面向驱动桥壳再制造的磁记忆无损检测

黄海鸿 刘儒军 张 曦 刘志峰

合肥工业大学，合肥，230009

0 引言

中国汽车工业协会发布的统计数据显示，2010年中国汽车产销量迅猛增加，双双突破1800万辆。目前，市场上冲压焊接式桥壳因其制造工艺简单、材料利用率高、废品率低及制造成本低等优点而得到广泛应用。受汽车使用年限的限制，报废量与日俱增，巨大的再制造价值引起人们极大关注。再制造检测是决定零部件能否再制造的关键步骤，金属磁记忆检测作为一种新型无损检测技术［1］，因对构件失效和疲劳损伤具有早期诊断的能力而受到了极大关注。铁磁性物质在地磁场与外应力的共同作用下，应力和变形集中区磁畴状态发生不可逆变化，在材料表面突变的漏磁信号以“磁记忆”的形式记录下来，可通过磁记忆信号的法向分量Hp（y）和切向分量Hp（x）以及磁记忆信号法向分量梯度K来表征材料的损伤程度。

为探讨磁记忆现象的本质，实现磁记忆检测工业化应用，国内外学者进行了大量的实验及应用研究。文献［2-6］研究了不同材料的光滑及缺口拉伸试样在不同载荷下弹性阶段及塑性变形阶段磁记忆信号的变化规律，采用磁记忆信号法向分量Hp（y）及其梯度K来表征拉伸不同阶段材料应力集中和损伤状况；张卫民等［7］研究了螺纹连接在拉伸载荷过程中的磁记忆信号变化规律，结合有限元方法探讨了磁记忆信号与弹塑性变形之间的关系；文献［8-9］将磁记忆检测应用于压力容器、曲轴、储气罐等设备的无损检测。虽然众多学者进行了大量的实验研究，但都是围绕着具体材料或结构件进行的单一检测。不同材料的内部组织、热处理方法、性能，以及结构件的结构特点、加载及检测环境等因素都会对检测结果产生重要影响，因此，需要建立一个从材料评估到结构件检测的复合流程。

汽车驱动桥壳材料510L钢（原16MnL钢）韧性较好，经过一定服役期后出现局部应力集中及小损伤，随着塑性变形会发生微裂纹和微孔洞的形核和进一步扩展［10］，因此桥壳损伤区及变形量的检测是决定其能否再制造的关键环节。本文通过对510L钢材料的拉伸试样进行磁记忆检测，揭示试样不同拉伸阶段材料应变量与磁记忆信号法向分量Hp（y）及其梯度K的变化规律；在结合拉伸试样应变量与磁记忆信号特征量关系的基础上，研究磁记忆信号特征量与桥壳结构件变形量的关系，为评估桥壳损伤提供依据，建立从材料评估到结构件检测一体化的废旧驱动桥壳再制造检测方法。

1 510L钢的拉伸磁记忆检测

1.1 试验材料及设备

510L钢的化学成分见表1。试验取样按照GB2975-1998及GB／T3273-2005标准，板材沿垂直于轧制方向采用线切割截取，并按GB／T228-2002加工标准拉伸试样，试样形状尺寸见图1。在试样中央检测区沿试样长度方向标记1号、2号、3号三条平行检测线，线间距为4.5mm，检测沿这三条线从左到右进行。在MTS810型液压伺服疲劳试验机上进行拉伸试验，其载荷传感器精度高于0.5%，静态载荷误差为±0.5%；采用EMS2000＋型智能磁记忆检测仪检测试样表面的磁记忆信号，两通道笔式探头装夹在非铁磁性电控移动台上，检测步距为1mm，背景磁场抑制，大地磁场校准。

表1 试样的化学成分

图1 试样及检测线

1.2 试验方法

根据GB／T228-2002《金属材料室内拉伸试验方法》测定510L钢的应力-应变曲线，见图2，测得屈服强度σs＝485MPa、抗拉强度σb＝552MPa。参照应力-应变曲线，另取2组试样，每组6根，常温下缓慢加载，当达到规定应变量时停止加载，取下试样按南北方向水平放置，按照检测线进行磁记忆检测。检测时探头移动方向保持一致，提离高度为1mm，移动速度为8mm／s。拉伸试验前为消除试样加工过程残余应力等造成的表面不均匀剩磁，采用TC-2退磁器对试样进行交流感应退磁处理，以净化初始磁信号。

图2 应力－应变曲线

1.3 塑性区磁记忆信号的分析

由图2可知，材料在拉伸过程中经历了弹性、屈服、强化和颈缩4个阶段。在试样进入屈服阶段以后，分别在应变ε为3.0%、3.7%、9.3%、14.3%、18.9%、22.1%后卸载，并按照标定路线进行磁记忆检测。对比两组试样检测结果发现，第1组试样的1号、2号检测线在不同应变下的磁记忆信号分布见图3。由图3可知，1号、2号检测线在不同应变量下磁记忆信号法向分量变化规律一致，这说明光滑试样在拉伸载荷下为均匀塑性流动。下面以1号检测线为例，揭示不同应变下磁记忆信号特征量变化规律。

图3 试样塑性阶段不同应变下磁记忆信号

试样1～6在塑性变形的不同阶段，其磁记忆法向分量表现出一定的变化规律。在塑性变形初期，Hp（y）为斜线，随着应变量的增大，Hp（y）有减小的趋势；应变达到18.9% 时，Hp（y）值发生落差性的减小，并在30mm位置出现过零点；应变为22.1% 时试样出现颈缩，Hp（y）变化趋势反转。分析塑性变形初始阶段磁信号规律：由于晶体在退磁状态下的磁畴分布状态强烈依赖于外应力、磁场热处理和退磁的方式［11］，常温下材料经交流退磁后，在塑性区发生了不可逆变形，磁畴壁扩展合并，磁畴重新分布，在应力作用下试样内部能量得到重新分配，磁畴有序化排列。在塑性变形初始阶段，材料的塑性流动呈均匀流动状态，光滑试样各截面应力差别不大，试样没有出现应力集中。当应变量继续增大到出现颈缩时，Hp（y）则出现了变化趋势反转、过零点及数值发生较大变化等现象，主要原因是光滑试样内在缺陷或夹杂物处在大载荷下最先出现了损伤，并以强烈的漏磁信号形式在试样表面体现出来。

为进一步研究磁记忆信号与应变的关系，使应力损伤量化，令磁记忆信号法向分量梯度K为

K是Hp（y）微分后的量化值，反映检测线上每个点的磁记忆信号变化。提取试样表面磁记忆信号法向分量梯度最大值Kmax，分析1号检测线Kmax与应变量的关系，见表2。在塑性变形初始阶段，随应变量的增大，Kmax有增大的趋势，但变化幅度较小；当继续加载到试样出现颈缩时，梯度Kmax出现明显的增大。

表2 塑性阶段不同应变量对应的梯度Kmax

分析Hp（y）的变化规律及Kmax值，发现两者有共同的规律性。塑性变形初期Hp（y）为斜线，Kmax在波动的基础上有小幅度的增大，两者变化都不显著；当出现颈缩现象时，Hp（y）变化趋势反转且出现过零点，Kmax出现突变，试样表面的磁记忆信号强烈。Hp（y）的变化规律及Kmax都与拉伸试样的应变量有对应关系，并且规律相同，由此证明了磁记忆方法用于检测510L钢拉伸试样应变损伤的可行性，为磁记忆方法应用于510L钢废旧驱动桥壳检测提供了依据。

2 驱动桥壳的磁记忆检测

2.1 桥壳危险区判断

根据某车桥公司的汽车驱动桥台架试验数据，驱动桥壳最易损坏的位置为半轴套管与桥壳本体焊缝处、弹簧座与壳体圆弧过渡处，在焊缝处熔池凝固是非平衡结晶，冷却速度快，结晶时化学成分不能及时扩散，导致在焊接后极易出现成分偏析现象［12-13］，在熔合区成分不均匀更为明显；弹簧座与壳体圆弧过渡处则会在冲压成形时出现材料的塑性变形，在车桥运行过程中成为断裂危险区域，过渡弧外侧受拉应力，内侧受压应力。汽车在运行过程中，桥壳承受加载力、扭转力，在疲劳载荷作用下两处危险区最易出现塑性变形、应力集中甚至断裂破坏现象。

2.2 桥壳检测与分析

随机抽取4根废旧驱动桥壳，对半轴套管与桥壳本体焊缝处（检测区A）、弹簧座与壳体圆弧过渡处（检测区B）进行磁记忆检测。检测A区时，探头垂直沿半轴套管母线方向在焊缝附近区域检测；检测B区时，探头垂直沿桥壳轴向检测。桥壳变形量的检测通过测量桥壳高度差的方法测定，桥壳两端半轴套管用支撑环支撑，旋转桥壳，采用高度游标卡尺测量加强环中心点a的上下偏差，如图4所示。

图4 驱动桥壳检测示意图

检测区A、B的Kmax测量结果见表3，1号～4号废旧桥壳检测区A沿桥壳母线检测得到的梯度分布见图5，检测区B沿桥壳母线检测得到的梯度分布见图6。

表3 废旧桥壳变形量与检测区A、B磁场梯度Kmax对比

检测显示，3号废旧驱动桥壳在检测区A处，Hp（y）有较大变化，在熔合区有过零点，梯度Kmax最大（值为10.50×10-3A／mm2）；其他3个桥壳在检测区A处的磁场强度有一定的波动，但波动范围较小，变化平缓，K较小且没有大的突变峰。检测区B磁记忆检测结果显示，1号、2号、4号桥壳的梯度K沿检测路径表现出相似规律，即越靠近弹簧座磁记忆信号波形变化越大；而3号桥壳则没有表现出大的跳跃性，在检测过程中波形出现轻微的均匀跳动。

结果表明，在同一检测环境下，不同变形量的废旧桥壳与磁记忆特征信号表现出一定的相关性。3号废旧桥壳在焊缝边缘出现突变梯度Kmax（值为10.50×10-3A／mm2），而弹簧座附近磁信号变化平缓，表明该桥壳焊缝处最先出现了应力集中，为桥壳的易损坏区域，在疲劳载荷下损伤加深并最终演变为大的变形（近1mm）。在疲劳载荷下弹簧座处塑性变形情况更加严重，这是由于弹簧座与壳体圆弧过渡处冲压成形时即存在塑性变形。1号、2号、4号废旧桥壳梯度K的变化规律表明，越靠近弹簧座，应力集中现象越明显，桥壳台架试验结果也表明此处是桥壳最易发生损伤的区域之一。

图5 1～4号桥壳检测区A梯度K

图6 1号～4号桥壳检测区B梯度K

2.3 驱动桥壳再制造的性能评估

对比光滑拉伸试样与桥壳的磁记忆检测，发现变形量与磁记忆特征信号具有相关性。当变形量较小时，材料均匀塑性变形，Hp（y）、K发生微小波动，无应力集中；当发生大的塑性变形时，材料漏磁信号增强，磁场梯度出现大的突变。

废旧驱动桥壳的变形量及局部损伤程度都决定了其再制造性能，通过分析变形量与磁记忆信号特征量的关系可以表征和评估桥壳的再制造性能。废旧驱动桥壳检测流程见图7。使用磁记忆检测仪，快速地对桥壳半轴套管与桥壳焊缝处、弹簧座与壳体圆弧过渡处等危险部位进行检测。当磁记忆信号法向分量Hp（y）变化平缓，梯度K在小范围内跳动时，判定桥壳无损伤，直接进入下一步再制造工序。当Hp（y）出现明显的波峰波谷，K发生剧烈跳动（如 Kmax达到10.50×10-3A／mm2）时，判定桥壳出现损伤，并且还可能伴随着桥壳的变形，可针对损伤区采用涡流等其他常规无损检测方法进行验证，确定损伤程度，确定桥壳损伤的再制造修复与加工方案；同时对桥壳实行变形量检测，根据报废标准对小变形桥壳进行矫正。桥壳经过检测、再制造修复和加工后，再进入测试程序，验证经过再制造的新桥壳是否具备进入下一个服役周期的性能。

图7 驱动桥壳再制造检测流程图

3 结论

（1）光滑拉伸试样及驱动桥壳的磁记忆信号特征量随应变量的变化表现出相同的变化规律。Hp（y）分布与K值的变化规律相同，光滑拉伸试样塑性变形初期，Hp（y）为斜线，Kmax变化微弱，随应变量的增大有小幅增大；当出现颈缩现象时，颈缩位置出现不均匀塑性流动，Hp（y）变化趋势反转且出现过零点，Kmax出现较大突变；驱动桥壳变形量较小时Kmax较小，变形量较大时Kmax也相应增大。从材料评估到结构件检测的一体化流程证明了磁记忆检测方法用于废旧驱动桥壳再制造检测的可行性。

（2）通过Kmax可判别桥壳应力集中情况，由Kmax也可推导桥壳的变形程度，从而判别桥壳的整体损伤程度，确定桥壳的再制造性能。

（3）磁记忆方法采集的是弱磁信号，而弱磁信号易受到各种环境的影响，废旧驱动桥壳的结构、载荷、工况、残余应力、变形量、环境磁场等因素非常复杂，目前还无法制订统一的标准来定量分析工件损伤程度，所以还需要结合涡流、超声等无损检测手段进一步综合评价废旧驱动桥壳的再制造性能。

［1］Dubov A A.A Study of Metal Properties Using the Method of Magnetic Memory［J］.Metal Science and Heat Treatment，1997，39（9／10）：401-405.

［2］Dong Lihong，Xu Binshi，Dong Shiyun，et al.Stress Dependence of the Spontaneous Stray Field Signals of Fer-romagnetic Steel［J］.NDT ＆ E International，2009，42（4）：323-327.

［3］蹇兴亮，周克印.基于磁场梯度测量的磁记忆试验［J］.机械工程学报，2010，46（4）：15-21.Jian Xingliang，Zhou Keyin.Magnetic Memory Experiment Based on Magnetic Gradient Measurement［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2010，46（4）：15-21.

［4］王丹，董世运，徐滨士，等.静载拉伸45钢材料的金属磁记忆信号分析［J］.材料工程，2008（8）：77-80.Wang Dan，Dong Shiyun，Xu Binshi，et al.Metal Magnetic Memory Testing Signals of 45Carbon Steel during Static Tension Process［J］.Materials Engineering，2008（8）：77-80.

［5］Guo Pengju，Chen Xuedong，Guan Weihe，et al.Effect of Tensile Stress on the Variation of Magnetic Field of Low-alloy Steel［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2011，323（20）：2474-2477.

［6］冷建成，徐敏强，李建伟，等.塑性变形条件下拉伸构件的磁记忆效应［J］.哈尔滨工业大学学报，2011，43（1）：21-25.Leng Jiancheng，Xu Minqiang，Li Jianwei，et al.Magnetic Memory Effect of Tensile Component Under Plastic Deformation［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2011，43（1）：21-25.

［7］张卫民，袁俊杰，王朝霞，等.螺纹连接承载过程的力-磁关系研究［J］.中国机械工程，2009，20（1）：34-37.Zhang Weimin，Yuan junjie，Wang Zhaoxia，et al.The Force-Magnetic Relations in Thread Connecting Process［J］.China Mechanical Engineering，2009，20（1）：34-37.

［8］王朝霞，张卫民，李文春，等.压力容器封头处磁记忆信号特征分析［J］.机械科学与技术，2007，26（12）：1610-1632.Wang Zhaoxia，Zhang Weimin，Li Wenchun，et al.Analysis of Features of Magnetic Memory Signal on the Head of a Pressure Vessel［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2007，26（12）：1610-1632.

［9］王翔，陈铭.基于涡流和磁记忆法的退役曲轴检测［J］.机械设计与研究，2007，23（2）：95-97.Wang Xiang，Chen Ming.Testing of End-of-life Crankshaft Based on Eddy Current Magnetic Memory Method［J］.Machine Design and Research，2007，23（2）：95-97.

［10］余寿文，冯西桥.损伤力学［M］.北京：清华大学出版社，1997.

［11］郭贻诚.铁磁学［M］.北京：人民教育出版社，1982.

［12］王文竹，程勉宏，刘刚.汽车驱动桥壳的有限元分析［J］.沈阳航空工业学院学报，2008，25（3）：38-40.Wang Wenzhu，Cheng Mianhong，Liu Gang.Finite Element Analysis of an Automobile Drive Axle Housing［J］.Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering，2008，25（3）：38-40.

［13］陈祝年.焊接工程师手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.