CN109900793B - 一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法 - Google Patents

Abstract

一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，首先，采用对称度为50％的三角波电压信号产生激励磁场，由小到大提高加载电压，直至获得具有梭形包络的磁致声发射信号，记载此时所对应的电压峰峰值；随后，采用对称度为0％或100％的三角波信号以等于或高于所述电压峰峰值的电压信号产生激励磁场，通过提高线圈的磁通势获取具有“T”形包络的磁致声发射信号；再次，计算多个周期内三角波电压直角边对应的磁致声发射信号的峰值电压平均值，将所述平均值作为检测被测铁磁性金属构件应力状态、蠕变或疲劳损伤程度的特征参数。

Description

一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法

技术领域

本发明属于材料损伤的无损检测技术领域，具体涉及一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法。

背景技术

磁致声发射，Magneto acoustic emission(简称MAE)是指铁磁性金属材料在交变磁场作用下由于磁畴结构发生变化而产生声发射的现象。MAE技术检测原理，参见说明书附图1：在U型电磁轭的线圈两端加载交变电流或电压，线圈产生交变磁场使与磁轭组成磁回路的铁磁性金属构件被反复磁化，由于磁晶各向异性，磁畴壁的不可逆位移、磁畴壁的产生和湮没以及磁畴磁化矢量不可逆转动常引起晶格的不可逆调整，从而产生弹性波即声发射信号；在交变磁场强度由最小值Hmin增大至最大值Hmax或者由Hmax下降至Hmin的过程中，铁磁性金属材料产生一系列相互叠加的声发射信号，形成具有一定包络形状的声发射信号包，称为MAE信号。

当交变磁场强度和频率一定时，MAE信号的特征由铁磁性金属构件的应力状态和微观组织结构状态所决定。参考文献1-3的研究表明，随着材料蠕变损伤程度、疲劳损伤程度及应力水平的增大，MAE信号强度或均方根电压随之单调下降，因此通过采集分析铁磁性金属构件的MAE信号，可实现对构件的蠕变损伤、疲劳损伤和应力状态的分析。

参考文献：

1.侯炳麟，周建平，彭湘，等.磁声发射在钢轨性能无损检测中的应用研究[J].实验力学，1998(1):98-104；

2.HIRASAWA T，SAITO K，CHUJOW N，et al.Nondestructive evaluation of agedmaterials used in nuclear power plant by magneto mechanical acoustic emissiontechnique[C].Tokyo，1999；

3.AUGUSTYNIAK B，CHMIELEWSKI M，PIOTROWSKIL，et al.Comparison ofproperties of magneto acoustic emission and mechanical Barkhausen effects forP91steel after plastic flow and creep[J].Magnetics IEEE Transactionson，2008，44(11)：3273-3276。

MAE信号的强度、信噪比和包络形状除与材料的应力和微观组织结构状态相关外，还由交变磁场的Hmax值和频率所决定。(1)磁场频率一定时，随着Hmax的不断增大，磁畴壁的不可逆移动、磁畴壁的产生和湮灭以及磁畴磁化矢量的不可逆转动等过程逐渐开始并增多，使得材料在Hmax到Hmin(-Hmax)或者由-Hmax到Hmax阶段产生更多的声发射信号，进而使MAE信号的强度和信噪比先逐渐增大，而后趋于稳定；MAE信号包络则由单峰转变为双峰。磁场强度达到一定值后，由材料的饱和磁致回线可知材料的不可逆磁化过程结束，因此，当Hmax达到该值后，其进一步增大，不会激发出更多的声发射信号，MAE信号的强度逐渐饱和，信噪比趋于不变，此时，对于具有双峰包络的信号，其双峰相互重叠为一个峰。(2)当Hmax一定时，随着交变磁场频率的增大，使材料在单位时间内输出的声发射信号增多，进而使MAE信号强度逐渐增大，但是相邻信号之间逐渐发生重叠，导致信噪比下降；由此可知，增大交变磁场强度和频率仅在一定程度上提高MAE信号的强度和信号比。

现有的正弦波或对称度为50％的三角波电压或电流信号激励下产生的MAE信号强度和信噪比较低，信号和噪声位于同一数量级，并且，当交变磁场强度和频率一定时，随着铁磁性金属构件应力水平以及疲劳、蠕变损伤程度的增加，信号强度进一步降低，甚至降至噪声水平及以下而无法识别，进而无法分析待测构件在其服役场所的损伤情况，严重影响了MAE技术的现场实地应用。现有的对称度为0％或者100％的三角波电压信号作为激励源时，随磁场强度、磁场频率以及磁场加载部件(磁轭/线圈的线圈匝数、漆包线标称直径等)、被测构件材质等因素的变化，所产生的磁致声发射信号包络具有不同的形状，如梭形、锥形、双驼峰、三角形及“T”形等，信号的强度也相差较大，仅在适宜的条件下才能获得包络峰值不叠加的T形包络磁致声发射信号。而适宜条件的获得需要多个参数(如磁场强度、磁场频率、电磁轭磁芯尺寸及线圈匝数、漆包线标称直径等)的尝试调试，耗时、费力，给工况条件下得现场检测带来极大的不便。

发明内容

针对上述存在的问题，为了大幅提高MAE信号的强度和信噪比，提升该技术的抗噪声能力和适用范围，提高现场参数调试的效率，本发明提供一种铁磁性金属材料蠕变损伤的磁致声发射检测方法，具体步骤如下：

(1)首先，采用对称度为50％的三角波电压信号产生激励磁场，具体为：

(1.1)将U型电磁轭和声发射传感器以相对固定的位置置于被测铁磁性金属构件的被检区域，使所述磁轭与所述构件形成磁回路；

(1.2)向U型电磁轭的线圈加载具有周期性的对称度为50％的三角波电压信号，所述声发射传感器采集磁致声发射信号，由小到大调整所述三角波电压信号的峰峰值，直至采集得到的磁致声发射信号的时域波形具有梭形包络，此时所述三角波电压信号的电压峰峰值记录为参考电压Vpp1；

(2)随后，采用对称度为0％或100％的三角波电压信号产生激励磁场，具体为：

(2.1)将步骤(1)中的三角波电压信号的对称度由50％改变为0％或100％，信号频率保持不变，设置信号的电压峰峰值为Vpp1的n倍，其中n≥1，所述声发射传感器采集磁致声发射信号；

(2.2)观察所述三角波电压信号斜边和直角边对应的磁致声发射信号的特征，若直角边对应的磁致声发射信号的时域波形不具有“T”形包络，则进行步骤(3)；若直角边对应的磁致声发射信号的时域波形具有“T”形包络，则进行步骤(4)；

(3)调整电磁轭线圈以获得T形包络信号，并根据磁通势选定线圈设置，具体为：

(3.1)以步进的方式调整线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸，对所述U型电磁轭加载步骤(2)中的三角波电压信号，观察所述声发射传感器获取的时域波形信号，记录该信号呈现“T”形包络时对应的线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸的范围，即N1至N2和/或R1至R2和/或r1至r2，其中N1、N2表示线圈匝数，R1、R2表示线圈漆包线标称直径，r1、r2表示磁芯尺寸；

(3.2)所述U型电磁轭的磁通势为N*I，N为线圈匝数，I为流经线圈的电流，记录所述步进调整过程中对应的磁通势，在(3.1)所述的线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸的范围内获取磁通势极大值所对应的Nmax和/或Rmax和/或rmax，采用步骤(2)中的三角波电压信号、以及所获得的Nmax和/或Rmax和/或rmax作为磁场激励设置，进行步骤(4)；

(4)对M个磁化周期的磁致声发射信号进行滤波，提取所述三角波电压信号直角边对应的磁致声发射信号的峰值电压，并对所述M个磁化周期内直角边对应的磁致声发射信号的峰值电压求取平均值；

(5)当前述步骤所述三角波电压信号直角边对应的磁致声发射信号的时域波形具有了“T”形包络时，则沿用此时所述U形电磁轭的线圈设置，并采用步骤(2)所述对称度、频率和电压峰峰值的三角波电压信号，对被测铁磁性金属构件的其它待检区域进行检测，通过比较各个被检区域的磁致声发射信号的所述峰值电压平均值来分析被检区域蠕变损伤的损伤程度。

进一步的，所述步骤(1.2)中，所述电压信号的频率设置为5-20Hz。

进一步的，所述步骤(1.2)中，当待测铁磁性金属材料为铬钼钢时，所述电压信号的频率设置为10Hz。

进一步的，所述步骤(1.2)中，n取1至n₁，n₁＝提供所述电压信号的信号发生器的输出最大电压/Vpp1。

进一步的，所述步骤(4)中，所述M大于等于20。

进一步的，所述U型电磁轭可采用线圈来代替，此时，被检测区域置于线圈内部。

进一步的，在所述U型电磁轭的线圈匝数、制作线圈的漆包线的标称直径、缠绕线圈所采用的磁芯尺寸均可调整的情况下，首先调整线圈匝数以获取“T”形包络的MAE信号；若仅调整线圈匝数不能获得“T”形包络的MAE信号时，则在采用磁通势极大值对应的线圈匝数的基础上，调整制作线圈的漆包线的标称直径，以获取“T”形包络的MAE信号；若调整线圈匝数和线圈漆包线标称直径仍然不能获得“T”形包络的MAE信号时，则则在采用磁通势极大值对应的线圈匝数和线圈漆包线标称直径的基础上，调整磁芯尺寸以获取“T”形包络的MAE信号。

进一步的，将M个磁化周期的磁致声发射信号的峰值电压取平均值作为特征参数，所述方法还可适用于铁磁性金属材料不同应力状态或疲劳损伤程度的分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了“T”形包络MAE信号峰值电压作为分析的特征参数，在嘈杂的工程现场，相比现有常见信号的驼峰包络或包络交叠，由于该类型信号的包络形状清晰、容易辨识，峰值电压提取方便，为检测操作带来了优异的便利性和快捷性。

(2)与现有技术中对称度为50％的激励信号相比，本发明采用对称度为0％或100％的电压信号作为激励信号时，得到的具有“T”形包络的MAE信号的信噪比显著增大，采用该类电压信号作为激励源大幅提升了MAE抗噪声干扰能力，推动了MAE技术的工程化应用。

(3)采用对称度0％或100％的三角波电压信号激励时，“T”形包络磁致声发射信号的获得，与激励条件、电磁轭的线圈匝数、线圈漆包线标称直径等多种因素密切相关，本发明提出的先获得参考电压，再进一步调整电磁轭磁通势的检测步骤，无需对激励信号以及电磁轭的多个设置参数进行繁琐的调整，步骤简单，大大提高了为获取所需信号的设备调试效率；同时，现场检测产生的环境噪声在较低的电压信号下常常呈现T形包络，本发明所述大于等于参考电压的检测设置，有效避免了噪声形成的T形包络对检测的干扰。

附图说明

图1，MAE技术检测原理图；

图2，一个磁化周期内的时域波形具有梭形包络的磁致声发射信号图；

图3，一个磁化周期内的时域波形具有双驼峰包络的磁致声发射信号图；

图4，对程度0％的三角波电压信号的斜边及直角边对应的具有“T”形包络的磁致声发射信号波形图。

图5，本发明所述铁磁性金属材料蠕变损伤的磁致声发射检测方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

此处以蠕变损伤的检测步骤为例，对本发明所述检测方法进行说明。

实施例1

1)将自制的U型电磁轭和声发射传感器以相对固定位置于未进行蠕变实验的1Cr5Mo钢试样的中心区域。

2)向U型电磁轭的线圈加载具有周期性的对称度为50％的三角波电压信号，信号的频率为10Hz，其中电压信号由函数发生器产生，并经功率放大器放大10倍后输入线圈。由于MAE信号在对称度为50％的三角波电压信号激励的交变磁场下产生，因而1Cr5Mo钢试样在一个磁化周期内，产生两个相同的MAE信号，即MAE信号频率为交变磁场频率的两倍。

通过函数发生器使输出电压信号的峰峰值由0.1Vpp以0.1Vpp为梯度增大，增至0.4Vpp时即可获取如图2所示的时域波形具有梭形包络的磁致声发射信号。

当采用对称度为0％或者100％的三角波电压产生激励磁场时，可进一步提高信号的强度和信噪比，原因如下：三角波斜边对应的磁场与直角边对应的磁场具有相同的Hmax值和Hmin值。如果在三角波斜边和直角边对应的磁化过程中的材料的磁化范围和磁化程度相似，产生的声发射信号也应一致。由于直角边对应的磁化过程所经历的时间远小于斜边对应的磁化过程所经历的时间，直角边对应磁化过程产生的MAE信号强度将远大于斜边对应的磁化过程产生的MAE信号。由于直角边和斜边对应的MAE信号的强度相差较大，两个MAE信号的重叠有限，由于重叠而引起的噪声水平最多与斜边对应的MAE信号的幅度一致，因此，直角边对应的MAE信号具有较高的强度和信噪比。图3为在对称度0％三角波电压激励磁场下得到的典型的磁声发射信号，其中三角波斜边对应的磁声发射信号的信噪比约为2，三角波直角边对应的MAE信号的信噪比则为50，直角边对应的MAE信号强度和信噪比远大于传统MAE的强度和信噪比。

同时，由于随着交变磁场强度、频率及应力的变化，直角边对应MAE信号的峰值电压的变化规律与相同交变磁场频率和强度下、对称度50％三角波斜边对应的MAE信号的均方根电压值的变化规律一致，因此直角边对应的MAE信号的峰值电压与传统MAE信号的均方根电压值一样对材料的应力状态和微观组织结构状态非常敏感。因而，对称度为0％或者100％三角波电压信号直角边对应的MAE信号的峰值电压作为表征铁磁性金属构件应力状态和微观组织结构状态的特征参数可大大提升MAE的检测精准度。

根据磁声发射产生机制，只有交变磁场的Hmax大于磁畴壁不可逆移动对应的磁场强度时，才会产生有效MAE信号。在交变磁场的Hmax较小时，对称度为0％或100％三角波电压激励产生的MAE信号包络特征非常不明显，难以判断直角边产生的“T”形包络为真实信号还是噪声信号。因此，本发明首先通过步进提高对称度为50％的三角波电压的峰值电压，找到产生MAE信号所需的电压作为参考电压，以确保交变磁场的Hmax足够大，从而确保对称度为0％或100％三角波电压所获得的为有效信号而不是噪声信号。

3)将2)中的三角波电压信号的对称度由50％改变为100％，信号的频率保持为10Hz，峰峰值设置为4Vpp，采集得到的MAE信号不具有“T”形包络。

为了获得“T”形包络，通过调整线圈匝数来提高磁通势，所述电磁轭线圈匝数初始为1000匝，以25匝为步进减小匝数直至线圈匝数为100，保持电压信号不变，采集不同匝数时的MAE信号以及对应的线圈电流，发现“T”形包络的MAE信号在线圈匝数减至650匝时出现并在线圈匝数减至250匝时消失，在此过程中计算磁通势，磁通势为先增大后减小，在匝数为450时，磁通势达到极大值。为确保电磁轭在整个检测过程中保持较强的励磁能力，确定后继在匝数450下进行后继MAE信号的采集。通过上述设置参考电压、调整线圈匝数、计算磁通势的步骤，所获得的激励磁场确保了在待测构件全部待检区域所采集得到的MAE信号均为“T”形包络信号，避免了现有MAE技术检测时多种包络信号同时或相继出现的情形，信号包络特征辨识度高。

此时，三角波电压信号的直角边对应的MAE信号具有“T”形包络，且信号峰值电压在0.13V左右，噪声水平在0.0025V左右。若采用对称度50％，频率10Hz、峰峰值4Vpp的电压信号激励，所得MAE信号峰值电压为0.015V，噪声水平在0.0025V左右。可见，本发明所述方法大大提高了信噪比。

4)对25个磁化周期的MAE信号进行滤波，然后提取三角波电压信号直角边对应的MAE信号的特征参数：峰值电压，并分别对这些周期内所有直角边对应的MAE信号的峰值电压求取平均值，所得结果见表1。

具体方法为，首先滤除频率低于20kHz成分，求取一个磁化周期内波形信号的的最大峰值电压，即直角边对应的MAE信号峰值电压；然后再求取多个磁化周期的峰值电压的平均值。

5)采用第3)步中的电压信号对经历不同蠕变时间的1Cr5Mo钢试样的MAE信号进行采集并进行第4)步的分析，获取各蠕变试样的MAE信号的峰值电压，见表1。

表1 1Cr5Mo钢在600℃、90MPa经历不同蠕变时间试样的MAE特征参数值

与各蠕变试样在对称度50％，频率10Hz、峰峰值4Vpp的三角波电压信号激励磁场下所得的MAE信号的均方根电压值(见表1)相比，随着蠕变时间的增长，两者具有相同的变化趋势，且对称度100％、频率10Hz、峰峰值4Vpp的三角波电压信号激励所得的MAE信号的峰值电压对损伤更加敏感，证实了本发明提供方法的有效性，即通过比较各个待检区域的磁致声发射信号的所述峰值电压平均值，可直观、便捷地用于分析待检区域蠕变损伤的损伤程度。

实施例2

与实施例1所述待测构件和检测步骤相同，仅调整磁通势的步骤不同，具体如下：

通过调整线圈漆包线标称直径以获取“T”形包络，所述U形电磁轭线圈的匝数为800匝，制作所述线圈的漆包线的标称直径即线径为0.04mm，依次采用标称直径为0.08mm、0.12mm、0.16mm、0.2mm、0.25mm、0.31mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.60mm、0.64mm、0.69mm及0.72mm的漆包线代替标称直径为0.04mm的漆包线在磁芯上绕制具有相同匝数的线圈。保持电压信号不变，采集在各标称直径漆包线所绕制的线圈下的MAE信号以及对应的线圈电流，发现“T”形包络的MAE信号在线圈标称直径为0.45mm时产生，当标称直径达到0.60mm时，由于线圈层数较多，线圈结构和性能的稳定性变差。这是由于绕制相同匝数线圈时，受磁芯尺寸的限制，线圈长度一定时，随着漆包线标称直径增大线圈的层数逐渐增大，当达到一定层数时，线圈的结构稳定性变差，从而性能变差。在线圈标称直径从0.45mm变至0.60mm的过程中(即标称直径为0.45mm、0.5mm、0.55mm、0.6mm时)线圈的磁通势，发现磁通势呈逐渐增大的变化趋势。为确保所述U形电磁轭在整个检测过程中保持较强的励磁能力和良好的稳定性，确定采用标称直径0.55mm的漆包线绕制的线圈作为后继检测时所述U形电磁轭所使用的线圈。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和/或简化，均应视为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，检测步骤如下：

(1)首先，采用对称度为50％的三角波电压信号产生激励磁场，具体为：

(1.1)将U型电磁轭和声发射传感器以相对固定的位置置于被测铁磁性金属构件的被检区域，使所述磁轭与所述构件形成磁回路；

(1.2)向U型电磁轭的线圈加载具有周期性的对称度为50％的三角波电压信号，所述声发射传感器采集磁致声发射信号，由小到大调整所述三角波电压信号的峰峰值，直至采集得到的磁致声发射信号的时域波形具有梭形包络，此时所述三角波电压信号的电压峰峰值记录为参考电压Vpp1；

(2)随后，采用对称度为0％或100％的三角波电压信号产生激励磁场，具体为：

(2.1)将步骤(1)中的三角波电压信号的对称度由50％改变为0％或100％，信号频率保持不变，设置信号的电压峰峰值为Vpp1的n倍，其中n≥1，所述声发射传感器采集磁致声发射信号；

(2.2)观察所述三角波电压信号斜边和直角边对应的磁致声发射信号的特征，若直角边对应的磁致声发射信号的时域波形不具有“T”形包络，则进行步骤(3)；若直角边对应的磁致声发射信号的时域波形具有“T”形包络，则进行步骤(4)；

(3)调整电磁轭线圈以获得T形包络信号，并根据磁通势选定线圈设置，具体为：

(3.1)以步进的方式调整线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸，对所述U型电磁轭加载步骤(2)中的三角波电压信号，观察所述声发射传感器获取的时域波形信号，记录该信号呈现“T”形包络时对应的线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸的范围，即N1至N2和/或R1至R2和/或r1至r2，其中N1、N2表示线圈匝数，R1、R2表示线圈漆包线标称直径，r1、r2表示磁芯尺寸；

(3.2)所述U型电磁轭的磁通势为N*I，N为线圈匝数，I为流经线圈的电流，记录所述步进调整过程中对应的磁通势，在(3.1)所述线圈匝数和/或线圈漆包线标称直径和/或磁芯尺寸的范围内获取磁通势极大值所对应的Nmax和/或Rmax和/或rmax，采用步骤(2)中的三角波电压信号、以及所获得的Nmax和/或Rmax和/或rmax作为磁场激励设置，进行步骤(4)；

(4)对M个磁化周期的磁致声发射信号进行滤波，提取所述三角波电压信号直角边对应的磁致声发射信号的峰值电压，并对所述M个磁化周期内直角边对应的磁致声发射信号的峰值电压求取平均值；

(5)当前述步骤所述三角波电压信号直角边对应的磁致声发射信号的时域波形具有了“T”形包络时，则沿用此时所述U形电磁轭的线圈设置，并采用步骤(2)所述对称度、频率和电压峰峰值的三角波电压信号，对被测铁磁性金属构件的其它待检区域进行检测，通过比较各个被检区域的磁致声发射信号的所述峰值电压平均值来分析被检区域蠕变损伤的损伤程度。

2.如权利要求1所述的一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，步骤(1.2)中所述电压信号的频率设置为5-20Hz。

3.如权利要求2所述的一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，步骤(1.2)中，当待测铁磁性金属构件为铬钼钢材质时，所述电压信号的频率设置为10Hz。

4.如权利要求1所述的一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，步骤(4)中所述M大于等于20。

5.如权利要求1所述的一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，所述U型电磁轭可采用线圈来代替，此时，被检测区域置于线圈内部。

6.如权利要求1至5任一所述的一种铁磁性金属构件蠕变损伤的磁致声发射检测方法，其特征在于，将M个磁化周期的磁致声发射信号的峰值电压取平均值作为特征参数，所述方法还可适用于铁磁性金属构件不同应力状态或疲劳损伤程度的分析。

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