CN110308043B - 基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法 - Google Patents

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Abstract

基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，属于无损检测中金属磁记忆检测领域。本发明以力学理论和铁磁材料的力‑磁耦合理论为指导，以残余磁感应强度标准差及其残余磁感应强度梯度最大值随拉伸载荷的变化情况作为增材制造制件早期损伤状态表征方法。采用金属磁记忆方法检测不同拉伸状态下增材制造制件的残余磁感应强度，通过磁记忆信号的变化表征缺陷处早期损伤变化过程，用残余磁感应强度标准差及残余磁场强度梯度最大值表征增材制造制件早期损伤情况。本发明将金属磁记忆检测技术与损伤力学相结合，利用铁磁性增材制造制件的磁机械效应，在不需要充磁的条件下，实现铁磁性增材制造制件早期损伤的无损检测，判别准确率高。

Description

基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法
技术领域
本发明涉及一种铁磁性金属材料增材制造件无损检测方法，具体涉及一种基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，是一种基于金属磁记忆信号及其参量的变化，表征铁磁性金属材料增材制造件缺陷处早期损伤程度的评价方法，属于无损检测中金属磁记忆检测领域。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术的出现被认为是21世纪机械制造工业领域中的一次跨时代的工艺技术革新，是实现高端装备制造突破的关键技术。
铁磁性增材制件在使用过程中，由于受到交变载荷的反复作用，在制件内部会逐渐形成微观缺陷并逐渐向四周扩散，在地磁场的作用下，其内部磁畴组织会发生重新并不可逆的取向。这种特性在制件表面表现为其切向磁场强度出现最大值，而法向出现过零点的现象。现有无损检测技术无法对增材制造制件早期损伤进行评价。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供一种利用金属磁记忆检测技术判别铁磁增材制造制件早期损伤的评价方法，即利用金属磁记忆信号及其特征参量，对在不同应力载荷作用下铁磁增材制造制件缺口处的损伤程度进行评价。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，具体步骤：
步骤1，将铁磁性增材制造制件装夹于拉伸试验机上，沿制件表面测量通道检测制件在无载荷时的初始磁记忆信号，所述初始磁记忆信号为漏磁场的切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)；
步骤2，在测得初始磁记忆信号后，设定加载参数，按照一定载荷步长进行静载拉伸试验，在达到设定值后，保持一段时间载荷不变；
步骤3，在载荷保持不变的情况下，沿制件扫描路径进行检测，拾取制件表面的磁场强度数值；沿制件表面100mm测量通道，步长2mm，提离值设置1mm，测量制件表面残余磁感应强度；
步骤4，将制件从拉伸试验机上取下，放在水平面试验台上，分别测量漏磁场的切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)；
步骤5，根据测量所得数据，对在不同应力状态下，描绘出某一拉伸阶段中每个测点的残余磁场强度取值相对于残余磁场强度均值Hp的集中程度，即残余磁场强度标准差，得到静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度标准差曲线图；
步骤6，将不同拉力下测量的磁记忆信号进行提取，将第3点残余磁场强度减去第1点残余磁场强度，将第4点残余磁场强度减去第2点残余磁场强度，将第5点残余磁场强度减去第3点残余磁场强度，以此类推，所得数据与两倍检测步长之比，即为残余磁场强度梯度，取每次拉伸的残余磁场强度梯度最大值进行作图，得到静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度梯度最大值曲线图；
步骤7，根据静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度标准差曲线图和静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度梯度最大值曲线图，即可判断增材制造制件的损伤程度。
进一步地：所述步骤2中，最大载荷为120kN，每次加载增大5kN。
进一步地：所述步骤3中，加载完成进行数据测量时，保证每次测量时传感器的方向一致，扫描方向一致。
进一步地：所述步骤2中，在整个测试过程中，逐步增加拉伸载荷直至制件断裂。
进一步地：所述步骤7中，选择每次加载后的残余磁场强度标准差及其梯度最大值来判断制件应力集中程度和早期损伤状态。
本发明所达到的效果为：
在本发明技术方案中，将金属磁记忆检测技术与AM制件早期损伤程度的判断相结合,对磁记忆信号分量进行处理，主要有两种数据处理方式。第一，根据测量所得数据，在不同应力状态下，描绘出某一拉伸阶段中各测点的残余磁场强度相对于其均值的集中程度。即利用残余磁场强度的标准差对增材制造制件损伤情况进行评价。第二，将不同拉力下测量的磁记忆信号进行提取，将第三点的残余磁场强度值减去第一点的残余磁场强度值，以此类推。所得的数据与两倍步长之比，即为残余磁场强度梯度。与现有技术相比，本发明方法利用铁磁性增材制造制件的磁机械效应，在不需要充磁的条件下，实现铁磁性增材制造制件早期损伤的无损检测，判别准确率高。
附图说明
图1为静载拉伸时，不同拉伸应力下，残余磁场强度标准差曲线图；
图2为本发明实施例中使用的铁磁性增材制造制件示意图；
图3为本发明实施例中，试样在没有加载之前测试的磁记忆信号曲线图；
图4为在静载拉伸时的磁记忆信号曲线图；
图5为静载拉伸时，不同拉伸应力下，残余磁场强度梯度及其最大值曲线图。
具体实施方式
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例：在本实施例中，以带缺V型缺口的铁磁性增材制造制件为研究对象，对其施加不同的拉伸载荷，在每次加载结束后，测量其表面磁记忆信号。
使用如图2所示的铁磁性增材制造制件作为实施例使用的样品，其中各个标出的尺寸(单位mm)如图2所示。
首先将制件水平放置于试验台上，在制件进行退磁处理，然后使用TSC-3M-12应力集中磁检测仪沿检测路径未加载时制件表面的磁记忆信号，测得的初始磁记忆信号如附图3所示。将工件装夹在拉伸试验机上，在工件夹持状态下再次测量制件表面的磁记忆信号，便于后续数据处理时与水平试验台测得的数据进行比较。
设定加载参数，按照设定的载荷步长进行静载拉伸试验，在达到设定值后，保持一段时间载荷不变。最大载荷为120kN，每次加载增大5kN。
制件每次加载完成后，分别进行磁记忆信号的在线和离线测量，在线测量即制件在拉伸试验机夹持状态下进行测量，离线测量即制件水平放置于试验台上。测得的磁记忆信号如附图4所示。在加载至最大载荷120kN时，制件断裂，则全部数据测量结束。
不同加载应力下磁记忆特征表现为相应时刻的磁记忆信号曲线。计算每次加载完成后的残余磁场强度标准差，如图1所示。
求得制件在拉伸后的磁场梯度值，其中步长为两次拾取点之间的距离，取梯度及其最大值如图5所示。
根据残余磁场强度标准差及残余磁场强度梯度最大值即可判断增材制造制件的损伤程度。
需要说明的是：
1、本实施例所检测的对象为增材制造制件，是成型过程中层层铺粉，激光烧灼最终成体的技术。
2、本实施例检测过程中，不是单一的提取Hp(x)、Hp(y)的最大值、最小值，而是提取了整个检测对象上每一检测点的数据。
3、本实施例所做试验为静载拉伸试验，每次进行一次一定拉应力下的拉伸试验，每次增加载荷为5kN，且在数据测量时并非单纯的南北、东西方向测量，还包括与地磁轴平行以及垂直方向的数据测量。
4、本实施例的数据处理方式：根据测量所得数据，将某一拉伸阶段中每个测点的残余磁场强度取值相对于残余磁场强度均值Hp的集中程度，即残余磁场强度标准差，得到图1，是数据点的均方差与应力之间的关系。另一方面，对比文件将不同循环加载次数下测量的磁记忆信号曲线分别减去未加载时测得的初始磁记忆信号，并提取上述经过处理后的不同循环加载次数下测量的磁记忆信号的磁记忆信号梯度最大值Kmax与不同循环加载次数作图，得到图5，是梯度值与循环次数之间的关系；本发明将不同拉力下测量的磁记忆信号进行提取，将第3点残余磁场强度减去第1点残余磁场强度，以此类推。所得数据与两倍检测步长之比，即为残余磁场强度梯度，取每次拉伸的残余磁场强度梯度及其最大值进行作图，得到图5，是拉伸构件的长度与两数据点之间的变化率之间的关系。
5、本实施例的缺陷损伤程度的判定方式是根据图1和图5的突变点进行判定，即缺陷处出现不可导点，缺陷斜率出现突然增大，则此处可判定增材制造制件出现微观缺陷。
6、本实施例检测对象的缺陷是铁磁性增材制造制件的V形缺陷，属于人为设计缺陷，其尺寸有具体的大小数值。
综上，本实施例以力学理论和铁磁材料的力-磁耦合理论为指导，以残余磁感应强度标准差及其残余磁感应强度梯度最大值随拉伸载荷的变化情况作为增材制造制件早期损伤状态表征方法。采用金属磁记忆方法检测不同拉伸状态下增材制造制件的残余磁感应强度，通过磁记忆信号的变化表征V型缺陷处早期损伤变化过程，用残余磁感应强度标准差及残余磁场强度梯度最大值表征增材制造制件早期损伤情况。本实施例的方法将金属磁记忆检测技术与损伤力学相结合，利用铁磁性增材制造制件的磁机械效应，在不需要充磁的条件下，实现铁磁性增材制造制件早期损伤的无损检测，判别准确率高。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (5)

1.基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，其特征在于：步骤1，首先将制件水平放置于试验台上，制件进行退磁处理，然后使用TSC-3M-12应力集中磁检测仪沿检测路径未加载时制件表面的磁记忆信号，测得的初始磁记忆信号；将铁磁性增材制造制件装夹于拉伸试验机上，沿制件表面测量通道检测制件在无载荷时的初始磁记忆信号，初始磁记忆信号与水平试验台上未退磁制件测得的数据进行比较，所述初始磁记忆信号为漏磁场的切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)；
步骤2，在测得初始磁记忆信号后，设定加载参数，按照一定载荷步长进行静载拉伸试验，在达到设定值后，保持一段时间载荷不变；
步骤3，在载荷保持不变的情况下，沿制件扫描路径进行检测，拾取制件表面的磁场强度数值；沿制件表面100mm测量通道，步长2mm，提离值设置1mm，测量制件表面残余磁感应强度；
步骤4，将制件从拉伸试验机上取下，放在水平面试验台上，分别测量漏磁场的切向分量Hp(x)和法向分量Hp(y)；
制件每次加载完成后，分别进行磁记忆信号的在线和离线测量，在线测量即制件在拉伸试验机夹持状态下进行测量，离线测量即制件水平放置于试验台上，测得的磁记忆信号；
步骤5，不同加载应力下磁记忆特征表现为相应时刻的磁记忆信号曲线，计算每次加载完成后的残余磁场强度标准差，具体为：根据测量所得数据，对在不同应力状态下，描绘出某一拉伸阶段中每个测点的残余磁场强度取值相对于残余磁场强度均值Hp的集中程度，即残余磁场强度标准差，得到静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度标准差曲线图；
步骤6，求得制件在拉伸后的磁场梯度值，其中步长为两次拾取点之间的距离，取梯度及其最大值，具体为：将不同拉力下测量的磁记忆信号进行提取，将第3点残余磁场强度减去第1点残余磁场强度，将第4点残余磁场强度减去第2点残余磁场强度，将第5点残余磁场强度减去第3点残余磁场强度，以此类推，所得数据与两倍检测步长之比，即为残余磁场强度梯度，取每次拉伸的残余磁场强度梯度最大值进行作图，得到静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度梯度最大值曲线图；
步骤7，根据静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度标准差曲线图和静载拉伸时不同拉伸应力下残余磁场强度梯度最大值曲线图，即可判断增材制造制件的损伤程度。
2.根据权利要求1所述的基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，其特征在于：所述步骤2中，最大载荷为120kN，每次加载增大5kN。
3.根据权利要求2所述的基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，其特征在于：所述步骤3中，加载完成进行数据测量时，保证每次测量时传感器的方向一致，扫描方向一致。
4.根据权利要求1所述的基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，其特征在于：所述步骤2中，在整个测试过程中，逐步增加拉伸载荷直至制件断裂。
5.根据权利要求1所述的基于金属磁记忆检测的增材制造制件早期损伤评价方法，其特征在于：所述步骤7中，选择每次加载后的残余磁场强度标准差及其梯度最大值来判断制件应力集中程度和早期损伤状态。
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