張弢

（中車哈爾濱車輛有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

環(huán)形工件近表面缺陷復(fù)合磁化磁痕顯示特性分析

張弢

（中車哈爾濱車輛有限公司，黑龍江 哈爾濱 150056）

在一種環(huán)形工件磁粉探傷工序檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該工件的近表面縱向缺陷，在進(jìn)行復(fù)合磁化時(shí)，縱向磁痕顯示隨磁化強(qiáng)度的增加，磁痕出現(xiàn)有分散甚至消失的現(xiàn)象。針對(duì)存在的這種現(xiàn)象，進(jìn)行理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并提出了解決措施，確保工件的檢測(cè)結(jié)果安全可靠。

環(huán)形工件；復(fù)合磁化；磁粉檢測(cè)

在對(duì)一種環(huán)形工件進(jìn)行磁粉探傷時(shí)，工件上靠近外側(cè)縱向的近表面缺陷的磁痕顯示不穩(wěn)定，按照常規(guī)的探傷工藝要求，磁懸液停止噴淋后，應(yīng)再磁化2～3次，以使磁痕穩(wěn)定，但實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，在停止噴液后，隨著磁化次數(shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，磁痕顯示不僅沒有穩(wěn)定，反而出現(xiàn)發(fā)散甚至消失的現(xiàn)象，這對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的可靠性產(chǎn)生了極大的影響，有必要深入分析，查找原因并加以解決，以保證探傷結(jié)果的安全、穩(wěn)定、可靠。環(huán)形工件上的近表面模擬缺陷示意圖見圖1。

圖1 環(huán)形工件上的近表面模擬缺陷示意圖

1 原因查找與分析

（1）磁粉探傷設(shè)備的工作原理：探傷環(huán)形工件時(shí)，為提高探傷效率，設(shè)備在設(shè)計(jì)中多采用復(fù)合（多項(xiàng)）磁化的方法，由于環(huán)形件自身形狀的特點(diǎn)，往往采用中心導(dǎo)體法與感應(yīng)電流法的交流—交流復(fù)合磁化方式。為了減少設(shè)備的復(fù)雜度，通常采用的交流電均不進(jìn)行相位處理，僅采用相位差為120的交流電。其特點(diǎn)是，磁場(chǎng)復(fù)合疊加后，合成磁場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)橢圓方式，即：各不同方向的磁場(chǎng)不均勻。相位差120°時(shí)的復(fù)合磁場(chǎng)見圖2。

式中，α——兩磁場(chǎng)方向間角，φ為相應(yīng)的激磁電流的相位差。

圖2 相位差120°時(shí)的復(fù)合磁場(chǎng)

可見，這是一個(gè)橢圓方程，合成磁場(chǎng)各方向的強(qiáng)度并不相等，會(huì)造成不同方向的缺陷，探傷靈敏度的不一致。此種情況一般是可以接受的，只要最低的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范的要求，探傷結(jié)果仍然可靠。為了獲得各方向均勻一致的磁場(chǎng)，需要將勵(lì)磁電流的相位差調(diào)整到90°，同時(shí)，在相互兩垂直方向進(jìn)行磁化，此時(shí)，合成磁場(chǎng)的方程將變?yōu)椋?/p>

可見，此時(shí)的合成磁場(chǎng)為圓形，各方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻一致，這種磁化效果雖然不是不能實(shí)現(xiàn)，但設(shè)備復(fù)雜程度將大大增加，因此，實(shí)際上往往不用此種方式磁化工件。環(huán)形件磁粉探傷設(shè)備原理示意圖見圖3。

圖3 環(huán)形件磁粉探傷設(shè)備原理示意圖

（2）中心導(dǎo)體法磁化與感應(yīng)電流法復(fù)合時(shí)的特點(diǎn)。磁粉探傷時(shí)，雖然磁化規(guī)范由電流或磁場(chǎng)強(qiáng)度確定，但本質(zhì)上，工件內(nèi)部必須產(chǎn)生足夠的大的磁感應(yīng)強(qiáng)度B，與磁場(chǎng)強(qiáng)度相比，中間相差一個(gè)系數(shù)，就是磁導(dǎo)率μ，對(duì)鐵磁性材料而言，其磁導(dǎo)率均較高，所以，工件內(nèi)可以產(chǎn)生較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于中心導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度H=I/(2πr),工件內(nèi)半徑比外半徑r小，因而鋼管內(nèi)壁磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都大，探傷靈敏度高，外壁表面磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都相對(duì)較小，探傷靈敏度相對(duì)較低。

但是，感應(yīng)電流法與此剛好相反，由于感應(yīng)電流亦為交流電，所以其趨膚效應(yīng)必然存在，且

式中，f——交流電頻率；σ——材料的電導(dǎo)率；μ——材料的磁導(dǎo)率。

從式中可以看出，由于鐵磁性材料的磁導(dǎo)率相對(duì)較高，因?yàn)橼吥w深度會(huì)更小，即電流密度更近表面較大，對(duì)表面缺陷有更好的檢出能力，但在近表面，會(huì)有明顯的磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱。

綜上分析，當(dāng)采用中心導(dǎo)體法與感應(yīng)電流法進(jìn)行復(fù)合磁化時(shí)，會(huì)有明顯的各不同位置復(fù)合效果不同，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布更復(fù)雜，各向異性也會(huì)更加突出。近表面缺陷的漏磁場(chǎng)復(fù)合時(shí)與表面復(fù)合時(shí)將必然存在較大的差異（圖4）。

圖4 中心導(dǎo)體法磁場(chǎng)分布和感應(yīng)電流法的趨膚效應(yīng)

（3）其它影響因素。磁粉探傷中，在磁懸液停止噴淋后，在進(jìn)行磁化時(shí)，沒有磁粉的必要補(bǔ)充，是造成這種現(xiàn)象的另一個(gè)因素，磁痕形成后，由于形成的時(shí)間短，磁痕內(nèi)部必然存有一定量的載液，這使得磁痕本身仍具有一定的流動(dòng)性，當(dāng)外界磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，磁粉必定受磁場(chǎng)影響而發(fā)生流動(dòng)，造成磁痕的分散甚至消失（圖5）。

圖5 磁粉團(tuán)顯微鏡下分布圖

2 分析結(jié)果的驗(yàn)證情況

第一，在使用單項(xiàng)磁化對(duì)工件探傷時(shí)，磁痕處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，停止噴淋后，多次磁化，磁痕仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明這種現(xiàn)象的原因與磁場(chǎng)的復(fù)合狀態(tài)有關(guān)，即周向電流和縱向電流的匹配效果有關(guān)。第二，當(dāng)工件上人工模擬缺陷處于磁懸液可補(bǔ)充的位置進(jìn)行噴淋磁化時(shí)，磁痕顯示相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明磁懸液補(bǔ)充量與顯示效果有關(guān)。第三，改變電流值，當(dāng)中心導(dǎo)體法設(shè)定的電流越大時(shí)，磁痕分散現(xiàn)象越明顯。第四，以水懸液和油懸液進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，在條件相同時(shí)，水懸液磁痕顯示相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明水懸液形成磁痕后，能更快的讓水從磁痕中流出，磁痕自身的流動(dòng)性差，使磁痕更加穩(wěn)定。第五，在其它條件相同時(shí)，以1.4mL/100mL、2.0 mL/100mL、2.6 mL/100mL三種磁懸液濃度進(jìn)行試驗(yàn)，分散現(xiàn)象無(wú)明顯差異，說(shuō)明此種現(xiàn)象與磁懸液濃度無(wú)關(guān)。

綜合評(píng)價(jià)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明前面的理論分析是正確的，與實(shí)際情況保持了很好的一致性。

3 解決措施

通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，最終確定軸承外圈實(shí)物試塊人工缺陷磁痕顯示分散的影響因素主要是磁場(chǎng)的復(fù)合狀態(tài)，即周向電流和縱向電流的匹配效果。

為了消除這種磁痕顯示分散現(xiàn)象，保證試塊上縱向人工缺陷的清晰顯示，在實(shí)際工作中，應(yīng)采用以下方式加以解決：第一，采用中心導(dǎo)體法與感應(yīng)電流法符合磁化的設(shè)備，為發(fā)現(xiàn)工件靠近外側(cè)近表面缺陷時(shí)，不宜采用復(fù)合磁化方式，可采用縱向單項(xiàng)磁化的方法，來(lái)保證此類缺陷的磁痕穩(wěn)定。第二，若僅為發(fā)現(xiàn)工件表面的缺陷，采用復(fù)合磁化的方法對(duì)檢測(cè)結(jié)果沒有明顯的影響，即：表面缺陷與近表面缺陷，在磁場(chǎng)復(fù)合效果上存在差異，尤其是表面裂紋類缺陷，因其具有較大的深寬比，因而磁痕基本不受影響。第三，通過(guò)采用以上方法，在實(shí)際探傷過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)近表面的縱向缺陷，為保證產(chǎn)品質(zhì)量提供了可靠的依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際探傷過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)與常規(guī)理論不一致的現(xiàn)象，對(duì)這些現(xiàn)象要從人、機(jī)、料、法、測(cè)等多個(gè)方面進(jìn)行充分的分析，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐的驗(yàn)證，找到問題的真正原因，采取合理可行的手段和方法加以解決，確保探傷結(jié)果的真實(shí)可靠。

[1]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].高等教育出版社.

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì).磁粉檢測(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

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1671-0711（2017）05（上）-0046-02