一种焊接裂纹扩展过程的表征方法
【专利说明】
[0001] 本发明申请是母案申请"基于金属磁记忆检测技术的焊接裂纹扩展过程的表征方 法"的分案申请，母案申请的申请日为2012年9月14日，申请号为2012103450523。
技术领域
[0002] 本发明属于带焊缝金属构件磁性无损检测领域，更具体地说，是一种基于金属磁 记忆信号及其参量变化特征探测构件内部应力集中，定量表征裂纹扩展过程和构件损伤程 度的方法，属于无损检测中金属磁记忆检测领域。
【背景技术】
[0003] 铁磁材料因其优良的力学性能和低廉的价格而被广泛应用于工业生产中。疲劳断 裂是铁磁构件（特别是焊接构件）最常见的一种破坏形式，据统计60%到80%的疲劳断裂 是由于各种微观和宏观的应力集中、损伤累计所导致。焊接是一个非平衡加热冷却的过程， 经过焊接的结构会产生残余应力，结构的局部位置造成很大程度的应力集中，在循环载荷 条件下运行，就很容易导致疲劳损伤断裂。一般情况下，焊接裂纹产生扩展的根源就是各种 微观的应力集中，另外裂纹的发生和扩展与结构件所受的载荷波形类型有很大的关系。通 过无损检测的方法提前诊断裂纹的扩展过程，找出潜在的扩展路径，对预防试件疲劳破坏 非常重要。
[0004] 进行疲劳分析，有效的评价应力变形状况，特别是导致损伤的临界应力变形状况 便成为评价设备与构件的结构强度与可靠性的一个总要依据。为了及时准确地找出最大机 械应力变形区域，俄罗斯学者提出了基于材料力磁耦合效应的金属磁记忆检测方法，是利 用地球磁场和应力场共同作用下的铁磁性材料自发磁化特性进行检测，可以探测材料内部 应力集中区及其应力集中程度，进而确定缺陷的存在或者构件可能发生稳的危险区域。金 属磁记忆检测仪器可以检测到构件表面漏磁场的法相分量，这个漏磁场的法相分量反映了 焊接裂纹内部应力集中的程度。裂纹及其附近区域往往是应力集中程度最高的地方，因此 可以利用金属磁记忆检测仪器探测到的应力集中来表征裂纹的扩展过程。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够针对磁信号及其特征参 量变化特征，对在不同载荷形式作用下的缺口焊接构件的疲劳损伤程度和裂纹扩展过程进 行定量表征的基于金属磁记忆检测技术的低周疲劳损伤定量表征方法。
[0006] 本发明的技术目的通过下述方案予以实现：
[0007] 本发明的技术方案是将技术磁记忆检测技术与疲劳载荷的动态应力集中系数以 及断裂损伤力学相结合，以磁记忆信号法相分量和其梯度变化情况作为焊接接头连续损伤 中的变量，建立一种基于金属磁记忆检测技术的针对缺口焊接构件在不同载荷形式下的低 周疲劳损伤定量表征方法，所述的方法主要包括以下步骤：
[0008] 首先（步骤1)，对带缺口焊接试样（如附图1所示，试件长为2a，宽为b)在不同 波形的疲劳载荷作用下进行低周疲劳试验。实验前在缺口处预制一条垂直于焊缝的裂纹 (长约1_)，可以预测裂纹会沿着垂直于焊缝的方向扩展。疲劳加载过程中，检测不同疲劳 循环次数下试件表面热影响区（测量通道1，测量时通过预制裂纹）和焊缝中心线处（测量 通道2)的磁记忆信号（自发漏磁场强度的法向分量），即得到了裂纹扩展过程中不同测量 通道的磁记忆信号，每次测量的起始线都位于焊缝左侧1处，每次测量的终止线都位于焊 缝右侧1处，即以预制裂纹为中心，在左右两侧等距离处分别开始测量和终止。
[0009] 其次（步骤2)，提取不同载荷循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号过零点 的位置Pi⑴、P2⑴和焊缝处的磁记忆信号最大值Hp2 (y)_(如附图2所示），由于处在热 影响区的测量通道穿过预制裂纹，疲劳加载过程中磁记忆信号过零点位置Pi⑴保持不变， 可以作为参照，依此判断焊缝中心线处的磁记忆信号的过零点位置。
[0010] 再次（步骤3)，因为裂纹尖端的应力集中程度高于其他区域，在最高的应力 集中区域，漏磁场法向分量过零点，所以可以根据磁记忆信号的零值点位置来分析裂纹 尖端在加载过程中的扩展规律。以第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号过零点的 位置坐标是P 2(1)N为变量，建立表征裂纹尖端与固定位置PJ1)的位移差比表达式，即
，当|L|彡5%就表明测量通道2的磁记忆信号过零点位置P 2(1)N 与测量通道1的磁记忆信号过零点位置Pi (1)越接近，裂纹沿着垂直焊缝的位置扩展。
[0011] 最后（步骤4)，根据焊缝磁记忆信号的最大值分析裂纹萌生扩展阶段此处的应力 集中情况，预测试件的损伤程度。以第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号最大值H2(y)_N 作为变量，建立焊接构件损伤度的表达模型，
"作为衡量焊接试件疲劳损伤 的标准。其中H2 (y)maxCI表示加载前焊缝处检测到的磁记忆信号的最大值，当D 2. 0时表 示焊缝处发生严重损伤，DN的值越大构件的损伤程度越大。
[0012] 本发明采用金属磁记忆技术检测不同疲劳循环次数下热影响区和焊缝处漏磁场 的应力集中，通过磁记忆信号零点位置的变化定量的表征裂纹尖端的扩展过程，用磁记忆 信号和其强度梯度的最大值定量表征裂纹扩展过程中试件的损伤程度。
【附图说明】
[0013] 图1本发明测试的工件结构示意图
[0014] 图2不同载荷循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号曲线图，其中热影响区 和焊缝处的磁记忆信号过零点的位置分别为Pi (1)、P2(l)和焊缝处的磁记忆信号最大值 HP2 (y)max
[0015] 图3本发明实施例中试件尺寸示意图
[0016] 图4本发明实施例1中不同载荷循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号曲线 图
[0017] 图5本发明实施例2中不同载荷循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号曲线 图
【具体实施方式】
[0018] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。一种基于金属磁记忆技术及 其特征参数表征焊接结构中裂纹扩展过程和损伤程度的方法，在同样的应力比作用下，疲 劳载荷分别采用方波疲劳载荷和三角波疲劳载荷，试件的尺寸如图3所示（mm):
[0019] 实施例1 :疲劳载荷选择方波载荷，应力比为〇? 5,最大载荷120KN，最小载荷60KN
[0020] 1、对带缺口焊接试件在设定的条件下进行疲劳试验，实验前在缺口处预制垂直于 焊缝、长约1_的裂纹；疲劳加载过程中，用金属磁记忆技术检测试件热影响区和焊缝处的 磁记忆信号。然后提取第N次循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号的过零点的位置 Pi(l)、P 2(1)，焊缝处的磁记忆信号最大值Hp 2(y)maxN(如附图4所示），其中处于热影响区 的磁记忆信号过零点位置Pi (1) =40。
[0021] 2、根据第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号过零点的位置坐标是？(1\为变 量，计算裂纹尖端位移差比（如下表1所示）。当循环次数大于10000次后，|L| <2.5表明 焊缝处的磁记忆信号过零点位置与预定的开裂位置接近，焊缝沿着垂直焊缝的方向扩展， 与预测结果一致。
[0022]表 1
[0024] 3、以第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号最大值H2 (7)』作为变量，计算焊接 构件损伤度（如下表2所示），作为衡量焊接试件疲劳损伤的标准。当N>10000次后，D N> 2 表明构件发生严重损伤，DN的值越大构件的损伤程度越大。
[0025]表 2
[0027] 实施例2 :疲劳载荷选择三角波载荷，应力比为0.5,最大载荷120KN，最小载荷 60KN
[0028] 1、对带缺口焊接试件在设定的条件下进行疲劳试验，实验前在缺口处预制垂直于 焊缝、长约1_的裂纹；疲劳加载过程中，用金属磁记忆技术检测试件热影响区和焊缝处的 磁记忆信号。然后提取第N次循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号的过零点的位置 Pi(l)、P 2(1)，焊缝处的磁记忆信号最大值Hp 2(y)maxN(如附图5所示），其中处于热影响区 的磁记忆信号过零点位置Pi (1) =40。
[0029] 2、根据第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号过零点的位置坐标是？(1\为变 量，计算裂纹尖端位移差比（如下表3所示）。当循环次数大于9500次后，| L | < 5表明焊 缝处的磁记忆信号过零点位置与预定的开裂位置接近，焊缝沿着垂直焊缝的方向扩展。
[0030]表 3
[0033] 3、以第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号最大值H2 (7)』作为变量，计算焊接 构件损伤度（如下表4所示），作为衡量焊接试件疲劳损伤的标准。当N大于5500次后， D N> 2表明构件发生严重损伤，D N的值越大构件的损伤程度越大。
[0034]表 4
[0036] 以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况 下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均 落入本发明的保护范围。
【主权项】
1.基于金属磁记忆检测技术的焊接裂纹扩展过程的表征方法，其特征在于， 首先，对带缺口焊接试样在不同波形的疲劳载荷作用下进行低周疲劳试验，在进行试 验之前在缺口处预制一条垂直于焊缝的裂纹，在疲劳加载过程中，检测不同疲劳循环次数 下试件表面热影响区和焊缝中屯、线处的磁记忆信号，即得到了裂纹扩展过程中不同测量通 道的磁记忆信号，其中处在热影响区的测量通道穿过预制裂纹，在检测磁记忆信号时，W预 制裂纹为中屯、，在左右两侧等距离处分别开始检测和终止检测 其次，提取不同载荷循环次数下热影响区和焊缝处的磁记忆信号过零点的位置Pi(1)、 ?2(1)和焊缝处的磁记忆信号最大值化2(y)m? 再次，W第N次疲劳循环时焊缝处的磁记忆信号过零点的位置坐标是P2(l)w为变量，W为裂纹尖端与固定位置Pi (1)的位移差比表达式；W第N次疲劳循 环时焊缝处的磁记忆信号最大值(y)m。心乍为变量，W作为衡量焊接试件 疲劳损伤的标准，当2. 0时表示焊缝处发生严重损伤，DW的值越大构件的损伤程度越 大。
【专利摘要】本发明公开一种焊接裂纹扩展过程的表征方法，将技术磁记忆检测技术与疲劳载荷的动态应力集中系数以及断裂损伤力学相结合，以磁记忆信号法相分量和其梯度变化情况作为焊接接头连续损伤中的变量，建立一种基于金属磁记忆检测技术的针对缺口焊接构件在不同载荷形式下的低周疲劳损伤定量表征方法。本发明采用金属磁记忆技术检测不同疲劳循环次数下热影响区和焊缝处漏磁场的应力集中，通过磁记忆信号零点位置的变化定量的表征裂纹尖端的扩展过程，用磁记忆信号和其强度梯度的最大值定量表征裂纹扩展过程中试件的损伤程度。
【IPC分类】G01N27/83
【公开号】CN104931576
【申请号】CN201510235729
【发明人】邸新杰, 王文绚
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2012年9月14日
【公告号】CN102841135A, CN102841135B