基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统

技术领域

本发明涉及钢结构焊接缺陷检测领域，具体涉及一种基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统。

背景技术

钢材由于其轻质高强、材质均匀和制造简单等特点，在大跨度桥梁、重型厂房和高层结构当中得到了广泛的使用，其中焊接是钢结构中重要的连接方式，而焊接接头中存在裂纹、气孔等焊接空气型缺陷，严重影响了焊接结构的安全性能，使焊接区域成为危险部位。在众多的无损检测方法当中，磁记忆检测方法既可以检测表面缺陷，又可以检测内部缺陷，并且相比于其他无损检测方式，磁记忆检测方法还具有灵敏度高、检测速度快、对工件表面清洁要求度不高、操作简单等优点。

然而，磁记忆检测应用效果的好坏很大程度上取决于信号表征方式，目前缺陷信号表征主要是通过Doubov教授提出的磁记忆信号法向分量过零点和切向分量有极值两种方式来进行，但研究人员通过大量的研究发现，通过切向和法向特征进行判断并不可靠，其受环境磁场、载荷大小、检测方向以及残余应力的影响均较明显，实际上磁场是呈空间状态分布的，因此，用受多因素影响的单一方向信号进行表征会导致出现误判，进而也就无法精确地提取出缺陷部位。因此，需要一种基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统，能够解决以上问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统，能够剔除掉干扰因素的影响，准确定位多种因素影响下的钢结构典型焊缝空气型缺陷。

本发明的基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法，包括：

采集钢结构的焊缝磁场信号，确定钢结构的三维磁模量梯度极值；

将三维磁模量梯度极值大于极值阈值的结构区域作为目标区域，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域。

进一步，根据如下公式确定钢结构的三维磁模量梯度极值：

其中，D为三维磁模量梯度极值；H

进一步，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域，具体包括：

将具有铁磁性介质连续性分布特点的区域作为残余应力变化区域，并将残余应力变化区域从目标区域中剔除，得到剔除后的区域；

在剔除后的区域中，将三维磁模量梯度极值的取值大于取值阈值的区域作为缺陷区域。

一种基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位系统，包括三维磁模量梯度极值构建单元以及缺陷区域筛选单元；

所述三维磁模量梯度极值构建单元，用于采集钢结构的焊缝磁场信号，确定钢结构的三维磁模量梯度极值；

所述缺陷区域筛选单元，用于将三维磁模量梯度极值大于极值阈值的结构区域作为目标区域，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域。

进一步，根据如下公式确定钢结构的三维磁模量梯度极值：

其中，D为三维磁模量梯度极值；H

进一步，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域，具体包括：

将具有铁磁性介质连续性分布特点的区域作为残余应力变化区域，并将残余应力变化区域从目标区域中剔除，得到剔除后的区域；

在剔除后的区域中，将三维磁模量梯度极值的取值大于取值阈值的区域作为缺陷区域。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统，从真实的空间磁场信息出发，借助三维磁模量梯度极值的表征方式，剔除掉干扰因素的影响，最终准确定位出钢结构典型焊缝空气型缺陷所在位置，为简便、快捷地评估钢结构焊接质量状态提供了技术支持。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的缺陷区域磁荷理论原理示意图；

图2为本发明的缺陷区域磁场强度隆起示意图；

图3为本发明的铁磁性材料受残余应力的示意图；

图4为本发明的三维磁模量梯度极值以及残余应力随焊缝长度变化示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：

本发明的基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法，包括如下步骤：

S1.采集钢结构的焊缝磁场信号，确定钢结构的三维磁模量梯度极值；

S2.将三维磁模量梯度极值大于极值阈值的结构区域作为目标区域，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域。

本发明综合考虑了三维磁信号，比采用单一方向磁信号更加精确；本发明的三维磁模量梯度极值能更加明显地反映出磁信号异常部位，为最终精确判定典型焊缝空气型缺陷打好基础；本发明借助磁荷、电磁学以及力磁相互关系理论，分析了残余应力与焊缝空气型缺陷产生的磁信号本质上的不同，达到最终精确判定典型焊缝空气型缺陷位置的目的。

本实施例中，步骤S1中，采集沿钢结构典型焊缝长度走向的三个方向的磁场信号(H

根据如下公式确定钢结构的三维磁模量梯度极值：

其中，D为三维磁模量梯度极值；H

具体地，先求解三维磁场均方根

再求解三维磁场均方根

对所求梯度取绝对值

本实施例中，步骤S2中，残余应力影响因素的排除就是借助磁荷理论和电磁学理论，同时根据磁荷体系的磁性自由能最低原则，在库仑力的作用下，铁磁构件缺陷处单位体积内的磁荷数量会因大量磁荷向缺陷边界聚集而激增，而残余应力区域由于铁磁性介质连续性分布使得单位体积内磁荷数相比于缺陷区域少很多，这就会导致缺陷区域处的磁场强度骤升，而残余应力所在区域的磁场强度就相对较弱，由此使得从宏观上区分出空气型缺陷所在区域和残余应力所在区域成为可能，加之三维磁模量梯度极值能从中间状态中表达磁信息，因此利用三维磁模量梯度极值随焊缝长度的变化关系图就能较好剔除掉残余应力；

典型焊缝空气型缺陷的定位依照缺陷不同大小、不同位置、不同埋深等情况下其三维磁模量梯度极值均会较好地区别出缺陷与残余应力变化区域的不同，剔除掉残余应力变化的关注区域，剩下的几乎就是典型焊缝空气型缺陷所在区域。

将三维磁模量梯度极值大于极值阈值的结构区域作为目标区域，其中，极值阈值可以根据实际工况进行设置，如图4所示，可以将极值阈值设定在1～3区间范围，比如设置为1。

根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域，具体包括：

将具有铁磁性介质连续性分布特点的区域作为残余应力变化区域，并将残余应力变化区域从目标区域中剔除，得到剔除后的区域；

在剔除后的区域中，将三维磁模量梯度极值的取值大于取值阈值的区域作为缺陷区域。其中，取值阈值同样可以根据实际工况进行设置，如图4所示，可以将取值阈值设定在10～30区间范围，比如设置为20。

具体地，如图1、2所示，因磁荷数量分布的不同，在有缺陷和没有缺陷的地方其磁场强度差异明显，以此来初步判断缺陷位置；其中，图1中H0为地磁场、H’为附加磁场；

如图3所示，尽管残余应力所在位置磁信号没有缺陷位置的强，但还不足以准确地将缺陷所在位置找出来；考虑到残余应力是在连续铁磁性介质中传递的，其磁场强度的变化也将会是温和的；而缺陷位置则不同，因磁荷数量的急剧增多必定会导致该区域磁场强度的剧烈变化，梯度正好是反应某一物理量变化快慢的指标，所以利用梯度指标能很好地将缺陷从残余应力区域中提取出来；

为了使得整个分析过程清晰、完整和准确，更好地还原磁场信息的真实状态，本发明从空间三维磁场出发，并重点关注磁信号的强弱，对于磁场的方向性不做过多分析，从模量入手，同时结合三维信息以及梯度的特殊物理意义(只考虑梯度变化的快慢，对具体的磁信号变大还是减小不做分析)，将三维磁模量梯度极值作为最终辨别缺陷和残余应力所在区域的技术指标，效果如图4所示。

本发明还涉及了一种基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位系统，所述系统与上述基于磁记忆的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，所述系统包括三维磁模量梯度极值构建单元以及缺陷区域筛选单元；

所述三维磁模量梯度极值构建单元，用于采集钢结构的焊缝磁场信号，确定钢结构的三维磁模量梯度极值；

所述缺陷区域筛选单元，用于将三维磁模量梯度极值大于设定阈值的结构区域作为目标区域，根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域。

本实施例中，根据如下公式确定钢结构的三维磁模量梯度极值：

其中，D为三维磁模量梯度极值；H

根据目标区域所处位置的磁场强度变化特点，从目标区域中剔除残余应力变化区域，筛选得到缺陷区域，具体包括：

将具有铁磁性介质连续性分布特点的区域作为残余应力变化区域，并将残余应力变化区域从目标区域中剔除，得到剔除后的区域；

在剔除后的区域中，将三维磁模量梯度极值的取值大于设定取值的区域作为缺陷区域。

本发明提供了客观、科学的钢结构焊缝空气型缺陷定位方法及系统，实现了最终精确判定典型焊缝空气型缺陷位置的目的，能够做到剔除掉干扰因素的影响，准确定位多种因素影响下的钢结构典型焊缝空气型缺陷，为简便、快捷地评估钢结构焊接质量状态提供了技术支持。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。