金属磁记忆技术在焊缝检测中的应用研究

摘要：现代工业技术飞速发展，对焊接件的质量要求越来越高，对质量和安全性能的评价也提出了更高的要求。传统无损检测方法只能有效发现已形成缺陷的部分，而对铁磁性设备的应力集中的危险部位难以检测，磁记忆检测技术作为一门新型无损检测手段，能对应力集中部位进行有效的早期诊断并对寿命进行预测，前景良好。磁记忆检测技术目前还在发展阶段，无国家标准参考。检测还不能做到定量化、标准化。应用磁记忆检测方法对油箱的焊缝进行检测，以找出焊缝磁记忆检测的有效方法，同时通过结合超声波检测技术对结果进行验证。

关键词：磁记忆检测　焊缝　超声波检测

中图分类号：TG441　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)005-091-02

1.　前言

钢材焊接成构件后，在焊缝内部总是或多或少的存在着各种缺陷(如夹渣、气孔、未焊透、裂纹等)和应力集中等，这些缺陷和应力集中的存在会降低构件的强度和使用寿命。

对于设备构件焊缝的应力集中问题，常规无损检测方法则无能为力，无法对应力集中区域的大小和程度进行检测和判断。因而，现在急需一种新的无损检测方法，即能对设备焊缝进行简单、快捷、准确的无损检测，又能对设备的应力集中程度做出判断，从而将工程设备的使用风险降到最底，这是一个现代无损检测所要重点研究和关注的问题。

近年来出现的磁记忆检测技术可以实施快速、准确的早期诊断。因此，开展磁记忆检测技术在焊缝上的应用研究能帮助解决现有检测问题，减少和避免事故的发生。

2.　金属磁记忆检测原理

20世纪90年代后期，以A.A.Dubov教授为代表的俄罗斯科学家首先提出一种崭新的金属诊断技术——金属磁记忆检测。这项技术是俄罗斯科学家多年来的研究成果，于1997年第50届国际焊接学术会议上首次提出。此方法的理论基础是铁制结构件在应力和变形集中区域内会发生磁畴组织的定向和不可逆重新取向，并且这种状态变化在工作载荷消除后仍会保留，并与工件最大作用应力有关。

目前，国际焊接学会在应力和变形检测中明确规定，磁记忆检测方法为非常实用的设备和结构应力变形状态检测方法。

磁记忆检测原理是：铁磁性的金属工件存在着磁记忆效应，其表面的磁场分布和工件应力载荷有一定的关系，可以通过检测工件表面的磁场分布间接地对工件进行诊断。

研究发现，在铁磁性工件的缺陷和应力集中区域，磁场的切向分量Hp(x)具有最大值，法向分量Hp(y)会改变符号且具有零值，如图1所示。因此，我们可通过检测磁场的法向分量Hp(y)来完成对部件的检测工作，可以对在役设备进行早期诊断。

对于已经出现各种宏观缺陷和微观缺陷的部位，磁力线在通过缺陷部位的介质时会产生畸变，从而形成表面漏磁声，通过对漏磁场Hp的测定，来对缺陷部位判断。

如图2所示，金属磁记忆检测的机理可表述为：处于地磁环境下的铁磁性工作，由于受到工作载荷的作用，在其内部会发生具有磁致伸缩性质的磁畴组织定向的和不可逆的重新取向，并在应力与变形集中区形成最大的漏磁场Hp。漏磁场Hp的切向分量Hp(x)具有最大值，而法向分量Hp(y)改变符号并具有零值。当外部应力去除后，铁磁性工件的这种漏磁场状态会继续保留下来。通过对漏磁场法向分量Hp(y)的测定，便可以准确地推断工件的应力集中区域。

产生磁记忆现象的主要原因是地磁场和应力的共同作用。地球是一个庞大的磁体，但其磁场的强度很微弱，但却覆盖了地球表面的所有地方，一般在北纬50°～60°的地区约为40A／m左右(其磁感应强度约为50μT)。在研究铁磁物质的磁性过程中，通常是不考虑的。但是，在磁记忆检测过程中，地球磁场却起到了激励源的作用，正是由于外应力和地球磁场的共同作用，才使铁磁性材料的应力集中区引发了磁畴组织沿地球磁场的定向和不可逆的重新取向排列，并在载荷消除后依然保留着这种状态，从而产生了磁记忆效应。

3.　磁记忆检测方法的检测设备

爱德森(厦门)电子有限公司研制成功上国内首台磁记忆检测——EMS-2000金属磁记忆诊断仪(见图3)及配套的数据分析软件(见图4)，并在全国推广使用，同时，在无损探伤杂志上发表了第一篇关于磁记忆检测的论文“NDT新技术——EMS-2000金属磁记忆诊断仪的原理与应用”。同年12月，任吉林与林俊明合编并出版了我国第一本介绍磁记忆检测技术的专著——《金属磁记忆检测技术》。此后，国内对磁记忆检测的研究进入高潮时期。清华大学对磁记忆现象和地磁场的关系进行了深入研究，并研制出来高灵敏度的磁记忆检测仪。。丁辉建立了磁记忆裂纹类缺陷与磁通量的变化之间的数学模型。仲维畅高工从电磁学的角度出发，对磁记忆原理进行分析并提出电磁感应学说。

4.　检测实例

先采用金属磁记忆诊断仪对油箱的对接焊缝(钢板厚度12mm，材质Dome×700)进行检测，再采用超声波探伤检测手段对检测结果进行验证。

磁记忆检测人员对焊缝进行检测：先归一化处理，消除地磁场对检测结果的影响，再对焊缝进行检测，发现漏磁场法向分量Hp(y)通过零点时，作好标记。然后按超声波检测规程打磨焊缝，再对焊缝进行UT检测，重点对磁记忆法检测存在问题的部位进行检测，记录检测结果。

图5中，a、b、c、d为磁记忆检测结果的图片，可以看出图a、b焊缝漏磁场法向分量Hp(y)未通过零点，图c、d焊缝漏磁场法向分量Hp(y)均通过零点，梯度K均有剧烈变化；图6中c、f为超声检测结果图片。

4.1　磁记忆检测结果

4.2　超声波检测

检测发现，磁记忆检测图形漏磁场法向分量Hp(y)通过零点时的位置，同时梯度值K出现比较大的突变，此位置存在的缺陷的几率比较高。超声波检测时出现波峰，证明此位置存在缺陷超标或有裂纹产生，验证了磁记忆检测结果的准确性。

5.　结论

采用金属磁记忆检测方法以及超声波检测方法，对10件油箱的焊缝进行检测，并对检测结果进行对比分析，得出结论如下：

(1)磁记忆检测方法可发现应力集中问题严重的焊缝，为超声波检测和缺陷的定位提供了有效的参考。

(2)根据磁记忆检测判断焊接件是否存在应力集中的方法：磁记忆检测图形各个通道穿越零刻线的位置；梯度值K出现比较大阶跃的位置，以及通过参数判断来识别危险位置和应力集中区域。通过对比实验证明，使用这些方法判断缺陷是可靠的。

(3)金属磁记忆检测技术作这一门新兴的无损检测技术，可以与超声波等常规无损检测技术有机结合，提高焊缝检测的效率和结果判断的准确性，对于提高焊接质量，确保结构件的安全性具有重大意义。

注释：

①梁启涵，焊接检验[M]，北京：机械工业出版社，1980.

②陈学东，王冰，关卫和，胡明东，我国石化企业在用压力容器与管道使用现状和缺陷状况分析及失效预防对策[J]，技术综述，2001，18(5).

③李喜孟，无损检测[M]，北京：机械工业出版社，2001，5.

④杜波夫，金属磁记忆检测方法和仪表[M]，俄罗斯动力诊断公司，2004.

⑤任吉林，唐继红，邬冠华，林俊明，林发炳，林春景，金属的磁记忆检测技术[J]，2001，4.

⑥任吉林，林俊明，金属磁记忆检测技术[M]，北京：中国电力出版社，2000.

⑦R.M.Bozorth.Ferromagnetism[M]，NewYork.D.Van No-stand Company，Inc.1951.

⑧李路明，王哓凤，黄松岭，磁记忆现象和地磁场的关系[J]，无损检测，2003，25(8)：387-389.

⑨张卫民，董韶平，张之敬，金属磁记忆检测技术的现状与发展[J]，中国机械工程，2003，5(10)：892-895.