缺陷方位對(duì)漏磁場(chǎng)影響及旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用

張海龍，程衛(wèi)國(guó)，李 輝，胡才望，蔡黎明

（1.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081；2.大冶特殊鋼有限公司，湖北 黃石 435001；3.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州 313009）

1 磁粉檢測(cè)的漏磁場(chǎng)

磁粉檢測(cè)是利用漏磁場(chǎng)吸附磁粉形成磁痕顯示進(jìn)行探傷。所謂漏磁場(chǎng)，就是鐵磁性材料磁化后，在不連續(xù)處或磁路截面變化處，磁感應(yīng)線離開和進(jìn)入表面時(shí)形成的磁場(chǎng)。如果在磁化了的工件上存在不連續(xù)性或裂紋，則磁感應(yīng)線優(yōu)先通過磁導(dǎo)率高的工件，這就迫使部分磁感應(yīng)線從缺陷下面繞過，形成磁感應(yīng)線的壓縮。但是，工件上這部分可容納的磁感應(yīng)線數(shù)目也是有限的，又由于同性磁感應(yīng)線相斥，所以部分磁感應(yīng)線從不連續(xù)中穿過，另一部分磁感應(yīng)線遵循折射定律幾乎垂直從工件表面進(jìn)入空氣中繞過缺陷又折回工件，形成了漏磁場(chǎng)[1-2］。漏磁場(chǎng)對(duì)磁粉的吸附可看成是磁極的作用，如果有磁粉在磁極區(qū)通過，則將被磁化，呈現(xiàn)出N極和S極，并沿著磁感應(yīng)線排列起來。當(dāng)磁粉的兩極和漏磁場(chǎng)的兩極相互作用，磁粉就會(huì)被吸附并加速移動(dòng)到缺陷上去，缺陷處吸附磁粉如圖1所示。漏磁場(chǎng)的磁力作用在磁粉微粒上，其方向指向磁感應(yīng)線最大密度區(qū)，即指向缺陷處。由于漏磁場(chǎng)的寬度要比缺陷實(shí)際的寬度大數(shù)倍至數(shù)十倍，磁痕寬度與缺陷寬度如圖2所示，所以磁痕對(duì)缺陷寬度具有放大的作用，由此目視不可見的缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)槟恳暱梢姷拇藕凼怪菀子^察出來。

圖1 缺陷處吸附磁粉示意

圖2 磁痕寬度與缺陷寬度示意

2 影響漏磁場(chǎng)的因素

前述可知，磁粉檢測(cè)方法是通過檢測(cè)漏磁場(chǎng)來檢測(cè)缺陷的?？梢?，漏磁場(chǎng)的大小對(duì)檢測(cè)效果有著重要的影響，理論和實(shí)踐均證明，影響漏磁場(chǎng)的因素主要有以下幾方面[3-4］。

（1）漏磁場(chǎng)的大小與工件的磁化程度有關(guān)。一般來說，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度一定要大于產(chǎn)生最大磁導(dǎo)率μm對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hμm，使磁導(dǎo)率減小，磁阻增大，漏磁場(chǎng)增大。由于缺陷的幾何形位千差萬別地存在于不同的工件中，必須要使漏磁場(chǎng)大到缺陷清晰顯示的程度，因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了工件磁化程度，即磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度和缺陷漏磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較低，漏磁場(chǎng)偏小，增加緩慢；當(dāng)鐵磁性材料的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和值的80%左右，漏磁場(chǎng)不僅幅值較大，而且隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加會(huì)迅速增大。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系

（2）缺陷位置對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。同樣的缺陷，位于工件表面處時(shí)，產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)大，如圖4所示的a位置；若位于工件的近表面，漏磁場(chǎng)將顯著減小，如圖4所示的b位置；若位于工件表面很深處，則幾乎沒有漏磁場(chǎng)泄漏出工件表面，如圖4所示的c位置。缺陷深度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系曲線如圖5所示，漏磁通密度隨著缺陷深度的增加而增大。

圖4 缺陷位置對(duì)漏磁場(chǎng)的影響

圖5 缺陷深度與漏磁場(chǎng)的關(guān)系曲線

（3）缺陷方向?qū)β┐艌?chǎng)的影響。缺陷主平面與磁場(chǎng)垂直時(shí)產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)最強(qiáng)（圖6a）；當(dāng)缺陷與磁場(chǎng)的夾角由90°逐漸減小，漏磁場(chǎng)的變化規(guī)律如圖6（b）所示；當(dāng)缺陷主平面與磁場(chǎng)平行，由于缺陷對(duì)磁力線的通過幾乎沒有影響，所以漏磁場(chǎng)近似為0，如圖6（c）所示。缺陷傾角與漏磁場(chǎng)的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 不同方向缺陷與磁場(chǎng)的漏磁場(chǎng)

圖7 缺陷傾角與漏磁場(chǎng)的關(guān)系曲線

（4）缺陷寬度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。當(dāng)缺陷寬度相同，漏磁場(chǎng)隨著缺陷深度的增加而增大，反之漏磁場(chǎng)減小。深寬比越大，漏磁場(chǎng)也越大，缺陷越容易被發(fā)現(xiàn)。若缺陷寬度較大，漏磁場(chǎng)的幅度顯著降低。

3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在磁粉檢測(cè)中的應(yīng)用

由上述分析可知，在一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下，缺陷位置、取向及深寬比是影響缺陷形成漏磁場(chǎng)的主要因素，又由磁粉檢測(cè)原理可知，磁粉檢測(cè)只能檢測(cè)鐵磁性材料表面及近表面缺陷[5-13］，所以，對(duì)于深寬比一定的缺陷，在工件中的取向?qū)z測(cè)結(jié)果的影響就顯得更加重要了。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，若只采用一種磁化方向，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致缺陷漏檢；若采用兩個(gè)磁化方向分別磁化，則會(huì)影響檢測(cè)效率，且也不能保證與磁化方向呈一定角度的缺陷被有效檢出。因此，為了檢測(cè)鐵磁性工件各個(gè)方向的缺陷，在進(jìn)行磁粉檢測(cè)時(shí)，常采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

3.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成及原理

3.1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成

實(shí)際應(yīng)用中，縱向磁化采用線圈，周向磁化采用磁軛（兩個(gè)磁化板），同時(shí)施加交流電進(jìn)行磁化。如果把縱向磁化線圈的磁場(chǎng)設(shè)為x方向，周向磁化板的磁場(chǎng)設(shè)為y方向（相位滯后，在某一時(shí)刻的垂直交叉磁場(chǎng)的合成如圖8所示，合成磁場(chǎng)呈一扇形。由于x、y方向的磁場(chǎng)在交流電的作用下方向不斷地變化，磁場(chǎng)沿著O點(diǎn)360°進(jìn)行合成，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是一矢量場(chǎng)。

圖8 垂直交叉磁場(chǎng)的合成

3.1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成原理

式中H0——初始磁場(chǎng)強(qiáng)度，T；

Hx——縱向磁化線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度，T；

Hy——周向磁化板的磁場(chǎng)強(qiáng)度，T。

那么，在垂直交叉的縱向磁場(chǎng)Hx和周向磁場(chǎng)Hy的中心處，兩個(gè)磁場(chǎng)合成后的磁場(chǎng)H為：

由H=H0可知，合成磁場(chǎng)幅值為常數(shù)，相位角φ隨時(shí)間變化，其軌跡是以H0為半徑、角速度為ω的一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（在離中心較遠(yuǎn)處，由于兩個(gè)磁場(chǎng)的幅值不相等，合成的磁場(chǎng)應(yīng)為橢圓形）。兩磁場(chǎng)的變化曲線如圖9（a）所示，合成磁場(chǎng)軌跡如圖9（b）所示。

圖9 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成原理

3.2 鋼管鋼棒垂直交叉磁粉檢測(cè)裝置

當(dāng)兩個(gè)垂直交叉的磁場(chǎng)放置在被檢工件上并通以幅值、頻率相同，相位相差的交流電，縱向磁場(chǎng)和周向磁場(chǎng)在交流電的作用下，磁場(chǎng)在工件上會(huì)得到隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[14-15］。鋼管鋼棒垂直交叉磁粉檢測(cè)裝置如圖10所示。

圖10 鋼管鋼棒垂直交叉磁粉檢測(cè)裝置

4 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)檢測(cè)實(shí)例

利用圖10所示的檢測(cè)裝置對(duì)不同規(guī)格鋼管進(jìn)行復(fù)合磁化（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)），設(shè)備型號(hào)為CJW-24000AT，檢測(cè)方式為鋼管螺旋前進(jìn)。其中，對(duì)Φ168 mm×25 mm規(guī)格鋼管外表面進(jìn)行熒光濕磁粉檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)參數(shù)按表1進(jìn)行設(shè)置，實(shí)際檢測(cè)效果如圖11所示。

圖11 鋼管、鋼棒專用熒光磁粉探傷檢測(cè)效果

表1 水基熒光濕磁粉旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)檢測(cè)時(shí)的參數(shù)

此類設(shè)備投入使用以來，共探傷各種外徑的鋼管13 610支，發(fā)現(xiàn)外表面各種取向的缺陷2 582支，經(jīng)修磨復(fù)探后合格2 535支，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，為工廠降低了質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及經(jīng)濟(jì)損失。采用復(fù)合磁化檢測(cè)鋼管的磁粉檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 采用復(fù)合磁化檢測(cè)鋼管的磁粉檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語

（1）由于缺陷幾何形位對(duì)漏磁場(chǎng)的影響，常規(guī)的磁粉探傷容易造成缺陷漏檢。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)工件360°方向的缺陷有相同的靈敏度，在鋼管、鋼棒的磁粉檢測(cè)應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，確保了磁粉檢測(cè)對(duì)鋼管、鋼棒表面各個(gè)方向缺陷檢測(cè)的可靠性。

（2）采用轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化被檢工件時(shí)，縱向磁化電流值與周向磁化電流值的選擇，應(yīng)采用靈敏度試片進(jìn)行測(cè)試，以靈敏度試片的磁痕顯示清晰為原則，保證復(fù)合磁化（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）的磁場(chǎng)強(qiáng)度滿足檢測(cè)要求。