CN110824390B - 一种基于mdl的铁磁材料局部应力分布无损检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置，包括具有均匀横截面的MDL、激励线圈、检测线圈、永磁体、支撑件以及超声回波探测器，所述MDL平置于被测铁磁材料上方；所述激励线圈和所述检测线圈分别绕置于所述MDL周围，所述激励线圈和所述检测线圈之间的距离配置成避免激励线圈的激励信号和检测线圈的检测信号发生干扰；所述永磁体固定于所述MDL的上表面；所述支撑件设置于所述MDL与被测铁磁材料之间，用以支撑所述MDL及所述永磁体；所述超声回波探测器通过所述支撑件上预设的通孔与被测铁磁材料贴合，用以探测被测铁磁材料的厚度。本发明可以实现局部区域或连续区域的快速检测，同时保证高精度高灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于铁磁材料局部应力分布无损检测领域，特别涉及一种基于磁致伸缩延迟条带(MDL)的铁磁材料局部应力分布无损检测装置。
背景技术
应力检测在现代工业生产加工领域是非常重要的，尤其是对于材料表面及内部的局部应力检测技术对于产品的服役寿命和材料可靠性检测有着重要的影响和工程意义。残余应力的存在会严重影响工件的强度及相关性能，其主要是由于机械加工和热加工处理后残留在材料内部且保持内平衡的内应力，如不加以处理，在材料使用中，由于不均匀的热处理、焊接或切削加工等操作，会使材料内部应力平衡破坏，应力水平超过强度极限而出现裂纹或材料，导致材料失效破坏。现有的残余应力无损检测技术主要有X射线或中子射线衍射法、磁测法、超声波检测法等检测手段。其中，X射线和中子射线衍射法是公认的最可靠的应力检测手段，但这两种技术需要大量的基础设施和时间，且每次检测只能完成对数个mm区域内应力参数的测量，耗时长，测试成本高。
磁测法是近些年发展起来的新型检测方法，主要是利用铁磁材料的磁致伸缩效应，且磁致伸缩系数为各向异性，磁畴磁化方向为易磁化轴方向的特性，使得待测材料在磁场作用下，内部应力产生磁各向异性。通过传感器和测试电路检测并收集信号，最终得出残余应力水平。现有检测技术由检测探头、电路、软件计算机、电源等部分组成。测试时需要保证待测材料表面的平整度和清洁度，通过网格划分等手段检测扫描一片材料区域，通过软件计算和合成，最终得出该区域的平均应力水平。
然而，现行的磁测法应用的各种设备由于检测的原理，即，在扫描过一整片材料区域后，根据计算软件的计算得出单个探头下的平均盈利水平，再生成整个区域的应力水平曲线，故而得到的检测结果是经过平均化和模拟后的结果，且材料有尺寸大小限制，检测速度较慢，实际检测精度不够高。
发明内容
为此，本发明应用MDL技术，设计了一种新的检测探头内部结构，可以实现局部区域或连续区域的快速检测，同时保证高精度高灵敏度。
本发明提供了一种基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置，包括具有均匀横截面的MDL、激励线圈、检测线圈、永磁体、支撑件以及超声回波探测器，
所述MDL平置于被测铁磁材料上方；所述激励线圈和所述检测线圈分别绕置于所述MDL周围，所述激励线圈和所述检测线圈之间的距离配置成避免所述激励线圈的激励信号和所述检测线圈的检测信号发生干扰；所述永磁体固定于所述MDL的上表面；所述支撑件设置于所述MDL与被测铁磁材料之间，用以支撑所述MDL及所述永磁体；所述超声回波探测器通过所述支撑件上预设的通孔与被测铁磁材料贴合，用以探测被测铁磁材料的厚度。
在一些实施例中，所述激励线圈和所述检测线圈可以分别绕置于所述MDL的两端，所述永磁体固定于所述MDL的上表面中部。
在一些实施例中，所述激励线圈和所述检测线圈可以绕置于所述MDL的同一端，所述永磁体固定于所述MDL的另一端，所述激励线圈置于所述检测线圈与所述永磁体之间。
在一些实施例中，所述激励线圈和所述检测线圈之间的距离x可以表示为：
x＝Tci-l
其中，T为输入脉冲电流的激荡时长即频率；ci为声波在MDL介质中的传播速度；l为激励线圈的长度。
在一些实施例中，所述永磁体为呈圆柱体、方向沿S-N方向的Nd-Fe永磁体，其与被测铁磁材料之间磁力为：
F＝(3πKdR2/4)τ2/(τ+γ)4
其中，
表示Nd-Fe永磁体磁场的静磁能量密度；μ0表示真空磁导率；M0为Nd-Fe永磁体的饱和磁化强度；R表示Nd-Fe永磁体的底面半径；τ＝d/R表示Nd-Fe永磁体的长径比；γ＝(z0-d)/R表示Nd-Fe永磁体的磁极与被测铁磁材料的空隙距离与Nd-Fe永磁体的底面半径之比，其中，d表示Nd-Fe永磁体的磁极到其与被测铁磁材料相机的端面高度，即，Nd-Fe永磁体的圆柱体高度的一半，z0表示Nd-Fe永磁体的磁极相对被测铁磁材料的空间位置，即相对距离。所述空隙距离是指Nd-Fe永磁体与被测铁磁材料相近端面到被测铁磁材料表面的距离，包括设置于两只之间的MDL和支撑件的厚度。
在一些实施例中，所述支撑件可以为铝支撑板或其他非铁磁性材料。
在一些实施例中，所述支撑件与被测铁磁材料之间可以设置有润滑剂。
在一些实施例中，所述MDL可以通过丙烯酸胶单面胶合于所述支撑件的上表面，所述永磁体可以通过丙烯酸胶单面胶合于所述MDL的上表面。
在一些实施例中，所述MDL可以为Fe78Si7B15非晶磁致伸缩条带。
本发明的有益效果：
1)材料表面及内部由于缺陷和不同应力水平的存在，局部的磁导率不同，对磁场的反应就会有差别，本发明应力MDL技术，永磁体施加磁场在待测铁磁材料上，因为局部磁导率不同，施加在铁磁材料和永磁体之间的MDL上的压力就不同，利用高磁感非晶条带对于磁致伸缩变化的高灵敏性，输出不同的信号，由此可以实现定点区域的应力测试，也可以实现连续区域的应力测试。
2)本发明利用MDL技术，无需转换设备与被测材料的相对角度即可得到检测数据，因为磁化过程很快，检测过程无延迟，所以可以实现快速检测，并由此可以应用在工业生产的出厂检测流水线上，也可以在大型设备检修时快速对设备的应力水平进行评估。
3)本发明的检测装置成本较低，可以大规模应用于工厂等检测需要的情况下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置的结构示意图；
图2为本发明的信号处理模块的电路图；
图3为本发明的另一实施例的基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置的结构示意图；
图4为利用图1的检测装置对被测铁磁材料局部磁导率变化检测结果曲线图；
图5为利用图3的检测装置对被测铁磁材料局部磁导率变化检测结果曲线图；
图6为利用本发明的检测装置对钢焊接区域的应力检测结果与实际应力分布的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，应该理解，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明一实施例提供的基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置包括具有均匀横截面的MDL1、激励线圈2、检测线圈3、Nd-Fe永磁体4、铝支撑板5，超声回波探测器6，以及铝支撑板5与被测铁磁钢7之间的润滑油8。
在图1所示示例中，MDL1平置于被测铁磁钢7上方作为声波导带，激励线圈2和检测线圈3分别绕置于MDL1的两自由端，Nd-Fe永磁体4固定于MDL1的上表面中部，超声回波探测器6设置于铝支撑板5的上方且位于Nd-Fe永磁体4和检测线圈3之间，通过铝支撑板5上的相同尺寸的预设通孔，与被测铁磁钢7贴合接触，通过超声波发射与接收，监测来自被测铁磁钢7底部的反射，测定被测铁磁钢7的厚度，同时，对于被测铁磁钢7内部的组织缺陷如空洞，裂缝，由于超声波传播介质变化性质，可以检测到此类缺陷的深度。
当激励线圈2通入脉冲电流时，激励线圈2会产生同激励线圈2围绕的MDL1段体积相当的脉冲场，由于磁致伸缩效应，MDL1内会产生一个脉冲微应变信号，以兰姆波形式沿着MDL1向两端传播。当脉冲微应变信号在MDL1体积内传播时，由于磁致伸缩效应的逆作用，偏置磁场(即，由Nd-Fe永磁体4施加的磁场)作用于MDL1的某些无限小体积内，会引起这些无限小体积内脉冲磁通的变化。检测线圈3可以检测出脉冲微应变传播的脉冲信号并输出。特别地，检测线圈3设置在距离激励线圈2足够远处，以避免激励信号和检测信号之间的干扰。具体地，激励线圈2和检测线圈3之间的距离应该比声波于MDL内在脉冲电压的单次输出的时间t的传播距离长。
被测铁磁钢7内部由于成型铸造或焊接过程中会产生异常残余应力，这种局部应力异常引起材料的微小形变，继而导致局部相对磁导率发生变化，继而使得永磁体4在这一区域内形成的偏置磁场发生变化。当本发明的检测装置放置在被测铁磁钢7表面时，由于MDL1处在偏置磁场中，而被测铁磁钢7中的异常残余应力导致的偏置磁场的变化会引起MDL1中无限小体积内脉冲磁通变化，此时检测线圈3可以检测到脉冲信号并输出，得到与正常未受变化磁场影响不同的变化脉冲信号。之后利用信号处理模块(如图2所示)分析输出的脉冲信号，即得出检测装置当前检测区域内的铁磁钢局部应力分布。特别地，信号处理模块可以配置有电池供电和电源供电两种模式，以提高本发明检测装置的便携性。
特别地，铝支撑板5设置于MDL1与被测铁磁钢7之间，用以支撑MDL1和Nd-Fe永磁体4。
特别地，Nd-Fe永磁体4为呈圆柱体、方向沿S-N方向，其与被测铁磁钢7之间磁力为：
F＝(3πKdR2/4)τ2/(τ+γ)4
其中，
表示Nd-Fe永磁体4磁场的静磁能量密度；μ0表示真空磁导率；M0为Nd-Fe永磁体4的饱和磁化强度；R表示Nd-Fe永磁体4的底面半径；τ＝d/R表示Nd-Fe永磁体4的长径比；γ＝(z0-d)/R表示Nd-Fe永磁体4的磁极与被测铁磁钢7的空隙距离与Nd-Fe永磁体4的底面半径之比，其中，d表示Nd-Fe永磁体4的圆柱体高度的一半，z0表示Nd-Fe永磁体4的磁极相对被测铁磁钢的空间位置，即相对距离。其中，Nd-Fe永磁体4的磁极与被测铁磁钢7的空隙距离等于MDL1和铝支撑板5的厚度之和。
特别地，Nd-Fe永磁体4通过丙烯酸胶单面胶合于MDL1的上表面中部，MDL1通过丙烯酸胶单面胶合于铝支撑板5的上表面。有利地，使用丙烯酸胶单面胶合方式固定MDL1与铝支撑板5表面，不会影响脉冲信号在MDL1内的传导，同时不会引入干扰外力。
特别地，铝支撑板5与被测铁磁钢7之间设置有润滑剂8，以避免铝支撑板5相对于被测铁磁钢7移动时发生表面划伤。
图3示出了本发明的另一实施例的基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置的结构示意图，除激励线圈2、检测线圈3、Nd-Fe永磁体4和超声回波探测器6的相对位置不同外，其它均与图1所示示例相同，此处不再赘述。如图3所示，激励线圈2和检测线圈3绕置于MDL1的同一端，Nd-Fe永磁体4固定于MDL1的另一端，激励线圈2置于检测线圈3与Nd-Fe永磁体4之间，超声回波探测器6置于激励线圈2与Nd-Fe永磁体4之间。
下面通过本发明的检测装置对被测铁磁材料局部磁导率变化检测结果曲线图来进一步说明本发明，首先给予具体参数值，在图1和图3示例中，MDL1为Fe78Si7B15非晶磁致伸缩条带，其宽度、长度和厚度分别为6mm，100mm和25μm；激励线圈2为由10匝0.2mm漆包铜线制成的0.5mm长的激励线圈；检测线圈3为由300匝0.05mm漆包铜线制成的2mm长的检测线圈；激励线圈2和检测线圈3之间的距离大于70mm；Nd-Fe永磁体4为5×5mm2和10mm长的矩形横截面永磁体；铝支撑板5的厚度约3mm；被测铁磁钢7为约1mm厚的低碳钢。图4和图5分别示出了利用图1和图2的检测装置对被测铁磁材料局部磁导率变化检测结果曲线图。图4和图5所示的两种实施例中，由于Nd-Fe永磁体4与激励线圈2和检测线圈3的相对位置不同，对于相同的信号变化，呈现结果递减或递增的不同情况，可以根据实际操作对检测结果的要求应用不同的两种布局。
图6示出了利用本发明的检测装置对钢焊接区域的应力检测结果与实际应力分布的对比图。从图中可以看出，针对钢焊接区域自左向中央的近热基体区域、热影响区域和熔合区域，钢材的残余应力水平分布因焊接热处理而升高，点状图为XRD(X射线衍射法)检测手段得到的残余应力水平分布，点线图为本发明传感器检测得到的输出结果，两种检测手段得出的分布曲线形状基本一致，通过实例的结果验证本发明传感器检测结果的可靠性。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于MDL的铁磁材料局部应力分布无损检测装置，其特征在于，包括具有均匀横截面的MDL、激励线圈、检测线圈、永磁体、支撑件以及超声回波探测器，所述MDL指磁致伸缩延迟条带；
所述MDL平置于被测铁磁材料上方；所述激励线圈和所述检测线圈分别绕置于所述MDL周围，所述激励线圈和所述检测线圈之间的距离x配置成避免所述激励线圈的激励信号和所述检测线圈的检测信号发生干扰；所述永磁体垂直固定于所述MDL的上表面；所述支撑件设置于所述MDL与被测铁磁材料之间，用以支撑所述MDL及所述永磁体；所述超声回波探测器通过所述支撑件上预设的通孔与被测铁磁材料贴合，用以探测被测铁磁材料的厚度以及被测铁磁材料内部的组织缺陷深度；
所述支撑件与被测铁磁材料之间设置有润滑剂；所述MDL通过丙烯酸胶单面胶合于所述支撑件的上表面，所述永磁体通过丙烯酸胶单面胶合于所述MDL的上表面。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励线圈和所述检测线圈分别绕置于所述MDL的两端，所述永磁体固定于所述MDL的上表面中部。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激励线圈和所述检测线圈绕置于所述MDL的同一端，所述永磁体固定于所述MDL的另一端，所述激励线圈置于所述检测线圈与所述永磁体之间。
4.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述激励线圈和所述检测线圈之间的距离x表示为：
x＝Tci-l
其中，T为输入脉冲电流的激荡时长即频率；ci为声波在所述MDL中的传播速度；l为所述激励线圈的长度。
5.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述永磁体为呈圆柱体、方向沿S-N方向的Nd-Fe永磁体，其与被测铁磁材料之间磁力为：
F＝(3πKdR2/4)τ2/(τ+γ)4
其中，
表示Nd-Fe永磁体磁场的静磁能量密度；μ0表示真空磁导率；M0为Nd-Fe永磁体的饱和磁化强度；R表示Nd-Fe永磁体的底面半径；τ＝d/R表示Nd-Fe永磁体的长径比；γ＝(z0-d)/R表示Nd-Fe永磁体的磁极与被测铁磁材料的空隙距离与Nd-Fe永磁体的底面半径之比，其中，d表示Nd-Fe永磁体的圆柱体高度的一半，z0表示Nd-Fe永磁体的磁极相对被测铁磁材料的空间位置。
6.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述支撑件为铝支撑板。
7.根据权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述MDL为Fe78Si7B15非晶磁致伸缩条带。
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Citations (7)
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| CN109556774A (zh) * | 2018-11-07 | 2019-04-02 | 北京航空航天大学 | 铁磁钢中残余应力的无损监测系统及监测方法 |
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2019
- 2019-10-25 CN CN201911021258.9A patent/CN110824390B/zh active Active
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