周威，毛吉貴，江明，柴少磊，彭飛，朱世民

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，銀川 750000）

0 前言

焊縫是利用焊接高溫?zé)嵩磳⒑覆暮湍覆倪M(jìn)行熔融而形成，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、壓力容器及特種設(shè)備等領(lǐng)域[1-3]。焊接過程中焊縫接頭部位受焊接工藝影響，焊縫處易產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力及缺陷，伴隨著外部復(fù)雜拉壓載荷、交變載荷、腐蝕、疲勞及磨損等使用工況影響[4-6]，使得焊縫在疲勞載荷遠(yuǎn)小于材料屈服極限載荷時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而引起焊接結(jié)構(gòu)件的破壞，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。因此對焊縫進(jìn)行有效可靠的檢測，掌握其疲勞損傷狀態(tài)，對提高設(shè)備的使用安全性具有重要意義。

無損檢測技術(shù)[7]以不損壞檢測材料或設(shè)備作為前提，通過專用儀器對構(gòu)件表面或內(nèi)部異常區(qū)域所產(chǎn)生的信號(hào)變化進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)件損傷區(qū)域的判定。目前，比較常用的焊縫無損檢測技術(shù)主要有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測等，上述檢測技術(shù)均是對焊縫已有缺陷進(jìn)行檢測及判定[8-9]，無法對焊縫疲勞損傷過程及損傷狀態(tài)進(jìn)行判定。而焊縫疲勞損傷過程中受力-磁耦合效應(yīng)[10]及漏磁效應(yīng)[11]影響，焊接接頭區(qū)域必然產(chǎn)生自有漏磁場，且磁場幅值與疲勞損傷狀態(tài)相關(guān)。文中采用具有高檢測靈敏度的隧道磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)傳感器對焊縫疲勞損傷過程中的自有漏磁場進(jìn)行檢測，得到了焊縫疲勞損傷過程自有漏磁場信號(hào)變化特征，通過有限元仿真驗(yàn)證了檢測結(jié)果的正確性，為后續(xù)通過檢測焊縫區(qū)域自有漏磁場檢測信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)其疲勞損傷狀態(tài)判定提供了依據(jù)，具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 疲勞試驗(yàn)及檢測方案

焊縫疲勞試樣直接從現(xiàn)有X80 鋼管[12]上通過線切割加工，X80 管線鋼焊接采用對接V 形坡口，單面焊雙面成形，焊縫位于試樣中心區(qū)域，為加速疲勞裂紋萌生，在焊縫中心區(qū)域通過線切割加工V 形坡口，試樣及V 形坡口尺寸如圖1 所示。試樣長130 mm，寬15 mm，高16 mm。V 形坡口深a0=3.5 mm，寬b=1.5 mm，斜邊深c=1.5 mm，坡口根部圓角R=0.2 mm。焊接過程中母材與母材間存在一定的錯(cuò)邊，為研究焊縫正反面疲勞損傷過程中檢測信號(hào)差異，將試樣細(xì)分為焊縫正面含V 形坡口疲勞試樣和焊縫背面含V 形坡口疲勞試樣。

圖1 焊縫疲勞試樣尺寸及實(shí)物圖

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，如圖2 所示。通過載荷壓頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對試樣的疲勞加載，載荷壓頭跨距S1=50 mm，支撐壓頭跨距S2=100 mm，最大載荷10 kN，最小載荷1 kN，載荷頻率10 Hz，正弦波形。

圖2 四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)過程中每間隔一定疲勞載荷循環(huán)次數(shù)，對試樣表面磁場信號(hào)進(jìn)行采集，通過裂紋觀測系統(tǒng)對試樣不同疲勞損傷階段裂紋形貌及長度進(jìn)行觀測，焊縫疲勞試樣檢測路徑如圖3 所示。沿試樣中心線對焊縫區(qū)域疲勞損傷過程自有漏磁場切向分量Hx進(jìn)行采集，檢測路徑長度L1=50 mm，使用隧道磁阻傳感器[13]檢測靈敏度12 mV/V/Oe，檢測提離值1 mm，檢測速度6 mm/s。

圖3 焊縫疲勞試樣磁場檢測路徑示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 裂紋長度與載荷循環(huán)次數(shù)關(guān)系

焊縫試樣疲勞裂紋長度隨載荷循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系如圖4 所示。焊縫正面含V 形坡口疲勞試樣，載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到2.2 × 104時(shí)裂紋萌生于V 形坡口根部；載荷循環(huán)次數(shù)為2.2 × 104～7.2 × 104時(shí)，裂紋緩慢擴(kuò)展；在7.2 × 104周次之后裂紋長度迅速增大；當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到8.9 × 104時(shí)試樣接近斷裂，此時(shí)裂紋長度從初始的3.5 mm 增長至14.05 mm。對于焊縫背面含V 形坡口疲勞試樣，載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到3.0 × 104時(shí)疲勞裂紋萌生于V 形坡口根部；載荷循環(huán)次數(shù)在3.0 ×104～9.4 × 104時(shí)，試樣處于裂紋擴(kuò)展第一階段；在9.4 ×104周次之后裂紋長度迅速增大；當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到1.23 × 105時(shí)試樣接近斷裂，此時(shí)裂紋長度由初始的3.5 mm 增長至13.92 mm。

圖4 疲勞裂紋長度隨載荷循環(huán)次數(shù)變化曲線

2.2 焊縫正面含V 形坡口試樣檢測結(jié)果

圖5 為焊縫正面疲勞損傷過程自有漏磁場切向分量Hx變化，縱坐標(biāo)正負(fù)值與磁場大小無關(guān)，僅代表磁場極性。圖5a 為疲勞裂紋萌生階段試樣磁場變化，未加載前試樣磁場分布呈現(xiàn)左高右低變化，伴隨著疲勞載荷循環(huán)次數(shù)增加，磁場信號(hào)整體分布呈現(xiàn)左低右高，由于焊接過程中焊縫正面處存在焊接余高，試樣左側(cè)焊接余高較右側(cè)高，左側(cè)焊接余高檢測提離值較右側(cè)焊接余高檢測提離值小，故左側(cè)焊接余高磁場值較大，此時(shí)V 形坡口區(qū)域信號(hào)呈現(xiàn)水平直線，且無明顯變化。疲勞裂紋萌生階段，檢測信號(hào)除加載前后變化較為顯著外，后續(xù)伴隨著疲勞載荷循環(huán)次數(shù)的增加，檢測信號(hào)波形分布基本無變化，檢測信號(hào)幅值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，此時(shí)坡口區(qū)域磁場幅值基本在-24 A/m 附近波動(dòng)。

圖5 焊縫正面不同疲勞載荷循環(huán)次數(shù)Hx 分布

圖5b 為疲勞裂紋萌生后試樣磁場變化，當(dāng)疲勞載荷循環(huán)次數(shù)加載至2.2 × 104時(shí)，試樣V 形坡口處疲勞裂紋萌生，從坡口處裂紋形貌可知裂紋較小，但此時(shí)Hx波形分布較裂紋萌生前發(fā)生顯著變化，V 形坡口區(qū)域左側(cè)Hx繼續(xù)呈現(xiàn)波谷狀，V 形坡口區(qū)域Hx伴隨著疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展呈現(xiàn)凸起，V 形坡口區(qū)域右側(cè)Hx由初始的波峰狀逐漸下移，并接近于平緩。

圖5c 為疲勞裂紋擴(kuò)展前期試樣磁場變化，裂紋萌生后，伴隨著載荷循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，檢測信號(hào)波形基本不變，受裂紋增長速度及開口角度限制，坡口處信號(hào)幅值反向增長緩慢，當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到7.2 ×104時(shí)，坡口區(qū)域磁場幅值反向增長至-21.4 A/m。

圖5d 為疲勞裂紋快速擴(kuò)展及臨近斷裂階段試樣磁場變化，伴隨著載荷循環(huán)次數(shù)增加，疲勞裂紋長度及開口角度急劇增大，試樣V 形坡口區(qū)域Hx峰值受裂紋長度及裂紋尖端張開角度影響，峰值急劇增大，并在臨近斷裂時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到8.9 × 104時(shí)，坡口區(qū)域磁場幅值反向增長至-0.4 A/m，信號(hào)幅值變化率達(dá)到無裂紋時(shí)的98.3%。

2.3 焊縫背面含V 形坡口試樣檢測結(jié)果

圖6 為焊縫背面疲勞損傷過程自有漏磁場切向分量Hx變化，未加載前試樣磁場信號(hào)整體分布近乎一條水平直線，焊縫背面由于焊接余高存在，檢測信號(hào)中心區(qū)域呈現(xiàn)波峰狀，信號(hào)波形分布基本能夠反映被檢測表面輪廓變化。載荷施加前，坡口區(qū)域磁場值在-19.2 A/m，載荷施加后，試樣磁場值緩慢增大至-21.3 A/m，中心區(qū)域波峰峰值下降。后續(xù)伴隨疲勞載荷循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，檢測信號(hào)波形分布基本無變化，檢測信號(hào)幅值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖6a 所示。

當(dāng)試樣V 形坡口處疲勞裂紋萌生后，試樣整體磁場緩慢增大，中心區(qū)域峰值相較其他區(qū)域下降，裂紋擴(kuò)展前期由于裂紋長度及開口角度較小，中心區(qū)域峰值下降較為緩慢，當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到7.0 × 104時(shí)中心區(qū)域峰值為-22.4 A/m，如圖6b 所示。

由于裂紋造成試樣強(qiáng)度降低，隨著載荷循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，裂紋擴(kuò)展速率增大，坡口區(qū)域磁場值繼續(xù)增大，此時(shí)信號(hào)波形峰值逐漸下降并呈現(xiàn)小波谷狀態(tài)，載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到1.02 × 105時(shí)，坡口區(qū)域磁場值增至-26.4 A/m，如圖6c 所示。

圖6 焊縫背面不同疲勞載荷循環(huán)次數(shù)Hx 分布

當(dāng)試樣進(jìn)入疲勞裂紋擴(kuò)展后期，中心區(qū)域磁場值繼續(xù)增大，信號(hào)波形完全反轉(zhuǎn)，并在臨近斷裂時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)坡口區(qū)域磁場值為-32.6 A/m，信號(hào)幅值變化率達(dá)到無裂紋時(shí)的69.8%，如圖6d 所示。

2.4 試樣斷裂后檢測結(jié)果

圖7 為焊縫試樣斷裂前后磁場變化，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)試樣斷裂后磁場信號(hào)發(fā)生明顯反轉(zhuǎn)，與斷裂前磁場近似呈現(xiàn)對稱變化，可通過磁場極性改變判斷試樣是否斷裂。

圖7 試樣斷裂前后Hx 分布

3 有限元仿真

3.1 仿真模型建立及計(jì)算

為驗(yàn)證檢測結(jié)果正確性，在有限元仿真軟件中對焊縫疲勞試樣進(jìn)行建模，模型尺寸與試樣尺寸保持一致，疲勞損傷過程中由位錯(cuò)、應(yīng)力產(chǎn)生的等效磁場采用電磁耦合方式進(jìn)行模擬。對焊縫試樣無坡口、焊縫正面含V 形坡口及背面含V 形坡口試樣在裂紋長度為0，1，3，5 和7 mm 進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8 和圖9 所示。

圖8 焊縫正面不同疲勞裂紋長度空氣域磁場分布

圖9 焊縫背面不同疲勞裂紋長度空氣域磁場分布

對于焊縫疲勞試樣，由于V 形坡口造成焊縫處組織結(jié)構(gòu)不連續(xù)，空氣域磁場分布較完整焊縫試樣空氣域磁場分布差異較大，坡口處空氣域磁場值顯著增大，且為試樣附近空氣域磁場最大值，焊縫余高最高點(diǎn)處為焊縫附近空氣域磁場最低值。隨著裂紋長度增加空氣域磁場最大值不斷增大，最大值位于裂紋尖端，焊縫余高最高點(diǎn)處仍為焊縫附近空氣域磁場最低值，當(dāng)裂紋長度達(dá)到7 mm 時(shí)，空氣域磁場值達(dá)到最大值。

3.2 仿真結(jié)果單通道提取

試驗(yàn)過程中由于傳感器采集的為試樣表面泄露到空氣域的自有漏磁場，為了更準(zhǔn)確得到仿真模型表面空氣域磁場變化結(jié)果，對有限元仿真結(jié)果進(jìn)行單通道提取分析。實(shí)際檢測時(shí)，檢測傳感器距離試樣表面有1 mm 提離值，故對仿真結(jié)果進(jìn)行提取時(shí)空氣域檢測路徑距離試樣表面焊縫最高點(diǎn)處提離值也保持1 mm，單通道仿真提取結(jié)果如圖10 所示。對于焊縫試樣正面，整個(gè)試樣磁場分布呈現(xiàn)W 形，焊縫正面含坡口處磁場較無坡口磁場值大，伴隨著裂紋長度增加，坡口區(qū)域磁場值增大，如圖10a 所示。對于焊縫試樣背面，完整焊縫試樣檢測信號(hào)呈現(xiàn)V 形，受坡口及裂紋漏磁場影響中心區(qū)域磁場值發(fā)生了顯著的反轉(zhuǎn)，伴隨著裂紋長度增加，磁場值增大，如圖10b所示。通過對單通道仿真提取結(jié)果的分析可知，伴隨著裂紋長度增加中心區(qū)域磁場值均增大，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證實(shí)了試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

圖10 不同疲勞裂紋長度磁場切向分量Hx 分布

4 疲勞損傷過程自有漏磁場表征

對于焊縫正面含V 形坡口疲勞試樣及焊縫背面含V 形坡口疲勞試樣，未加載前焊縫處自有磁場分布主要與焊縫表面形貌、試樣初始磁場Hi、地磁場Hg等有關(guān)，焊縫表面形貌對試樣檢測信號(hào)影響較大。焊縫正面含V 形坡口疲勞試樣，檢測及仿真結(jié)果能夠反映正面兩個(gè)焊縫余高處的凸起，焊縫背面含V形坡口疲勞試樣，檢測及仿真結(jié)果能夠反映背面單個(gè)焊縫余高處的凸起，從焊縫處自有漏磁場原始信號(hào)分布即可分辨所檢測焊縫的正反面。

對焊縫試樣進(jìn)行疲勞加載后，疲勞損傷過程試樣磁力線變化如圖11 所示。試樣V 形坡口區(qū)域由于幾何尺寸不連續(xù)，必定有部分磁場泄漏到試樣表面，從而形成漏磁場，如圖11a 所示，V 形坡口區(qū)域極性與試樣兩端極性相反，為后續(xù)坡口區(qū)域磁場值反向增長主要原因。疲勞裂紋萌生階段，坡口區(qū)域磁場值受位錯(cuò)磁化效應(yīng)[14-15]和力-磁耦合效應(yīng)的影響造成該區(qū)域磁荷增大，隨著疲勞載荷循環(huán)次數(shù)增加，位錯(cuò)磁化效應(yīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，且力-磁耦合效應(yīng)達(dá)到無滯后磁化狀態(tài)，此時(shí)試樣磁場值基本保持不變，故加載前后試樣磁場值變化較大，后續(xù)隨著載荷循環(huán)次數(shù)增加，裂紋萌生階段試樣自有磁場值變化較小，試樣磁場由應(yīng)力場Hσ、地磁場Hg和初始磁場Hi3 部分疊加組成，如圖11b 所示。當(dāng)循環(huán)載荷達(dá)到一定次數(shù)后裂紋萌生并擴(kuò)展，在疲勞裂紋緩慢擴(kuò)展階段，V 形坡口區(qū)域磁場值增大主要受裂紋兩側(cè)磁荷累積及坡口根部裂紋產(chǎn)生漏磁場共同影響，裂紋擴(kuò)展前期長度及張開角度較小，該階段V 形坡口區(qū)域磁場值反向增長較為緩慢；在疲勞裂紋快速擴(kuò)展階段，由于裂紋長度較長，且裂紋尖端張開角度變大，產(chǎn)生漏磁場快速增大，使得V 形坡口區(qū)域磁場值在該階段迅速增加，如圖11c，11d，11e 所示。斷裂后，裂紋兩側(cè)磁荷極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，造成缺陷處磁場信號(hào)幅值發(fā)生反轉(zhuǎn)，如圖11f 所示。

圖11 焊縫疲勞損傷過程磁力線變化

5 結(jié)論

（1）焊縫正面及背面自有漏磁場原始信號(hào)分布主要與焊縫表面形貌相關(guān)，從焊縫處自有漏磁場原始信號(hào)分布即可分辨所檢測焊縫的正反面。

（2）裂紋萌生階段，加載前后試樣磁場值變化較大，后續(xù)隨著載荷循環(huán)次數(shù)增加試樣磁場值小范圍波動(dòng)；裂紋產(chǎn)生后，受裂紋處漏磁場影響檢測信號(hào)對應(yīng)裂紋區(qū)域信號(hào)幅值反向增大，以此作為裂紋萌生的判定點(diǎn)；伴隨著疲勞裂紋擴(kuò)展，裂紋處漏磁場顯著增加，檢測信號(hào)幅值反向快速增大，并在臨近斷裂時(shí)，達(dá)到最大值；斷裂后，檢測信號(hào)幅值發(fā)生反轉(zhuǎn)。

（3）基于試驗(yàn)及仿真結(jié)果，證實(shí)了對焊縫疲勞損傷過程中自有漏磁場檢測，以表征焊縫疲勞損傷狀態(tài)的可行性，并通過理論分析了焊縫疲勞損傷過程磁場信號(hào)變化機(jī)理，研究結(jié)果為后續(xù)通過焊縫自有漏磁場檢測信號(hào)變化判定疲勞損傷狀態(tài)具有重大工程應(yīng)用價(jià)值。