鐵芯、8-試件、 9-勵(lì)磁回路、10-直流電流輸入。5
圖4為勵(lì)磁裝置的連接關(guān)系圖中1-拉伸機(jī)上加持頭、2-穿銷、3-掛架、4-鉸接板、5-極靴1、6_鐵芯、7-線圈骨架、8-漆包線、9-探頭、10-定位螺母、11-緊鎖螺母、12-磁傳感器信號(hào)輸出導(dǎo)線、13-拉伸機(jī)上固定探頭支架、14-極靴2、15-被測試件、16-拉伸機(jī)下加持頭。
圖5為試件結(jié)構(gòu)尺寸和缺陷位置示意圖中1-試件、2-缺陷位置。
圖6為不同激勵(lì)條件下磁信號(hào)成像結(jié)果；
圖7為探頭掃描和固定情況下磁成像結(jié)果。
圖8為探頭掃描和固定情況下磁信號(hào)梯度值成像結(jié)果具體實(shí)施方式
為了更好地說明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實(shí)施例中選用壓力容器中常用的16MnR材料制作拉伸試件，待測試件的有效寬度為^mm,試件的厚度為4mm，在試件的中心部位預(yù)制5mmX Imm宏觀裂紋缺陷，試件的主要結(jié)構(gòu)尺寸圖5所示。
本實(shí)施例中磁傳感器采用中科院半導(dǎo)體研究所研制的紳化鎵高靈敏度霍爾傳感器，其外形尺寸為1.5mmX1.7mm，靈敏度為lOmv/mA. KGs，線性度為0. 1%，工作溫度為-40°C +125°C ；輸入端電阻為0. 67ΚΩ，輸出電阻為0. 96ΚΩ。
本實(shí)施例中的勵(lì)磁裝置，由兩段勵(lì)磁線圈組成，每一個(gè)勵(lì)磁線圈均采用直徑為 0. 47mm的漆包線纏繞在尼龍線圈骨架上1360圈。
本實(shí)施例中的勵(lì)磁直流電源采用DH1718G-4無極可調(diào)電源，每一路通道的最大電壓為35V，最大電流為3A ；信號(hào)后續(xù)處理電路部分供電電壓為IOV0
實(shí)施過程首先按照操作步驟連接檢測系統(tǒng)中的各個(gè)部分，并固定探頭。啟動(dòng)后續(xù)處理電路部分的供電電源；啟動(dòng)勵(lì)磁裝置的供電電源，在剛啟動(dòng)時(shí)要注意把勵(lì)磁裝置的供電電壓調(diào)節(jié)到零伏；調(diào)節(jié)拉伸試驗(yàn)裝置對(duì)被測試件加載所需拉力，調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置，對(duì)被測試件加載所需磁場強(qiáng)度，在調(diào)節(jié)拉力過程中，勵(lì)磁裝置會(huì)在試件表面滑移；通過控制工控機(jī)的采集軟件，可對(duì)任何時(shí)間探頭所覆蓋區(qū)域的裂紋擴(kuò)展信息進(jìn)行采集；利用Matlab軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)插值擬合三維及平面彩色成像，通過成像的結(jié)果可以判斷裂紋擴(kuò)展的信息情況。
圖6為拉力值為41KN時(shí)，被檢測區(qū)域在不同勵(lì)磁條件下(供電電流為0.05A， 0.25A，0.5A，0.75A)磁記憶信號(hào)梯度值成像的結(jié)果。結(jié)果顯示，隨著勵(lì)磁強(qiáng)度的增加，被檢測區(qū)域中心缺陷處的梯度值越來越大。此結(jié)果也說明了變勵(lì)磁條件下檢測結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確，勵(lì)磁增強(qiáng)了裂紋擴(kuò)展處的磁場強(qiáng)度，同時(shí)大大降低了其他干擾信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度。
圖7為拉力值35KN，勵(lì)磁電流0. 05A時(shí)，檢測裝置對(duì)缺陷區(qū)域磁場強(qiáng)度的磁信號(hào)成像結(jié)果。其中圖7(b)為探頭固定時(shí)的成像結(jié)果。由于預(yù)制缺陷的寬度為5mm，但成像中黃色(波峰)與藍(lán)色(波谷)的區(qū)域已經(jīng)在缺陷寬度方向上有了延伸，此時(shí)裂紋已經(jīng)擴(kuò)展，說明本方法能夠較準(zhǔn)確地對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行檢測。圖7(a)為相同條件下，探頭對(duì)缺陷掃描的結(jié)果。從圖中可以明顯看出掃描得到的曲面干擾波較多，曲面不光滑；而定點(diǎn)檢測得到的圖形很光滑，而且對(duì)于缺陷的位置一目了然。此結(jié)果再次體現(xiàn)了在位固定檢測的優(yōu)越性。
圖8為與圖7相同的載荷值和勵(lì)磁電流情況下，對(duì)裂紋區(qū)域的磁信號(hào)梯度值成像結(jié)果。其中圖8(b)為探頭固定時(shí)的磁信號(hào)梯度的成像結(jié)果。檢測結(jié)果相比于圖8(a)掃描得到數(shù)據(jù)梯度的檢測圖形成像結(jié)果更好。
本實(shí)施例僅為一種材料的試件進(jìn)行了檢測。本發(fā)明可以對(duì)多種鐵磁性材料結(jié)果進(jìn)行檢測，且探頭的個(gè)數(shù)、間距可以根據(jù)需要靈活布置。
權(quán)利要求
1.一種適用于鐵磁材料金屬裂紋擴(kuò)展在位檢測研究的新型無損檢測方法和裝置，包括可以改變激勵(lì)條件的磁化裝置，基于霍爾元件的陣列式檢測探頭，框架式拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，磁記憶信號(hào)處理和采集系統(tǒng)等部分，其特征在于(1)采用了可以沿試件表面滑移的勵(lì)磁裝置，該裝置通過鉸接結(jié)構(gòu)在電磁力作用下和試件表面實(shí)現(xiàn)貼合，并可在試件表面滑移，既完成了試件磁化功能，又不阻礙試件加載過程中的拉伸變形，滿足了拉伸試件的磁化技術(shù)要求；(2)采用了基于微型霍爾器件的陣列式磁記憶檢測傳感器，該傳感器采用多個(gè)微型霍爾器件的陣列式布局方式，可以滿足對(duì)被測試件裂紋產(chǎn)生區(qū)域的有效覆蓋，在檢測過程中無需移動(dòng)探頭，即可判斷裂紋是否產(chǎn)生和擴(kuò)展；(3)采用了可變磁化場的磁化方式，通過改變勵(lì)磁電流和進(jìn)行磁路的串并聯(lián)，可以選擇不同的磁場強(qiáng)度幅值和頻率，針對(duì)不同的被測材料，達(dá)到去除雜散磁場干擾，取得較好檢測效果的目的；采用磁記憶信號(hào)梯度成像的辦法，顯示裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的位置，具有形象直觀的特點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變激勵(lì)條件的磁化裝置，其特征系采用鉸接結(jié)構(gòu)、園棒狀鐵芯、線圈和尼龍骨架等組成(圖3)，通過掛件2和拉伸裝置上固定試件8的穿銷1相連， 鉸接板3的作用是允許勵(lì)磁裝置繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保證上下極靴4、6和被測試件貼合，實(shí)現(xiàn)較好的磁化作用；兩個(gè)勵(lì)磁極靴設(shè)計(jì)成可在試件表面滑移的形式，避免了采用固定連接時(shí)， 隨著試件拉伸過程的伸長而損壞極靴的情況發(fā)生；當(dāng)勵(lì)磁裝置工作時(shí)，其產(chǎn)生的磁力能夠保證磁化裝置與試件實(shí)現(xiàn)較好的接觸。變磁激勵(lì)通過兩種方式實(shí)現(xiàn)第一種是通過調(diào)壓器改變勵(lì)磁線圈5中的電流，從而改變磁場強(qiáng)度；第二種是將線圈設(shè)計(jì)成兩段式結(jié)構(gòu)，當(dāng)不需要很強(qiáng)的磁化激勵(lì)時(shí)，只用其中的一段線圈工作，當(dāng)需要加強(qiáng)磁化激勵(lì)時(shí)，可以將兩部分線圈串連起來工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鐵磁材料金屬裂紋擴(kuò)展的在位檢測方法與裝置，屬于金屬損傷和疲勞過程無損檢測技術(shù)領(lǐng)域。該方法采用微型霍爾器件制成陣列式傳感器，利用可以調(diào)節(jié)的磁場激勵(lì)信號(hào)，針對(duì)不同的鐵磁材料，采用合適的激勵(lì)方式，去除雜散磁場的干擾，以獲得最佳的檢測效果。采用陣列式探頭、無需移動(dòng)檢測機(jī)構(gòu)，利用鐵磁材料裂紋擴(kuò)展時(shí)的微弱磁信號(hào)異常變化信息，來實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的實(shí)時(shí)在位檢測，具有非接觸、檢測效率高、簡單方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/83GK102539518SQ20111033644
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者劉書選, 張衛(wèi)民, 涂青松, 邱勇, 陳成峰 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)